电子技术在电力系统中运用未来展望

浅析电子技术在电力系统中的运用及未来展望摘要：电力电子经过几十年的发展，在许多领域得到了有效应用。

目前，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显著成绩。

在未来，电力电子技术在其他领域也有更为广泛的运用，直接产生巨大的社会和经济效益。

关键词：电子技术；电力系统；未来展望前言：电力电子起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。

电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。

据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。

电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键点技术之一。

可以毫不夸张地说，如果离开了电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。

电力系统中电力电子新技术有很多类，静止励磁控制、风力、太阳能发电、柔性交流输电、智能电网、超高压交、直流输电等。

我国比较出色的是超高压交、直流输电技术。

以下就电力电子新技术在发电、输电、配电及未来其他方面的应用做简要分析。

一、发电系统方面1、静止励磁控制的应用随着发电机容量的不断增大，对励磁系统的要求越来越高。

传统的直流励磁机励磁因大电流下的火花问题无法使用，三机励磁系统则因系统复杂、机组轴系稳定性等问题而受到越来越多的限制；自并激静止励磁系统以其接线简单、可靠性高、工程造价低、调节响应速度快、灭磁效果好的特点而得到越来越广泛的应用。

特别是随着电子技术的不断发展和大容量可控硅制造水平的逐步成熟，大型汽轮发电机采用自并激励磁方式已成为一种趋势。

国外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。

自上世纪90年代后期以来，新建国产300mw机组已几乎全部采用自并激静止励磁系统。

2、风力发电技术的应用风电技术进步很快，风电机组高科技含量大，机组可靠性提高，单机容量2500kw以下的技术已经成熟，风电的突出优点是环境效益好，不影响农田和牧场的正常生产，但由于风速是随时变化的，风电的不稳定性会给电网带来一定影响，目前许多电网内都建设有调峰用的抽水蓄能电站，结合变频电源技术可使机组变速运行，调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子输出频率恒定，从而克服了风电的这个缺点。

3、太阳能发电控制体系太阳能是一种干净的可再生的新能源，太阳能发电就是将太阳能转换为电能，要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。

大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以要具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心二、输电系统方面1、高压直流输电（hvdc）直流输电在技术方面有许多优点：(1)不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联；(2)可以限制短路电流；(3)没有电容充电电流；(4)线路有功损耗小；(5)输送相同功率时，线路造价低；(6)调节速度快，运行可靠；(7)适宜于海下输电。

1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。

可关断器件组成的换流器，由于采用了可关断的电力电子器件，可避免换相失败，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统（海上石油平台、海岛）供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。

高压直流输电原理图如下：随着大功率电子器件(如：可关断的晶闸管、mos控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等)开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。

2、静止无功补偿（svc）静止无功补偿器（svc）于20上世纪70年代兴起，现在已经发展的很成熟的facts装置，其被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补偿（电压和无功补偿）。

为了稳定电压，提高功率因数以降低能耗，必须对具有时变冲击性的无功负荷进行动态无功补偿。

采用无触头晶闸管开关的静止无功补偿装置，能自动跟踪电网无功的变化波动进行动态补偿，实现无功功率的连续调节，具有响应速度快，工作可靠的特点。

在大功率电网中，svc被用于电压控制或用于获得其它效益，如提高系统的阻尼和稳定性等。

3、可控串联补偿（tcsc）可控串补的正式名称是晶闸管控串联补偿，可以在很多方面改善电力系统的性能。

它能增加系统容量，提高已有线路和新建线路的输电能力，从而用更少的线路输送更多电力，节省资金，对环境保护也有一定好处，此外，它还能消除次同步震荡。

次同步震荡是输电线路在一定运行条件下和串联补偿相关的一种谐振现象，消除次同步谐振的危险意味着扩大串联补偿的使用范围。

可控串补原理如下图。

其中，c是串联电容，l是电感线圈，v是反并联的晶闸管阀，b 是旁路断路器。

晶闸的导通角受到控制器的控制，由于导通角的变化使电感电感l上的电流il发生变化，il和电容电流ico组成新的电容电流ic，他在c上产生的电压vc与ico所产生的电压vco 不同，这样就从il的变化引起了vc的变化，相应的容抗xc与没有il时的xco也不相同，使串联电容等值容抗根据控制器在动态情况下连续调节4、柔性交流输电（facts）技术电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。

柔性的交流输电技术是上世纪八十年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。

柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。

到目前，facts控制器已有数十种，按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类，但共同的功能都是通过快速、精确、有效地控制电力系统中一个或几个变量（如电压、功率、阻抗、短路电流、励磁电流等），从而增强交流输电或电网的运行性能。

三、配电系统方面配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。

电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。

电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，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dfacts设备产品将进入快速发展期。

四、电力电子技术新应用领域展望电力电子技术的应用将成为新世纪的关键支撑技术之一。

电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。

1、发电及配电领域我国在21世纪开始10年的电力建设发展速度约为7.4～8.0％，若按7.5％的速度安排电力建设，并考虑技术进步和加强节电及需求侧负荷管理，电力弹性系数按0.80～0.85来考虑，到2010年全国电力装机仍要求达到5.4～5.5亿kw以上，也就是说要求10年内平均每年要新增电力装机容量达2400～2500万kw，这一建设规模是十分巨大的。

即使这样仍远远满足不了我国国民经济迅速发展的需要，为此我国电力部已明确指出“我国在很长一段时期内必须采用开发与节约并重的总方针，在大规模进行电力建设的同时，还要大力推进以科技进步为中心的节能、节电、提高效益的电力技术改造工作。

”从用电角度来说，利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率;从发、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。

现代电力系统的控制必须包括下列两个方面的要求：（1）维持电源电压和频率的稳定，满足负荷的要求。

特别要求系统具有良好的高峰/低谷调节能力，并能满足对电能质量的要求，即稳定的电压、频率，三相对称，低的谐波分量等。

（2）在系统发生故障时，系统应具有自动防止故障扩大和消除故障的能力，以保护系统免于崩溃。

近十几年来，随着电力电子器件和变流技术的飞速发展，高压大功率电力电子装置的诸多优良特性决定了它在电力系统应用中具有强大的生命力。

2、电能储存装置作为一种特殊商品，交流电是无法储存的。

这使用电量的变化无法实现峰谷调剂，即不能用晚上富余的发电来补充白天用电超容量的需要。

发电装机能力必须按最大负荷准备，但所装发电机的实际平均利用率却比较低。

储能发电站的构思是不错的：白天水库放水发电，支援用电高峰；晚上到用电谷期用富余的网电把该发电机作水泵电动机运行，把落到下游的水抽上去，增加水库的库容，以增加第二天白天的发电量。

但这种系统的效率很低。

利用电力电子技术，把晚间的交流电整流为直流电，储存到蓄电池和大电容器的并联组合中。

当白天需要用电时，再利用电力电子技术，把夜里储存起来的直流电再逆变为可用的交流电，甚至同电网并联使用。

这样的系统转换效率比较高。

在21世纪能源紧缺的世界上，这种以谷补峰的合理用电措施必将普及推广。

但所有这些办法只有在政策上采取用电峰谷差异电价才可能实行。

而且峰谷电价应相差4倍以上才能使用户有积极性使用，以弥补购置储能设备的费用。

要推广这种储能设备，给电力电子又打开了一个应用空间。

3、中压直流输电20世纪的后二十年，电力系统中采用高压直流远距离输电显示了很大的优越性。

采用直流输配电系统具有功率因数高（没有无功问题）、电网污染小、节电等优点。

这种技术有可能在今后十年推广到中电压（1kv左右）直流输电范围来。

在石油、矿山、电力等部门企业中，用电负载散布在相距几十、上百公里的范围，不可能也不值得在各应用点设大量降压变电站，从总发电站或总变电站送出的工频三相380v标准电力有很大线损，而且沿输电线的偷电现象十分严重。

如果在变电站里设置一台容量较大的整流器，送出1kv 直流电；在负载侧首先安装斩波器，把输入电压灵活地稳定到与三相380v交流系统适应的直流值；然后接逆变器，把该稳压直流电逆变成工频标准电压，以交流三相380v供给抽油机等需要调速的正常负载节能运行。

这样，把大量的“交－直－交”变频调速器展开了：把“交－直”整流部分集中到主变电站，而把“直－交”逆变部分分布在各用电点。

既节约了电能，又防止了偷电。

如果逐步采用直流供电，充分发挥逆变器和斩波器的作用，来高效率地供给各种交、直流负载。

这样的社会供电系统，也许会带来更安全、更经济、更节能的社会效益和经济效益。

在未来十年中，这项技术将会在某些行业中先行，再逐步推广。

4、照明方面照明是电力电子技术应用的另一个重要方面。

随着社会的发展，照明用电占总发电量的比率与日俱增。

据资料统计，1992年我国照明用电量为700亿kw-h，而到了1995年为1000亿kw-h，占总发电量的10％，2000年照明用电达1500亿kw-h。