电力电子技术在电力系统中的应用

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浅谈电力电子技术在电力系统中的应用

【摘 要】近年来，随着科学文化的发展和世界文明的进步，新兴科技不断地涌现，尤其以计算机为主的第三次科技革命彻底的颠覆了传统行业的发展模式，而且近年来不断地发展和进步。其中以电力电子技术的发展为例，其新材料、新结构器件不断的涌现，在电力系统中的应用取得了令人瞩目的成绩，本文就对其具体应用现状进行分析。 ·【关键词】电力电子技术；电力系统；直流输电；应用；发展 ·1.电力电子技术的应用与发展

·从上世纪xx年代起，柔性交流输电的概念已经相当的普及，促进了电力电子技术在电力系统中的应用和发展，不同的设备相继出现，对其研究也在逐渐的增多，本文将针对电力系统的发电环节、输电部分以及配电进行详细的分析阐述，对我国电力电子技术的应用现状进行探讨。

·1.1 电力电子技术在发电环节中的应用

·对于整个电力系统的运行来说，发电环节对于整个电力系统的发展都是至关重要的，其余发电组的多种设备直接相关，而电力电子技术的加入，主要是为了提高运行设备的性能，加强运行的良好效果。 ·1.1.1 静止励磁控制与大型发电机的运转

·在通常情况下，静止励磁都会采用晶闸管整流自并励的方式，其结构简单，但非常可靠，而且造价低，因此，其应用性最广，在世界各大电力系统中均可看见其身影。期最大的优势是省去了励磁机这一中间的惯性环节，实现了高效、高速的调节，为实现控制规律的发展提

供了充足的空间，也为控制效果质量的提升提供了保障。 ·1.1.2 变速恒频励磁在水力、风力发电机中的应用

·水头的压力和流量决定水力发电机的有效功率，如果水头的变化幅度超过一定的值，将导致机组的转速发生转变。根据实践总结，风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风能的转速根据风速的变化而变化。因此，为了达到功率最大化，可以调节机组运行速度，也可以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。

·1.1.3 发电厂风机水泵的变频调速

·目前，我国发电厂的平均功率在一般情况下是8%，风机水泵的耗电量较大，占电力系统全部设备的65%的耗电量，同时其运行效率较低。对此可以采取低压或者高压的变频器，对风机水泵实施变频调速，达到节能的目的。从发展的角度来看，我国的低压变频器技术较为成熟，但是完整的系列生产厂家不多，目前我国众多的相关院校与企业正在积极的进行研发和制作。

·1.2 电力电子技术在输电环节的应用

·电力电子技术设备在高压输电系统中的应用被称为“硅片引起的第二次革命”，其为整个电力系统的运行稳定性的提升具有重要的意义。 ·1.2.1 直流输电（hvdc）和轻型直流输电（hvdc?light）技术 ·相对于交流输电，直流输电的电容量更大，但是其更加稳定，实现灵活的控制，但是一旦采用远距离的输电或者是特殊环境中的输电以及不同频率系统的联网输电，其优势显现无疑。在19xx年出现的第

一项晶闸管是电力电子技术在直流输电中的第一次运用，自此开创了电力电子技术在直流输电中应用的历史。

·1.2.2 柔性交流输电（facts）技术

·柔性交流输电技术出现在上世纪xx年代后期，其原理是基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，该技术的最大特点是实现了交流输电公路潮流的灵活控制，提高了电力系统运行的稳定性。

·从上世纪xx年代开始，国内外对电力电子技术在电力系统中的应用都赋予了高度的重视，柔性交流输电技术使其输出的功率没有区别，机械设备的结构简单，便于操作，降低成本，这也是实现其迅速推广的最大优势。

·1.3 电力电子技术在配电环节中的应用

·配电系统是电力系统的重要组成部分，其近年来为电力系统的发展做出了不可磨灭的贡献，从其存在的问题分析，我们可以发现，其最大的问题在于无法保障供电的可靠性，能量损耗较大，严重影响整个系统的运行。要想实现控制电能质量的目的，必须同时满足电压、谐波和频率的要求，同时更加要注意对各种瞬态的波动和干扰的抑制。从电力电子技术和现代控制技术的应用，整个配电网系统都发生了翻天覆地的变化，实现了电能的控制，降低了电能的损耗。从市场的角度来看，潜在需求巨大，具有广阔的市场前景，走进市场相对较为容易，同时其投入与开发生产成本都较低，保障了其延续性，随着电力电子器件的价格不断降低，我们有理由相信新型的电力电子技术必将

走进发展的高速期。

·1.4 电力电子技术在节能环节的应用

·1.4.1 变负荷电动机调速运行

·节电成为近年来电力系统发展的主体，作为节电的两个方面，电动机节电以及变负荷电动机的调速技术节电必须互相作用，互相辅助才能实现节电的目的。从技术的发展角度来看，我国的电动机节能功能发展良好。从当前的发展形势来看，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中都已经具有一定的普及性。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。

·1.4.2 减少无功损耗，提高功率因数

·我们将电气设备进行分类，将变压器与交流异步电动机分为感性负载，其运行会损失一部分功率，同时也会消耗掉部分无功功率。由此我们可以发现，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的重要组成部分，保持无功平衡时电力系统运行的重要保障，否则，将会导致整个系统出现故障，电压降低，设备破坏，功率因数也会减少。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

·综上所述，我们队电力电子技术在电力系统中的应有有了一个较全面的了解，其重点主要在发电、输电、配电、节能环节中的应用和发

展，从多个角度分析了其具体的意义，随着科学技术的发展，其必将更快更好地促进电力系统的发展。

第二篇：电力电子技术在风力发电中的应用

电力电子技术在风力发电中的应用 摘 要：风力发电是低碳新能源中最具开发条件，商业化发展前景和潜力最大的的发电方式之一。随着风力发电技术的发展和应用推广，对风力发电的效率和电能质量的要求越来越高，而应用电力电子技术和控制技术是有效的实现手段，本文总结了在风力发电中应用较多的几种电力电子器件及控制技术，分析了各种方法的特点、功用和发展。 关键词：电力电子技术 风力发电 低碳能源 控制技术

风能是洁净的，可再生的，储量很大的低碳能源，为了缓解能源危机和供电压力，改善生存环境，在20世纪xx年代中叶以后受到重视和开发利用。风力发电有很多独特的优点：施工周期短，投资灵活，实际占地少，对土地要求低等，但仍在并网、输电、风机控制等方面存在问题，阻碍了风力发电的广泛应用。因此，要大规模的应用先进的电力电子技术到风力发电当中，有效的解决现有问题，使得风力发电成为电力行业的生力军。本文将从不同角度展现电力电子技术在风力发电中的应用。

一、电力电子器件

电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展，而先进的电力电子器件为其在风力发电中的应用奠定了坚实的基础。

1．IGBT

在二十多年的发展历程中，除了保持 IGBT 基本结构、基本原理的特点不变之外， 它经历了六代有各自特色的演变。迄今为止 IGBT 仍是风力发电工程中使用的最广泛的功率器件,在风力发电中，因为风速经常变化，IGBT 模块在很短的时间内温度波动起伏大，会导致芯片和铜底片之间以及铜底片和基板之间的焊接部分承受大量的周期性的热-机械应力，所以提高模块应力十分重要。此外，在风力发电机舱中空间的节省不是一个小问题，提高模块功率密度也不容忽视。IGBT的电压源换流器具有关断电流的能力，可以应用脉宽调制技术(PWM)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[1]。

科学家针对风力系统特点专门设计了一种采用由IGBT组成的“H”型 SPWM 逆变器，通过控制“H”型逆变器中IGBT的开关波形，可以控制输出电流；通过控制SPWM 的起始角θ， 可以使逆变器以功率因数为1的方式向电网输送能源，并使谐波因数、畸变因数达到设计要求[2]。

2．交直交变频器

在变速恒频风力发电系统中，需要变频装置来完成由发电机到电网的能量传递。交直交变频器有效地克服了交交变频器的输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量多等缺点，易于控制策略的实现和双向变流，特别适合变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统。此外，海上风电场采用电力电子变频器能够实现有功和无功的控制，使风电机组运行在变速状态以捕获最大的风能同时降低机械应力和噪音。

3．矩阵变换器

矩阵变换器是一种交交直接变频器， 没有中间直流环节，功率电路简单，可输出幅值、频率均可控的电压，谐波含量较小。应用于风力发电中的矩阵式变换器，通过调节其输出 频率、电压、电流和相位，以实现变速恒频控制、最大风能捕获控制、以及有功功率和无功功率的解耦控制等，目前矩阵式变换器的控制多采用空间矢量变换控制方法[3]。

二、储能技术

因风能是不可直接储存的能源，对于离网型风力发电系统，为了保证供电的稳定可靠，可在多风期间将风能储存起来，以供其他装置使用。即使在风能资源丰富的地区，若以风力发电作为获得电能的主要方式，也必须配有适当的储能系统。再者，在风力和其他能源联合

供电时，也需要储能技术的介入。

1．蓄电池

风力发电机在与其它发电装置互补运行或独立运行时通常使用蓄电池进行储能。 在风力－柴油发电系统联合运行中，采用配备蓄电池短时储能的措施，可避免由于风力及负荷的变化而造成的柴油机的频繁起动与停机。此外，蓄电池还可以减少柴油机的轻载运行，使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。同样的，在风光互补发电中，也使用蓄电池作为主要的储能方式。鉴于蓄电池成本考虑，在风力发电系统中，多采用铅酸蓄电池或碱性蓄电池作为储存电能的装置。

2．超导储能器(SMES)

开发超导线圈储能的可行性，美国在20世纪xx年代就开始研究了。超导线圈可在超导温度下流过极高电流密度的大电流而不消耗电能，是储存电能的最佳选择之一。利用超导储能可以吸收或发出有功和无功功率，响应快，容量大，大大减少了电路的损耗。

使用超导储能技术使风力发电机组输出电压和频率稳定，从而使电网稳定。文献[7]在详细介绍了超导储能SMES的调节原理及其最优控制方法的基础上，提出在并网型风力发电系统中，建立了SMES 模型，同时用基因算法对 SMES 的控制参数进行寻优，仿真结果表明，SMES 单元用于并网形风力发电系统可实现对电压和频率的同时控制，提高了输出稳定性。

3．不间断电源(UPS)

不间断电源(UPS)是指当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。 现代UPS普遍采用脉宽调制技术和IGBT、功率 M0SFET 等现代电力电子器件，效率和可靠性得以提高。并引入微处理器软硬件技术，实现了智能化管理，可进行远程维护和远程诊断。风能的随机性较大，发电的稳定性也受到限制，对较偏远地区或者单独运行的风电场来说，不间断电源的使用很有必要。

三、输电技术

风力发电场的建立选取风力资源丰富的地区，一般都远离城镇，线路的输送能力也成为风力发电的重要考虑因素。 现在主要采用的是交流输电方式，但存在很多缺点，HVDC已经开始进入风电输电领域。高压直流输电是应用换流技术将交流电转换为直流电输送到落点处再逆变为交流的一种输电技术。它的优点是：可以用来实现异步联网，线路造价和运行费用较低，一般不需要增加额外装置，更易于实现地下或海底电缆输电等。新一代 HVDC 技术采用 GTO、IGBT 等可关断器件，以及脉宽调制(PWM)等技术，它的采用进一步改善了性能、大幅度地简化了设备、减少了换流站的占地、而且降低了造价，使直流输电更有竞争力。目前，全世界HVDC 工程已达60多个, 总设备容量超过40GW。

轻型直流输电HVDC Light，以电压型换流器(VSC) 和绝缘栅极双极晶体管( IGBT) 为基础，可在无源逆变方式下运行，更方便连接各种分散式电源。对于海上风电场的长距离功率输送来说，HVDC Light是一种较好的选择，它允许海上风电场的交流网络与电网不保持同步运行，一旦网络发生故障,可以迅速恢复到故障前的输电能力。瑞典已经建成了第1 个实验性HVDC Light 工程-赫尔斯扬(Hellsjon) 试验工程，在丹麦，HVDC light 也已被应用到大型海上风电场的输电工程中。

灵活交流输电系统(FACTS)在电力系统中广泛采用，但在风力发电领域还没有得到足够的重视。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， 以实现对电力系统参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续快速调节控制，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。 自19xx年美国专家N·G·Hingorani提出了FACTS（Flexible AC Transmission System）这个完整的概念以来，FACTS的发展越来越受到全世界的重视[10]。

四、滤波与补偿

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特征会影响电网的电能质量，而且风力发电机组处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱，有可能给配电网带来谐波污染、电源波动以及闪变等问题，所以无功补偿和谐波抑制对风力发电系统有重要的意义。主要是以下两种：

1．静止无功补偿器(SVC)

静止无功补偿器(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。近来，静止无功补偿器(SVC)被风力发电场并网普遍采用，迅速跟踪负荷变化，对无功进行补偿，在一定程度上稳定了由风速引起的波动电压，提高电能质量。 在风电机侧安装SVC可以实现动态电压控制和增加阻尼； 而在电网侧安装SVC可以提供无功支持并且减小振荡。

2．有源电力滤波器(APF)

APF 的基本工作原理是采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论控制，检测补偿对象的电流和电压，利用电力控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流，从而保证系统最终得到期望的电源电流。和普通SVC相比，响应时间更快，对电压波动，闪变补偿率更高，控制功能更强，同时也能更有效地虑除高次谐波，补偿功率因数。

五、控制技术

风能是一类清洁无污染的可再生能源，是目前最具大规模开发利用前景的能源。但由于风能本身存在随机性、间歇性的特点,发电质量受风速、风向变化和外界干扰的影响很大，而且，风力发电机组通常设在风能丰富的地区，如边远地区，海岛甚至海上, 要求能够无人值班运行和远程监控，这对发电机组的控制系统可靠性要求很高。所以，控制技术是风力发电的最关键技术之一。

1．最优控制

最优控制是寻求使得动态系统的性能指标达到最优的控制，是现代控制理论的一个重要组成部分。风力发电系统所应用的控制方法中，最优控制技术应用最早，相对比较成熟。但由于风力发电系统的本质非线性，自然风风速和风向的随机性以及风机的尾流效应，不确定因素很多，而最优控制的实现必须有一个精确数学模型为控制器设计基础，这对风力发电系统未免要求过高，将最优控制策略与其它控制方法，如与模糊逻辑控制、 鲁棒控制方法结合起来的混合控制技术，可有效解决风力发电系统的各类关键控制问题：提高风能转换效率、改善电能品质、减小柔性风电系统传动链上的疲劳负载等。

2．滑模控制

滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。滑模控制具有快速响应、对系统参数变化及扰动不敏感、无需系统在线辨识、设计简单和易于实现等优良特性。采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上，减少其牵引过程，可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性。此外，将滑动模控制应用于风电机组的并网控制器中，可实现低速下的可靠发电控制。当风中的有效功率较低时，风力机工作于正常与失速两种模态。滑动模控制存在切换抖动，会对风力机械设备造成冲击。以力矩为控制信号，采用积分型滑动模控制律，能有效地解决滑动模的切换抖动。

3．自适应控制

自适应控制的目标是自动补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化。自适应控制系统需要不断进行系统结构，和参数的辨识或系统性能的指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况，按一定的规律确定当前的控制策略，在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。自适应控制器用以改善风力发电机组在较大运行范围中功率系数的衰减特性。

在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器中的增益是可调节的。超前自适应控制方法控制风力发电机转子电压和齿轮箱的静态增益，在负载与风速变化时,控制方法具有可靠快速响应和有限的最大跟踪误差。非线性自适应控制理论对风机实行变速控制，在不增加风能系统机械复杂性的条件下，自动调整发电机励磁绕组电压，此控制方法可在获得平稳渐进的转子速度跟踪的基础上达到最大风能捕获的目的。文献[8]提出了一种应用于变速风力涡轮控制系统中的自适应控制策略。由于涡轮转矩是时变非定常的，自适应控制律用来提供涡轮转矩的估计值。同时，还设计了一种自适应反馈线性化控制器，以保证整个风力涡轮控制系统线性化。仿真结果表明，无论风力状况如何变化,该控制器都能确保获得最大风能，控制方法行之有效。

除了以上三种控制方法外，还有很多的控制方法在不断的应用到风力发电中，但是每种控制方式都有一定的缺点。采用两种或多种先进控制方法的混合控制,如模糊自适应控制、自适应鲁棒控制、PID 神经网络控制等，将是今后风电系统的控制研究方向。

六、结论

开发风力资源，电力电子器件的应用和先进的控制技术是关键。将最新的电力电子技术、控制技术应用于风力发电系统中，提高风力发电的效率和电力变换质量、降低风电的成本，使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，提高人们的生活水平，具有重大的经济效益和社会价值。

参考文献 ：

[1] 电力电子技术在风力发电中的应用综述，王琦，陈小虎，吴正伟，南京师范大学学报(工程技术版) 第5卷第4期，20xx.12，8-10。

[2] 风力发电系统中逆变器的研究，宋平岗，赵莉，电力电子技术，19xx年第2期，1999.4，18-19。

[3] 可再生能源中的控制与电力电子技术，吴 捷，杨金明，杨俊华。

[4] 独立运行风力发电系统功率控制器的研究与设计，赵强,应用电源技术 20xx年第1期（总第97期）36-40。

[5] 基于MUC 的独立运行风力发电系统研究，高平1，汪泰宇1，王辉2,陕西电力，第34卷第2期，20xx.9。

[6] 超导储能改善并网风电场稳定性的研究，吴俊玲等20xx，23（03）；59-61。

[7] 超导储能单元在并网型风力发电系统的应用，陈星莺，刘孟觉，单渊达，第 21 卷第 12 期 63-66，20xx年x月，中国电机工程学报。

[8] 自适应控制在变速风力发电系统中的应用，钱 坤，谢寿生，高梅艳，控制工程，20xx年x月，第11卷第1期，76-78。