电力电子应用文献电力系统中电力电子技术的应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

电力系统中电力电子技术的应用

摘要： 电力电子技术把现代化控制技术、计算机技术以及电路技术、功率半导体技术作为技术支撑，伴随各个技术的发展和不断成熟，也提升电机技术的应用价值，使其被广泛应用在民用产品以及电能质量管控和新能源开发等领域。本文分析电力电子技术在电力系统应用相关内容，如电力电子技术在节能环节的应用、输电和配电环节应用等，力求通过全面的分析，为电力企业以及从业人员提供实践参考，确保更加高校和灵活应用电力电子技术，利用技术带动行业发展。

关键词： 电力系统；电力电子技术；应用；举措

前言： 电力电子技术作为电工新技术典型，技术把电力和电子技术（电子技术中强电和弱电技术有效结合）融合，提升技术应用价值，使其被广泛应用与社会发展和生产作业中。电力系统中应用电力电子技术，可减少无功功率的损耗，提高功率的因素，以免系统电压降低，对设备带来破坏，确保各个设备应用性能，提高设备的功率因素。此外，电力电子技术在电力系统中应用，改善各个发电机组和设备的应用特性，提升交流输电系统的传输能力，有利于对输电系统进行良好管控。

1.电力电子技术在电力发电环节的应用

电力电子技术在电力发电环节的应用，可以改善发电机组中各个设备的应用性能，提高其应用性。首先，在发电环节，可以应用静止励磁控制技术来管控大型发电机设备，该技术应用晶闸管整流自并力的方式，其结构简单，具备较好的可靠性，经济支出合理。电力发电环节，应用该技术和实现快速的调节目标，依据系统运行规律进行控制，强化控制效果。

发电厂风机水泵设备变频调速，可以应用低压或者高压变频技术进行控制，可良好对风机水泵的运行速度以及频率进行控制，实现技能的目的。因为，在发电中用电量较多，平均用电率可达到8%，而风机水泵设备耗电量估占据整个总设备耗电量的百分之六十，因此，必须重视风机水泵设备变频调速，控制能耗。

2.电力电子技术在电力输电环节的应用

电力输电环节中，常应用电力电子技术包括，柔性交流输电技术、高压直流输电技术。其中柔性交流输电技术应用可调整电网以及交流输电的运行性能，应用FACTS控制设备以及SWC静止无功补偿设备、应用静止调相机以及静止快速励磁器等设备，控制输电环节的能源损耗。

高压直流输电技术近几年得到进一步发展，技术应用IGBT等各个可关断的电子器件所构成的换流设备，也应用了脉宽调制等技术，实现无源逆变的同时，也解决掉直流输电向无交流电源系统复合碘送电等问题。此外，高压直流输电技术的设备简单，造价较为合理[2]。

3.电力电子技术在配电环节的应用

电力电子技术在配电环节的应用，可以有效解决目前配电网系统供电可靠性以及提高电能质量等问题。确保电能质量的控制可以满足不对称度、谐波以及频率和电压等要求，也要进一步抑制各类瞬态波动与干扰。

目前配电系统中所应用的电力电子技术为现代化控制技术，也就是用户电力技术（CsutomPower技术），也应用到FACTS技术，通过强化交流输电系统的管控，提高电力系统的传输能力等举措，确保供电的可靠性也确保供电的质量。

当下较为典型用户电力技术产品包括:动态化电压恢复设备（DVR）以及故障电流自安置设备（PCL）和固态断路设备（SSCB）等。电力企业可以在配电环节，大力应用各类新型技术与设备，控制配电环节能源损耗。

4.电力电子技术在电力节能系统的应用

4.1把电动机与变负荷电动机调速技术结合应用

把电动机与变负荷电动机调速技术结合应用，可以起到节能的效果。目前，我国所应用的变负荷风机以及水泵，均是选择应用国外交流调速技术。因此，我国要进一步推广和应用本国内的调速技术。尝试把电动机与变负荷电动机调速技术，在风机以及泵类等变负荷设备中选择应用调速控制来替代挡风板与节流阀控制风量以及水量，可确保调速精准度以及效率，利于实现连续性和无级调速目的，控制转差损耗，控制定子以及转子的损耗，可节省电率约百分之三十。

4.2控制无功损耗，调整功率因数

电力系统中常应用交流异步电动机设备及感性负载类变压器，二者在运行期间能源消耗较多，如，有功功率与无功功率设备应用均增加能源损耗。但是基于电动设备与交流异步电动机设备的重要性，其作为保证电能质量的关键，在整个电力系统中发挥重要作用。为了确保无功功率的平衡性，避免系统电压减少以及功率因素降低，以免损坏设备，应在发现电网以及电气设备无功容量缺失时，要适当增设无功补偿装置，调整和提升功率的因素。

结束语： 综上所述，我们可以看出，电力电子技术目前在电力输电、配电以及节能系统中均被广泛应用。电力电子技术的大力应用和不断发展，离不开自身优势，如也可以对电能的使用进行管控，优化电能资源的使用，控制资源的浪费。此外，电力电子技术可以改造以往产业，进一步发展新兴产业。尤其是当下电力产业不断发展背景下，人们生产生活以及电力企业均应用各类电力电子设备，电厂应用各类电力电子技术，提高电力系统各个设备的运转速度，加快设备运行的同时，为大众提供更加高质的服务。电力企业大力应用电力电子技术与大众不断认可，这也在一定程度上加快电力电子技术的发展。

参考文献： [1]颉风.电力电子技术在电力系统中的应用[J].电子技术与软件工程,2020,(23):218-219.

[2]袁娟.电力系统电力电子技术应用探讨[J]. 产业科技创新,2020,2(31):60-61.

[3]禹凯歌.电力电子技术在电力系统中的应用[J]. 中国科技信息,2020,(14):40+13.

[4]黄凯峰.探讨电子控制中电力电子技术的应用[J]. 农家参谋,2020,(10):211.

[5]田富豪.电力电子技术在电力系统中的应用[J]. 数码世界,2020,(04):261.

氢能在电力系统中的应用

氢气在传统石化行业已有大量应用，近年来氢能应用火热的领域主要是车用氢燃料电池、燃料电池分布式电站及固定电站。

全球氢燃料电池汽车数量变化曲线 ▼

来源：现代电力

氢能发电可以用来解决电网削峰填谷、新能源稳定并网问题，还可以提高可再生能源所发电力并网的稳定性和电力系统安全性、灵活性，大幅降低碳排放。目前主要采用氢燃料电池发电技术与新能源耦合发电技术，使用燃料电池发电技术，可以减少对煤炭的使用，减少CO2的排放，且发电效率很高。

氢燃料电池发电

根据电解质种类不同，燃料电池分为质子交换膜燃料电池 (PEMFC)、固体氧化物燃料电池 (SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）等。目前重点关注的是 PEMFC 技术和 SOFC 技术。

PEMFC 工作温度低、启动快，适用于交通领域。SOFC 能量转化率高、全固态，是一种清洁高效的发电装置，一般用于大型集中供电、分布式发电等作为固定电站。国内学者于 2020 年提出了一种利用 SOFC 燃料电池的新型发电系统，通过高效制氢和废热梯级利用，系统发电效率可达 61.2%。

燃料电池发电本质是氧化还原反应，以 PEMFC 为例，其结构下图，由阴/阳极流道、气体扩散层、质子交换膜、催化剂、电极组成，其工作原理为：

质子交换膜燃料电池结构图 ▼

来源：现代电力

① 氢气进入阳极流道，催化剂作用下阳极的氢气分解为氢质子与电子：

② 电子经由外电路形成电流，通过电极供给负载；

③ 氢质子通过质子交换膜进入电解液中再到达阴极，与透过阴极扩散层的氧气发生反应生成水，并伴随热量产生；

④ 阴极大部分反应物与空气一同排出，少部分透过交换膜扩散至阳极。因此，水是燃料电池唯一的排放物。

下表对比了各种类型燃料电池技术，可以看出不同燃料电池的特性有差异，适用范围也不尽相同，因此对于不同电池类型及其相关特性，有着不同的应用场景。

各燃料电池技术的对比 ▼

来源：现代电力

其中，PEMFC 功率范围最大，可用于解决电网波动性，作为灵活电源支撑电网的调峰调频，但是电效率较低制约了 PEMFC的发展。PEMFC 工作过程中会有热量散出，将反应热利用起来则PEMFC 热电联供(CHP) 综合能效可在 75%~80% 之间；SOFC 自身发电效率高，在用户侧，通过 CHP 可提高综合能效至 80%，在固定式发电及 CHP 场景下具有巨大的应用前景。

美国和日本多家公司正在开发 10 kW 平面轮机 SOFC 发电装置，德国西门子–西屋电器公司正在测试 100 kW SOFC 管状工作堆，国内也已有学者自主研制出了 5 kW 级 SOFC 系统，并实现了 4.82 kW 的功率输出。我国关于 100 kW 级大功率 SOFC 系统的研究尚有空缺，亟待专家学者在已有低功率 SOFC 的基础上加大力度继续推进。国外学者 A. Herrmann 等人提出一种家用氢燃料电池 CHP 系统并对该系统进行了性能评估，整体结构图下图：

一种家用热电联供系统 ▼

来源：现代电力

该系统设计一套氢燃料电池热电联供系统，通过此设计，房屋无需外接天然气管网即可实现CHP，CHP 的电效率接近 50%，总效率高于 95%。氢燃料电池的 CHP 具有很好的发展前景，应基于我国基本国情，借鉴国外先进氢燃料电池 CHP 方案，用于解决我国孤岛微网电力供应问题，助力氢能在我国的产业化发展，推动“十四五”电力规划的实施。

氢燃气轮机发电

以清洁能源氢燃料替代天然气用于燃气轮机发电也是氢能在电力领域的研究重点。燃气轮机具有很好的负荷调节能力，15 min 左右即可将负荷从零拉满，亦可以氢储能作为中间环节，将氢燃气轮机与新能源混合发电，即可解决弃风弃光问题，也能改善电力系统稳定性，因此燃氢燃气轮机发电是燃气轮机发电的未来发展趋势。

燃气轮机系统结构图 ▼

来源：现代电力

其工作过程是:

① 压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩；

② 压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气；

③ 高温燃气流入燃气涡轮中膨胀做工，推动涡轮叶轮旋转输出电力接入负载。

文献提出了一种风–氢–燃气轮机耦合发电系统，系统框架如下图：

风–氢–燃气轮机耦合发电系统 ▼

来源：现代电力

该系统的思想即是把风电场发出的质量较差的电接入电解槽电解制氢，通过氢储能技术储存电力，在电网需要时再由氢燃气轮机发电并网，可以实现对电网的削峰填谷以及对新能源的消纳，可以作为一种新型储能发电形式与风力、光伏等可再生能源配合发电。

氢燃气轮机的安全性除了燃气轮机本身的回火等技术问题外，更主要的还是在氢气的制、储、运 3 个方面，氢能储运环节关键技术是氢燃气轮机安全高效应用的核心；氢燃气轮机的经济成本主要是氢气的制取和储运成本，未来最理想的模式是以氢储能为中心，结合新能源和燃气轮机发电。当前电解水制氢成本在18~23 元/kg 氢气，再加上氢气储运成本，氢能发电经济性较低，且采取可再生能源制氢后燃烧发电效率极低，当前氢燃气轮机发电难以商业化应用。因此，突破新能源电解制氢成本及氢能储运成本，是氢燃气轮机发电大规模应用的关键。

氢能的两类主要发电方式各有优劣，氢燃气轮机发电设备可以使用现有设备改造，设备成本较低，技术基础好，但不可避免排放。日本三菱公司 2018 年研发的新型预混燃烧器可以实现含氢 30% 的混合燃料稳定燃烧，排放低，德国西门子公司开发的氢气燃气轮机经过测试表明，30% 的氢浓度时排放可以低至 20 ppm。氢燃料电池发电设备相对简单，功率范围宽，可以很好地应对可再生能源的波动性，但整体电效率不高，需考虑其热电综合效率。国内有学者提出采用 SOFC 和微型燃气轮机联合发电技术，采用 CH4 作为燃料，可实现能源的梯级利用，大大提高能源利用率。因此，我国应加大对多设备联合发电技术的研发，以氢储能系统为枢纽，采用氢燃气轮机及氢燃料电池联合发电技术，促进我国新能源的发展，促进能源低碳化转型。