电力电子技术的主要应用领域

电力电子技术的主要应用领域陈旻忞电气1321（苏州科技学院天平学院江苏苏州215009）摘要：电力电子技术在我国各行业现代化技术改造中可以发挥重大作用。随着科技技术的不断发展和人们要求的不断提高，电工电子技术的应用越来越广泛。本文主要从一般工业、电力系统、电气节能、新能源这几个领域对电力电子技术的应用进行分析。关键词：电力电子；电机传动；电力系统；新能源；发电；节能引言电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。最早成功的是高压直流输电，1986年美国电力科学研究院提出了灵活交流输电的概念，相应出现了统一潮流控制器等多种设备。电力电子设备和系统逐步投入运行，大幅度提高了电力系统的稳定水平，产生巨大效益。在节能方面，通过变频器、节能灯、无功补偿装置、开关电源、逆变焊机等，产生了比较明显的节能效果。在一般工业中，电力电子主要用于电机调速传动和电源。在全球气候变化和世界石油、煤炭等化石能源日益紧缺的今天，低耗高效和寻找开发新能源是根本出路。电力电子是解决能源问题的关键技术，它对新能源的开发、转化、输送、储存和利用等各方面发挥着重要的作用。随着再生能源技术的发展，“分布式发电系统”将得到更大的发展空间。1一般工业电力电子技术在一般工业上的应用繁多复杂，主要应用于电机调速传动和电源，也包含了在输电环节的应用。本文在一般工业方面对电机调速传动和电源做主要阐述。关于输电环节的应用，则归于下一节电力系统中做详细阐述。1.1电机调速传动在一般工业中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置。在20世纪90年达中期以前，大多数调速系统都由采用晶闸管和双向晶闸管的变换器供电，最典型的是晶闸管——直流电机调速系统。在20世纪90年代中期以来，大功率IGBT的应用，以及IGBT逆变技术的成熟和发展，迅速在相关功率等级的应用领域取代了晶闸管和双向进闸管[1]。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，交流电机的调速性能也直追直流电机，交流调速技术大量应用并占据主导地位。1.2电源随着工业设备的大容量化和高性能化,对电源质量有了更高的要求。电源质量改善装置对此将起到重要的作用。在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率半导体器件开通和关断的时间见、比率，维持稳定输出电压的一种电源。与线性稳压电源相比，开关电源体积小、效率高、重量轻，在各种电子设备中得到广泛运用。高频、高可靠、低耗、低噪音、抗干扰和模块化是开关电源的发展趋势[2]。2电力系统2.1在发电环节中的应用2.1.1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[3]。2.1.2水力、风力发电机的变速恒频励磁变速恒频发电十分适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风里发电方面，变速恒频体现出显著的优越性和广阔的应用前景[4]。变速恒频发电风力发电系统有多种形式：交-直-交风力发电系统、磁场调制发电系统、交流励磁双馈异步发电系统、无刷双馈型发电机系统、爪极是发电机系统和开关磁阻发电机系统。2.2在输电环节中的应用2.2.1高压直流输电和轻型高压直流输电[5]高压直流输电是电力电子技术应用中最为重要、最为传统，也是发展最为活跃同时也较为成熟的技术。高压直流输电是将三相交流电通过换流站变成直流电，然后通过直流电输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点。2.2.2灵活交流输电柔性交流输电技术（FACTS）又称为灵活交流输电技术，它是美国电力专家N.G.Hingorani于1986年提出来的新技术，它曾将FACTS定义为除了直流输电之外所有将电力电子技术用于输电的实际应用技术。该新技术是现代电力电子技术与电力系统相结合的产物，它用可靠性很高的大功率可控硅元件代替传统元件中的机械式高压开关，在输电系统的主要部位，采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电系统的主要参数进行灵活快速的适时控制，以期实现输送功率合理分配，降低功率耗损和发电成本。此项技术是实现电力系统安全经济、综合控制的重要手段[6]。2.3在配电系统中的应用在配电系统中的应用，如动态无功发射器、电力有源滤波器等，以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，又要抑制各种瞬态的波动和干扰。电子电工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。3电气节能3.1变频器全世界的用电量中有60%左右是通过电动机来消耗的。[7]因此变频器在提高电动机电能利用率上有很大作用。它主要用于交流电动机的变频调速，它的电源主电路采用AC-DC-AC方案，它利用电力电子技术，通过改变频率，提高能源利用效率，消除有害的高次谐波和电压波动，达到节能目的，输出高质量的电能。3.2绿色照明节能3.2.1电光源[1]采用高效节能的光源代替传统白炽灯，如：直管荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、卤化物灯、金卤灯、光纤照明。这些高效节能的光源一般都具有寿命长、光色好、光效高等优点，能够节约大部分照明费用，提高光能的利用效率，广泛应用于各行各业，前途不可限量。3.2.2电子镇流器[1]电子镇流器实际上是一个电子变频器加上一个高频电感镇流器。其能够在几十千赫频率下消除了气体放电灯的闪烁和音频噪音。采用电子镇流器后，高频电感比工频电感重量减轻几十倍，节省材料80%左右，灯管的实际工作寿命延长3~5倍，同时提供更好的可靠性，损耗更低，亮度更高。由于电子镇流器体积小、反应快，它可以在照相机闪光灯和汽车灯等应用领域。3.3无功功率补偿节能随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展。所谓无功功率补偿就是在用电电网中采用集中和分散的办法，给电网补偿无功功率，以免它在电气元件（变压器、线路）中环流产生损耗和占用其容量，以达到降低电流，提高功率因数的效果，从而达到节能降耗的目的。无功功率补偿不仅节省投资、节省电力、节省燃煤及污染[8]，同时还可以提高电力系统设备的供电能力，改善电压质量，减少用户电费开支，延缓用户的增容改造。低压电网中一般有随机补偿、随器补偿、跟踪补偿这三种方式。其中随机补偿在用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停止运补偿装置也退出，不需要频繁调整补偿容量且投资少，配置灵活，维修简单。跟踪补偿是以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。3.4逆变焊机的节能逆变与整流是两个相反的概念，整流是把交流电变换为直流电，而逆变则是把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机。逆变焊机和传统晶闸管焊机相比,在节能、环保方面具有较大优势。逆变焊机高效节能、省材、轻巧，而且动态特性和控制调节特性好、制造过程占地少、加工量少。3.5开关电源的节能开关电源被誉为高效节能的电源。与线性稳压电源相比，开关电源体积小、效率高、重量轻，在各种电子设备中得到广泛运用。开关电源正朝着单片集成化的方向发展，开关电源的保护电路日趋完善，其电磁兼容性设计也取得突破性进展[9]。4新能源4.1在风电中应用在风力系统中，MW级双反馈式风电机组变流器、MW级直驱式风电机组变流器、风力发电机组变桨控制系统等都体现了电力电子技术的应用。其采用电力电子变换器装置实现变速恒频双风力发电系统，为风力发电机提供无功控制，利用静止无功补偿装置（SVC）支持交流风电输电的无功补偿，在电源换流器（VSC）的基础上实现风电直流输电。电力电子技术的控制实现风力电能的储存和送变。而风电既可以减少能源污染，又可以缓解能源短缺的问题。4.2太阳能发电[10]太阳能作为清洁的可再生能源，受到人们越来越多的重视，应用领域也越来越广泛。目前在太阳能的利用中，主要采用太阳能光电技术、太阳能光热技术和太阳能光伏发电技术。4.2.1太阳能光电技术太阳能电池将白天的太阳能转化为电能由蓄电池储存上在放电控制器的控制下释放出来，供室内照明。目前占主流的太阳能电池是硅太阳电池，它又分单晶硅电池和多晶硅电池和非晶硅太阳电池。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。4.2.2太阳能热发电技术太阳能热发电技术利用光学系统聚集太阳辐射能，用以加工热工质，生产高温蒸汽。与光伏发电相比，其效率高、结构紧凑、运行成本低。在蔬菜温室大棚和太阳能热水器等方面运用比较广泛。4.2.3太阳能光伏发电太阳能光伏变频器把太阳能底单池板获得的原始低电压直流电变为所需要的交流电，或直接供负载使用，或将电能馈入市电。太阳能电池板获得的电压大小和功率与许多因素有关，所以要对光伏发电的中间直流电压进行可调升压变换处理。光伏发电有广大的市场发展潜力[1]。结语电力电子技术的应用十分广泛。通过本文得出，电力电子技术可以达到高效节能的目的，实用性十分高，应用范围广阔。电力电子技术的供电电源、电机调速、电力配电获得了相当广泛的作用，使得经济迅速发展。在开发新能源中，提高了新能源的利用效率和电力变换质量、降低新能源成本，使清洁可再生的能源逐步取代传统能源，改善地球环境。现代社会和工作的各行各业都有电力电子技术的应用，已成为现代生活不能缺少的部分，这也促使了电力电子技术更好、更深入的发展。参考文献：[1]范瑜.电气工程概论.北京：高等教育出版社，2013-12,138~142.[2]王予倩.电力电子技术的发展及其在开关电源中的应用[J].四川电力技术，2005,5.[3]徐政，卢强.电子电力技术在电力系统中的应用[J].电工技术学报，2004,19（8）:23~24，5:45~46.[4]刘其辉，贺益康，卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制[J].中国电机工程学报，2004,24（3）:6~11.[5]韩民晓，文俊，徐永海.高压直流输电原理.北京：机械工业出版社,2009-1:1~6.[6]王树文，纪延超，马文川.灵活交流输电技术[J].电力系统及其自动化学报，2007,19（3）：113~114.[7]王学礼.现代电力电子技术的应用与展望[J].电气时代，2003,8:39~40[8]刘黎明，刘涤尘，史进.智能式动态无功补偿装置的研究[J].电力情报，1998,22（3）：45~89.[9]沙占友，王彦明，葛家怡，赵立志.开关电源的新技术及其应用[J].电力电子技术，2003,37（3）:69~70[10]张婧，张松枝.电力电子技术在新能源中的应用[J].时代报告，2012,6：36~36.