电力电子变流技术在电力系统中的应用

电力电子变流技术在电力系统中的应用

专业：电气工程及其自动化 姓名：张琦 指导老师：周志文

摘 要 电力电子技术在电力系统中的应用非常广泛，发达国家在用户最终实用的电能中，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技术之一。可以说，如果离开电力电子技术，电力系统的现代化就是不可想象的。

关键词 电力电子，电力系统，整流电路，逆变电路，变频电路 Abstract

Power Electronics in Power System is widely used in developed countries in the user the ultimate practical electricity, there are more than 60% of the electricity at a minimum, more than one power electronic converter device processing. Power system leading to the modernization process, the power electronics technology is the key technologies. It can be said that if the left power electronics technology, the modernization of power system is unthinkable.

Key words Power electronics：Power system, Rectifier circuit, Inverter circuit, Inverter circuit 0.前言

电力电子技术理论是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基 础之上的一门新型学科，随着该技术的不断发展，它已广泛的用于交 通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。本文主要介绍了电力电子技术在电力系统中的运用。

1．电力电子技术的应用

电力电子变流技术共有四大块，即整流电路（AC-DC）、逆变电路（DC-AC）、交流调压电路（AC-AC）、斩波电路（DC-DC）。它们在电力系统的各个环节起着举足轻重的作用尤其是自20 世纪80 年代，柔性交流输电（FACTS）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下介绍四大电路在电力系统中的作用。

1.1 整流电路（AC-DC）

整流电路是电力电子电路中出现在最早的一种，广泛用于电能的 变换电路，其作用是将交流电变换成大小可以调节的直流电，为直流 用电设备供电，如电炉的温度控制、直流电机的转速控制、同步发电机的励磁调节控制、电镀及电解电源控制等。用于大型发电机的静止

励磁控制中，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。用于输电环节，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

随着大功率全控性电力电子期间的诞生和发展，整流电路通过多 相整流方式改变了输出电压的脉动频率，使得输出电压基本实现了无 脉动。通过对控制角的调节和功率因数的补偿环节，使得输出电压最 大可能的提供给负载，减少电能在转换过程中的能量损失。

1.2 逆变电路（DC-AC）

电力系统中的逆变通常指的是无源逆变，即将直流电转换成负载 所需要的不同频率和电压值的交流电，通常称为逆变器。主要用于蓄 电池、干电池、太阳能电池、交流电动机调速、不间断电源、感应加热电源等。其核心部分都是逆变电路。逆变电路经常和变频的概念联系在一起。

1.2.1 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。

1.2.2 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， 但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

1.2.3 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。

1.3 交流调压电路（AC-AC）

交流调压电路是指将一种形式的交流电转换成另一种形式的交流电的电路，可以改变相关的电压、电流、频率和相数等。交流调压电路除了在电力系统的发电环节、输电环节、配电环节中有桌广泛的应用而外，在高压电器中也起着重要的作用。常规电磁式开关在断开负载电路时往往有电弧产生，触头已烧损，开断时间长；在运行过程中有噪声污染环境，机械寿命收到限制等等。由电力电子器件组成的交、直流开关具有无触头、开关速度快、使用寿命长等优点。交流调压电路无需另加环流电路，所以电路简单，调整方便。但其含有较严重的谐波分量，不过对于加热炉、电光源、小容量电动机等惯性较大

的负载，谐波对工作的影响较小。异步电动机的软起动装置也属于交流调压电路的一种应用，应当注意的是，软起动装置不仅在电动机起动或制动时可以起电压调节作用，在电动机运行中也可以适当调节加于电动机上的电压，使电动机上实际工作电压得到优化和保持。

1.4 斩波电路（DC-DC）

斩波电路是将一种形式的直流电转换成另一种形式直流电的电路，被广泛应用于开关电源级直流电动机的驱动中。如不间断电源、无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机动车辆的无级变速及电动汽车的控制。它能使上述被控对象获得加速平稳、快速相应的性能，并同时收到节约电能的效果。如图

由于变换去输入是电网电压经不可控整流而来的直流电压，所以直流斩波不仅能起到调压的作用，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流的作用

2.电力电子技术在电力系统中的应用

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。传统的发电方式是火力发电、水利发电以及后来兴起的核能发电。能源危机后各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电、风力

发电的发展较快，燃料电池更是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电能质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能的质量，这就血药电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。

为了合理地利用水利资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，他需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。

核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。

电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术。直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。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。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

直流输电在长距离、大容量时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年来发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。

无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要意义。晶闸管控制电抗器

（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电系统，电力电子装置还可以用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量的控制，改善供电质量。

在变电所，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。

随着科学技术的进一步发展和人民生活水平的不断提高，电力电子技术已经走进了我们的生活，在家用电器的节能方面，电力电子技术有着不可取代的作用。

3．结束语

文中概述性地介绍电力电子技术的四大变换电路及其特点，并介绍了电力电子技术在电力系统中的各类应用，重点在发电环节中、输电环节中、配电环节、配电环节中的运用

【参考文献】

［1］王兆安.电力电子技术．第四版[M].北京：机械工业出版社，2008，11． ［2］黄家善.电力电子技术．第二版[M].北京：机械工业出版社，2009，2． ［3］李梅兰.电力系统分析．第三版[M].北京：中国电力出版社，2005，8．

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