电力电子技术在电力系统中的应用

参考文献： ［ １ ］ 唐庆玉． 电工电子实验教学改革思想［ Ｍ ］ 南 京： 电气电子教学学报． ２ ０ ０ １ ． ２ ３ （ 专辑） ［ ２ ］ 高燕梅等． 电路实验教学改革与素质教育探 讨［ Ｍ ］南京： 电气电子教学学报．２００３．２５（６） ［３］耿大勇等． 面向 ２１ 世纪电工学实验教学改 革的探索与实践［ Ｍ ］ 天津： 实验室科学． ２ ０ ０ ຫໍສະໝຸດ ． ５１６２信息技术
电力电子技术在电力系统中的应用
文⊙ 付宇明 张辉 （明水电业局 黑龙江省绥化）
摘要： 文中概述性地介绍电力电子技 的 三 次 方 成 正 比 ，风车捕捉最大风能的转 术 在 电 力 系 统 中 的 各 类 应 用 ，重 点 在 发 电 速随风速而变化。为了获得最大有效功 环 节 中 、输 电 环 节 中 、在 配 电 环 节 中 的 应 率，可 使 机 组 变 速 运 行 ，通 过 调 整 转 子 励 用和节能环节的运用。 磁 电 流 的 频 率 ，使 其 与 转 子 转 速 叠 加 后 保 关键词： 直流输电； 电力电子； 发电机 持 定 子 频 率 即 输 出 频 率 恒 定 。此 项 应 用 的 一、前言 技术核心是变频电源。 电力电子技术是一个以功率半导体器 ３ 发电厂风机水泵的变频调速 件、电 路 技 术 、计 算 机 技 术 、现 代 控 制 技 发电厂的厂用电率平均为 ８ ％ ，风机水 术为支撑的技术平台。经过 ５ ０ 年的发展历 泵耗电量约占火电设备总耗电量的 ６ ５ ％ ， 程，它 在 传 统 产 业 设 备 发 行 、电 能 质 量 控 且运行效率低。使用低压或高压变频器， 制、新 能 源 开 发 和 民 用 产 品 等 方 面 得 到 了 实 施 风 机 水 泵 的 变 频 调 速 ，可 以 达 到 节 能 越 来 越 广 泛 的 应 用 。最 成 功 地 应 用 于 电 力 的 目 的 。低 压 变 频 器 技 术 已 非 常 成 熟 ，国 系统的大功率电力电子技术是直流输电 内 外 有 众 多 的 生 产 厂 家 ，并 不 完 整 的 系 列 （ＨＶＤＣ） 。自 ２０ 世纪 ８０ 年代，柔性交流输 产品，但 具 备 高 压 大 容 量 变 频 器 设 计 和 生 电（Ｆ Ａ Ｃ Ｔ Ｓ ）概念被提出后，电力电子技 产 能 力 的 企 业 不 多 ，国 内 有 不 少 院 校 和 企 术在电力系统中的应用研究得到了极大的 业正抓紧联合开发。 关注，多 种 设 备 相 继 出 现 。本 文 介 绍 了 电 （二）在输电环节中的应用 力电子技术在发电环节中、输电环节中、 电力电子器件应用于高压输电系统被 在 配 电 环 节 中 的 应 用 和 节 能 环 节 的 运 用 。 称为“硅片引起的第二次革命” ，大幅度改 二、电力电子技术的应用 善了电力网的稳定运行特性。 自 ２ ０ 世纪 ８ ０ 年代，柔性交流输电 １ 直流输电（Ｈ Ｖ Ｄ Ｃ ）和轻型直流输电 （Ｆ Ａ Ｃ Ｔ Ｓ ）概念被提出后，电力电子技术 （ＨＶＤＣ Ｌｉｇｈｔ）技术 在电力系统中的应用研究得到了极大的关 直流输电具有输电容量大、稳定性好、 注，多 种 设 备 相 继 出 现 。已 有 不 少 文 献 介 控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海 绍和总结了相关设备的基本原理和应用现 底 电 缆 输 电 及 不 同 频 率 系 统 的 联 网 ，高压 状。以 下 按 照 电 力 系 统 的 发 电 、输 电 和 配 直流输电拥有独特的优势。１ ９ ７ ０ 年世界上 电 以 及 节 电 环 节 ，列举 电 力 电 子 技 术 的 应 第 一 项 晶 闸管换流器， 标 志 着 电 力 电 子 技 用研究和现状。 术 正 式 应 用 于 直 流 输 电 。从 此 以 后 世 界 上 （一）在发电环节中的应用 新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。 电力系统的发电环节涉及发电机组的 ２ 柔性交流输电（Ｆ Ａ Ｃ Ｔ Ｓ ）技术 多 种 设 备 ，电 力 电 子 技 术 的 应 用 以 改 善 这 Ｆ Ａ Ｃ Ｔ Ｓ 技术的概念问世于 ２ ０ 世纪 ８ ０ 些设备的运行特性为主要目的。 年 代 后 期 ，是 一 项 基 于 电 力 电 子 技 术 与 现 １ 大型发电机的静止励磁控制 代 控 制 技 术 对 交 流 输 电 系 统 的 阻 抗 、电压 静止励磁采用晶闸管整流自并励方 及 相 位 实 施 灵 活 快 速 调 节 的 输 电 技 术 ，可 式，具 有 结 构 简 单 、可 靠 性 高 及 造 价 低 等 实 现 对 交 流 输 电 功 率 潮 流 的 灵 活 控 制 ，大 优点，被 世 界 各 大 电 力 系 统 广 泛 采 用 。由 幅度提高电力系统的稳定水平。 于 省 去 了 励 磁 机 这 个 中 间 惯 性 环 节 ，因而 ２０ 世纪 ９０ 年代以来，国外在研究开发的 具 有 其 特 有 的 快 速 性 调 节 ，给 先 进 的 控 制 基础上开始将 Ｆ Ａ Ｃ Ｔ Ｓ 技术用于实际电力系 规律提供了充分发挥作用并产生良好控制 统工程。其输出无功的大小，设备结构简单， 效果的有利条件。 控制方便，成本较低，所以较早得到应用。 ２ 水力、风力发电机的变速恒频励磁 （三）在配电环节中的应用 水力发电的有效功率取决于水头压力 配电系统迫切需要解决的问题是如何 和 流 量 ，当 水 头 的 变 化 幅 度 较 大 时（尤其 加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量 是抽水蓄能机组） 机组的最佳转速便随 ， 控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称 之 发 生 变 化 。风 力 发 电 的 有 效 功 率 与 风 速 度 的 要 求 ，还 要 抑 制 各 种 瞬 态 的 波 动 和 干 （ 上接 １ ６ １ 页） 在网上进行虚拟实验，直到满 意 为 止 。还 可 以 通 过 网 络 课 堂 把 自 己 的 发 明 创 造 或 问 题 和 大 家 交 流 ，全 面 提 高 学 生 的学习兴趣。 ３ ． ３ 制作大量教学课件 电工电子教学的难点之一是许多复杂 流动的电子图像难以用语言清晰地描述， 为 解 决 这 一 问 题 ，可 以 通 过 制 作 幻 灯 、动 画和仿真电路等课件的办法改进这一不足 之处。通 过 这 些 课 件 ，不 但 为 学 生 提 供 了 丰 富 的 信 息 资 源 ，使学 生 更 容 易 理 解 所 学 的知识，同时也促进了教学质量的提高。 ４ ． 加强实验教学管理 ４ ． １ 加强实验室管理 一是建立健全实验室管理制度，使实 验 室 处 于 良 好 的 运 行 状 态 。二 是 加 强 实 验 设 备 的 管 理 ，保 证 实 验 的 正 常 进 行 ， 充分 发挥仪器设备的效能。出现损坏及时修 理，小 的 损 坏 带 领 学 生 自 己 修 ，大 的 损 坏 及 时 报 修 ，保 持 设 备 完 好 率 在 百 分 之 九 十 五 以 上 。三 是 开 放 实 验 室 ，尽 量 满 足 学 生 课 外 实 验 的 要 求 ，为学生创造良好的课外 实践条件。 ４ ． ２ 加强网络课堂的管理 对网络课堂进行经常性专人管理，维 护 网 络 课 堂 的 正 常 运 转 。及 时 处 理 学 生 提 交 的 问 题 ，指 导 学 生 的 学 习 ，检 查 学 生 网 络课堂学习情况，组织学生进行网上交 流，及时更新、完善网络课堂内容。 ４ ． ３ 加强教学管理 组织专家对实验教学进行经常性的检 查、指 导 和 评 估 ，不断提高实验教学的质 量和水平。认真把握实验教学的各个环节， 学 生 做 实 验 前 必 须 要 求 预 习 ，撰 写 实 验 预 习 报 告 ，实 验 过 程 中 ，教 师 要 认 真 检 查 学 生 对 待 实 验 的 态 度 ，以 及 对 实 验 操 作 技 能 扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系 统中的应用，即用户电力（Ｃｕｓｔｏｍ Ｐｏｗｅｒ） 技术或称 ＤＦＡＣＴＳ 技术，是在 ＦＡＣＴＳ 各项 成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制 新技术。可以将 ＤＦＡＣＴＳ 设备理解为 ＦＡＣＴＳ 设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能 也相似。由于潜在需求巨大，市场介入相对 容易，开发投入和生产成本相对较低，随着 电 力 电 子 器 件 价 格 的 不 断 降 低 ，可 以 预 期 Ｄ Ｆ Ａ Ｃ Ｔ Ｓ 设备产品将进入快速发展期。 （四）在节能环节的运用 １ 变负荷电动机调速运行 电动机本身挖掘节电潜力只是节电的 一 个 方 面 ，通 过 变 负 荷 电 动 机 的 调 速 技 术 节电又是另一个方面， 只 有 将 二 者 结 合 起 来，电动机节电方较完善。 目前，交流调 速 在 冶 金 、矿 山 等 部 门 及 社 会 生 活 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 。首 先 是 风 机 、泵 类 等 变 负 荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流 阀控制风流量和水流量具有显著的效果。 国 外 变 负 荷 的 风 机 、水 泵 大 多 采 用 了 交 流 调速，我国正在推广应用中。 变频调速的优点是调速范围广，精度 高，效率高，能实现连续无级调速。在调速 过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不 大，节电率一般可达 ３ ０ ％ 左右。其缺点主要 为：成本高，产生高次谐波污染电网。 ２ 减少无功损耗，提高功率因数 在电气设备中，变压器和交流异步电动 机等都属于感性负载，这些设备在运行时不 仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。因 此，无功电源与有功电源一样，是保证电能 质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持 无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设 备破坏，功率因数下降，严惩时会引起电压 崩溃，系统解裂，造成大面积停电事故。所 以，当电力网或电气设备无功容量不足时， 应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。 结束语 电力电子技术正在不断发展，新材 料、新 结 构 器 件 的 陆 续 诞 生 ，计 算 机 技 术 的进步为现代控制技术的实际应用提供了 有 力 的 支 持 ，在 各 行 各 业 中 的 应 用 越 来 越 广泛。电 力 电 子 技 术 在 电 力 系 统 中 的 应 用 研究与实际工程也取得了可喜成绩。 的 掌 握 程 度 ，发 现 问 题 及 时 纠 正 辅 导 ，使 学 生 养 成 严 谨 的 实 验 作 风 。改 革 实 验 考 核 方法，建立客观公正的考核评价体系。 ５ ． 结束语 经过多年的教学实践，在电工电子实 验 教 学 改 革 上 已 取 得 了 一 定 的 成 绩 。总体 安排上逐渐趋向合理， 既 注 重 了 时 代 性 和 先 进 性 ，也 能 充 分 利 用 现 代 教 学 技 术 进 行 双 向 教 学 ，加 强 了 综 合 性 和 系 统 性 的 实 验 教学内容，取得了非常好的教学改革效果。