电力电子技术在电力系统中的应用

电力电子技术在电力系统中的应用

秦鹏辉

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摘要：随着电力系统的互联互通和网络规模的日益增大，电力系统的信息化已成为电力系统发展的必然趋势。由于近几年国家大力提倡的智能电网建设与发展，智能电网要想实现可持续发展，必须要实现高效、经济、稳定、节约能源、绿色不污染、环境友好为目标。在这样的背景下，各类新能源电网逐渐产生，但这些新能源发电厂往往具有以下特点：发电容量小、分布范围广、不集中、供电电压和频率随气候变化而变化，如何有效地解决新能源与电力系统之间的连接，成为当今电力系统的一个重要问题。

关键词：电力电子技术；电力系统；应用

1电力电子技术及其特点

为确保整个电力网络系统的安全性和稳定性，相关操作人员通常会利用电力电子技术来对其做出优化和完善，这种针对各类零部件开展的控制体系能够有效的降低整个系统运营中现存的各种障碍。将整个电力电子技术分为制造技术和交流技术两个部分，这两个技术环节相互发挥作用共同推进整个体系的完善。在开展后期应用时，通常操作人员都会利用对电网的管理来实现降低故障现象的存在，还会在此基础上提高对各种计算机网络系统的使用度，利用较为合理的方式来计划划出未来的实际应用方式。而对于当前电力电子技术而言，不仅可以具有较高的智能化和自动化体系，还能够在长时间内保持高效运转的特征，有利于后期管理人员对其进行操作和管控，确保各类软件之间相互独立，却又共同发挥作用，从而能够真正推动整个电力设备效率的提高。

2基于电力电子技术的电力系统框架结构设计

为确保电力系统在引入新能源后能够保持稳定 的运行状态，引入电力电子技术，设计如图1所示 的电力系统框架结构。 在电力系统当中，除了包含常规电力设备以 外，引入了电力电子变压器、控制器以及变换器。 在系统运行过程中，在一次侧，工频母线的高压由 功率电子转换器转换为高频方波，也就是一次侧增 加电压的频率，起到升频的效果。饱和磁通量 越大变压器的体积也越大。同时，由于铁芯材料的饱和磁通量与其工作频率呈反比关系，因此，一次侧功率电子变换器的增频可以增加磁芯的使用效率，减小变压器的容量，节约变压器占用空间。利用高频隔离变压器，将其转换成次级端。二次侧功率电子器件将经变电压的高频方波变换成工频信号、低压的AC电源。在完成常规变压器基本功能的同时，还可以对电压和电流的幅度变换，并可以控制频率的波形。

图1 基于电力电子技术的电力系统框架结构

3电力电子变压器选型

通过上述基于电力电子技术的电力系统框架结构设计，明确了电力电子技术在电力系统中的重要性，为进一步提高系统运行性能，合理选择电力电子变压器类型。选择GNY64-4560型号PET电力电子变压器，该型号变压器的运行功率为600W；输出为25kVAC；输入为100VAC/50Hz；初次级耐压为10～200kVDC；输出电压为10kV；输入电压为220V/50Hz。

4电力系统交流侧滤波设计

在电力系统运行电路中，每一相各有一个相位依次相差相同数值的载波信号，通常情况下相差数值为(2/3)p，则输出线电压的基波分量如式（1）。

式中，uab表示ab段输出线电压基波分量；m表示调制深度；Ud表示直流电压；w表示调制波频率；t表示调制时间；f表示相角。在上述公式基础上，电力电子变压器的输入和输出及均采用电压元换流器作为变流方式，并结合脉宽调制技术。换流器可以在一定程度上过滤AC侧的电压，但是从三相桥SPWM电路的谐波分析可以看出，电压源型换流器的AC电压中总会出现高次谐波，而在没有滤波装置的情况下，其输出AC电压中的谐波失真率始终达不到标准要求。针对这一问题，为了消除载波比附近幅值较大的谐波，确保电力系统具备良好的电能质量，以此满足电网运行负荷要求，对电力系统交流侧滤波处理。将无源滤波器应用到电力系统当中，利用其实现对谐波的组态的呈现，以此通过对地组态的去除实现滤波效果。在电力系统获取到谐波基本信息后，再输出一个与此谐波振幅相同但方向完全相反的谐波，以此通过抵消的方式去除谐波，提高电能质量。

5系统微电网孤岛运行设计

针对电力系统中微电网孤岛运行，为了保证电网具有持续不间断的供电能力，改善电网的可靠性和安全性，利用电力电子技术抑制频率变动。根据不同发电类型，建立相应的电能转换数学模型如式（2）所示。

式中，P表示电能转换数学模型；r表示空气密度；R表示风力机叶片半径；v表示风速；C(l,b)表示风力发电的电能利用系数。在上述公式基础上，进一步得出风机的机械转矩，根据这一参数，在电力系统运行过程中，对变频器控制。针对上述得到的数据处理，包括滤波、变换以及完成对信号的测量，用输出衡量电力系统的工作状态，根据状态数值对电力系统网侧电流控制，以此确保在微电网孤岛运行中电力系统也能够保持稳定的运行状态。

6对比实验

通过本文上述论述，在引入电力电子技术的基础上，提出了一种全新的电力系统，为验证新的电力系统应用可行性以及与现有基于AW-BLS的电力系统和基于EMD电力系统相比具备的优势，开展下述对比实验研究。将三种电力系统应用到相同的实验运行环境当中，设置的运行环境中各项数据均为某电力企业所提供的运行数据。同时，为确保实验客观，将三种电力系统应用到相同的操作系统上。操作系统选用Win 11纯净版，64位2GB内存，1GHz处理器的操作系统。在此基础上，按照以下参数完成对三种电力系统运行参数的设置。（1）三相交流线电压有效值10kV，（2）频率50Hz，（3）交流滤波电感10mH，（4）直流电容5 600μF，（5）调制比0.816，（6）开关频率4 650Hz，（7）输出直流电压20kV。在完成上述设置后，模拟新能源并网，并对并网后三种电力系统的运行稳定性对比分析。选择将电力系统运行时的一次侧电流变化作为评价电力系统运行稳定性的量化指标。在规定运行时间内，若一次侧电流峰谷数值始终保持一致或相差不超过±0.5A，则认为电力系统处于稳定性较高的运行状态；反之，若一次侧电流峰谷数值未保持一致，且相差超过±1.0A，则认为电力系统运行不稳定。

7结语

通过实验的方式实现了对该系统与现有电力系统运行效果的检验，证明在电力电子技术应用后电力系统的稳定性得到极大提升，并能够为未来新能源并网提供有利条件，促进电力系统与新能源的融合。

参考文献

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