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电力电子在电力系统中的应用

时间：2013-07-05

电力电子技术是新兴的一种电子技术，被广泛的应用到电力电子领域，而且随着变频技术的研究和发展，电力电子的发展有了更有力的保障，目前，电子电力技术的作用主要在发电，输电，配电等各个环节。下面看看电力电子技术在各个环节运用的基本情况。
　　在发电环节的运用
　　电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。
　　(一) 大型发电机的静止励磁控制。静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。
　　(二) 水力、风力发电机的变速恒频励磁。水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过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频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。
　　(三)发电厂风机水泵的变频调速。发电厂的厂用电率平均为 8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的 65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品。
　　(四)太阳能发电控制系统。开发利用无穷尽的洁净新能源———太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。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，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以3～4kW 的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以10～15kW 的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂(7.2MW)等。
　　在输电环节的运用
　　(一)柔性交流输电技术(FACTS) 交流输电或电网的运行性能。已应用的 FACTS 控制器有静止无功补偿器(SVC)、静止调相机(STATCON)、静止快速励磁器 (PSS)、串联补偿器(SSSC)等。近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。国内也对 FACTS 进行了深入的研究和开发。
　　(二) 高压直流输电技术(HVDC) 流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力。此外，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。
　　近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电采用 IGBT 等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。
　　(三) 静止无功补偿器(SVC) SVC 是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC 可以有不同的回路结构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)或晶闸管控制电抗器(TCR)。
　　在配电环节的运用
　　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，即用户电力(CustomPower)技术。用户电力技术(CP)技术和 FACTS 技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用 FACTS 的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力；发展CP 的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。CP 和FACTS 的共同基础技术是电力电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，目前二者已逐渐融合于一体，即所谓的DFACTS 技术。具有代表性的用户电力技术产品有：动态电压恢复器(DVR)，固态断路器(SSCB)，故障电流限制器(FCL)，统一电能质量调节器(PQC)等。
　　我国电力电子技术的发展
　　1. 配电自动化前景
　　配电网自动化智能电网投资重中之重：配电网作为输配电系统的最后一个环节，其实现自动化的程度与供用电的质量和可靠性密切相关。配电自动化是智能电网的重要基础之一。从投资构成上我们预计，智能电网的投资构成上，配网自动化将占40%左右，是智能电网投资的重中之重。我国配网自动化处于初级阶段：配网自动化在我国处在起步阶段，国内城市配网馈线自动化率不足 10%，目前国外配网自动化的比例达到 60%-70%，国内仍刚刚开始试点，未来市场空间广阔。
　　2. 配电自动化简介
　　配电自动化指：利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术与电力设备相结合，将配电网在正常及事故情况下的监测、保护、控制、计量和供电部门的工作管理有机地融合在一起，改进供电质量，与用户建立更密切更负责的关系，以合理的价格满足用户要求的多样性，力求供电经济性最好，企业管理更为有效。配电自动化是一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程，包含电力企业中与配电系统有关的全部功能数据流和控制。从保证对用户的供电质量，提高服务水平，减少运行费用的观点来看，配电自动化是一个统一的整体。
　　配自动化包含以下配电自动化包含以下4 个方面：①馈线自动化。馈线自动化完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、故障隔离和网络重构。其主要功能有：运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障区隔离、负荷转移及恢复供电、无功补偿和调压等。②变电站自动化。变电站自动化指应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通过计算机硬软件系统或自动装置代替人工对变电站进行监控、测量和运行操作的一种自动化系统。变电站自动化以信号数字化和计算机通信技术为标志，进入传统的变电站二次设备领域，使变电站运行和监控发生了巨大的变化，取得显著的效益。变电站自动化的基本功能有：数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、开关操作控制和闭锁、与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电站其他自动化装置交换信息和与调度控制中心或集控中心通信等项功能。变电站自动化技术是配电自动化的重点之一。③配电管理系统。配电管理系统(DMS)是指用现代计算机、信息处理及通信等技术和相关设备对配电网的运行进行监视、管理和控制。它是配电自动化系统的神经中枢，整个配电自动化系统的监视、控制和管理中心。主要功能有：数据采集和监控(SCADA)、配电网运行管理、用户管理和控制、自动绘图/设备管理/地理信息系统(AM/FM/GIS) 等。④需求侧管理。通过一系列经济政策和技术措施，由供需双方共同参与的供用电管理。包含负荷管理、用电管理及需方发电管理等。需求侧管理的几个内容涉及电力供需双方，甚至与电力管理体制有关，必须通过立法和制订相应的规则，并最终由电力市场来调节。可以看到，电力的供需双方不仅仅是一种电力买卖关系，也是以双方利益为纽带的合作伙伴关系，在电力市场环境下，需求侧管理必将被重视。
　　3.配电自动化发展趋势
　　根据对国内外发展动态的研究，配电自动化技术的发展呈现以下特点：
　　1) 多样化尽管配电自动化技术的发展经历了三个阶段，但是从日本等国家的应用情况看，各个阶段的技术都在使用，并且各有其适应范围：基于自动化开关设备相互配合的馈线自动化系统适合于农网等负荷密度低、供电半径长、故障较多而供电可靠性较差的区域；第二阶段的配电自动化系统 (DAS)适合于中小城市和县城；基于人工智能具有丰富高级应用的第三阶段配电自动化系统适合于大城市和重要园区；甚至仅仅具有遥信和遥测功能而不具备遥控功能的配电网信息系统也有其应用前景，主要因为它可以直接采用公用通信资源 (如GPRS 等)，而不需要建设专用通信网。
　　2)集成化配电自动化涉及面很广，它不但有自己实时信息采集的部分，还有相当多的实时、非实时和准时实时信息需要从其它应用系统中去获取。比如，从地调自动化系统中获取主供电网和变电站信息；GIS 系统中获取配电线路拓从扑模型和相关图形；从PMS 系统中获取配电设备参数;从用电营销系统/负荷控制系统中获取用户信息等。因此，配电自动化的主站不再是单一的实时监控系统，而是将多个与配电有关的应用系统集成起来形成综合应用的系统。为了规范应用系统间集成和接口，国际电工委员会制订了IEC 61968 系列标准，提出运用信息交换总线 (即企业集成总线)，可将若干个相对独立的、相互平行的应用系统整合起来，在实现信息交换的同时，使每个系统继续发挥自己的特色，形成一个有效的应用整体。
　　3)智能化配电系统是智能电网的重要环节，配电系统智能化则是配电自动化的发展方向。因此，配电自动化与实现智能电网密切相关，主要表现在：自愈配电技术。这就是配电自动化系统中馈线自动化的故障诊断、定位、隔离以及恢复供电的基本功能，在智能电网的背景下需要进一步升级为适应分布式发电的双向能量流下的馈线自动化功能。高效运行技术。这就是配电自动化系统中高级应用软件功能。在智能电网的背景下需要进一步升级为考虑设备全生命周期的资产优化与智能调度业务功能。分布式电源和储能系统的接入技术。这是配电自动化系统面临的新要求，尤其是涉及到配网潮流计算和分析以及分布式电源对电网的影响。定制电力技术。根据电能质量的相关标准，以不同的技术和价格提供不同等级的电能质量，以满足不同用户对电能质量水平的需求。配电自动化系统是其技术支撑手段之一。用户互动技术。这就是配电自动化系统中停电管理功能，在智能电网的背景下需要进一步升级为适应用户双向互动的业务功能。
　　现在我国的电力都在往智能电网这块发展，所以的技术和发展都在一步一步的智能化，相信电力电子技术在电力领域的应用可以加速电力系统的智能化发展。