电力电子装置在电力系统中的应用

摘 要：随着自动化技术高度发展,电子控制设备和系统的功能日趋复杂,规模也越来越大,使得电子设备的抗干扰问题具有更大的复杂性和普遍性,抗干扰问题已成为电子控制设备领域的一个既重要又迫切解决的实际问题,对电力电子装置在电力系统中的应用进行研究.

关 键 词：电力电子；装置；电力系统

随着电网互联的规模越来越大,保证并且提高电力系统运行可靠性已经越来越引起人们的重视；众所周知,提高电网的充裕度是确保电网运行可靠性的最基本的措施,关键所在即是如何大幅度提高超高压交流输电系统的输电能力.而电力电子换流技术及直流输电技术的引入,可以改善电力系统可控性及可靠性,从而使大幅度提高输电线路的传输能力及电网的可靠性成为可能,这方面国内外学者已经做了很广泛且深入的研究.本文介绍了电力电子装置在发电、储能、微型电网&输电和电能质量方面的主要应用,分析了电力电子装置对于电力系统性能改善的作用,对电力电子装置的可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块技术进行了论述.

1.电力系统中电力电子装置

光伏电站由光伏阵列组件、汇流器、逆变器组、滤波器和升压变压器构成,是大规模集中利用太阳能的有效方式.通过给并联逆变器施加、电网友好、的控制方案、光伏电站可以实现无功补偿,有源滤波和动态电压补偿等功能.目前,大型光伏发电系统正处于从示范到大范围推广应用的关键阶段,还存在光伏阵列组合的多峰值特性和热斑效应,逆变器组合的非理想特性等技术问题.因此,光伏电站的科学设计需要综合考虑光伏阵列的组合方式&逆变器的组合方式及其并网拓扑等因素.大型发电机组应用静止励磁技术,与励磁机相比,具有调节速度快,控制简单的特点,显著提高了发电厂的运行性能和效率.水力发电机组应用交流励磁技术,通过对励磁电流频率的动态调整,实现了发电系统对水头压力和水流量动态变化的快速调节,改善了发电品质,提升了发电效率.变流器是风力发电中不可或缺的核心环节.风电变流器通过整流器和逆变器将不稳定的风能变换为电压、频率和相位符合并网要求的电能.随着变流器拓扑结构由两电平、三电平向H桥级联型、有源中点钳位、模块化多电平换流器等多电平拓扑方向发展,使得风力发电系统的容量和电压等级逐步提高,有效降低了线路损耗和传输导线成本,促进了风电特别是海上风电的大规模开发.目前国际上新的并网运行规则要求,在风力发电系统接入电网时,发电系统需具备有功功率控制,无功功率调节,并网频率变化,故障穿越和低电压穿越能力.

2.电力电子装置的研究视角

2.1可靠性评估

电力电子装置的可靠性、故障率、平均无故障运行时间、平均维护时间和使用率等指标直接决定了其在电力系统中的应用效能.因此,对可靠性进行评估是采取有效措施提升装置安全性的基础,可靠性评估有利于电力电子装置的设计和运行管理,定量评估的结果可用于确定设计是否符合技术规范.也可以作为比较不同拓扑结构,控制策略和元件可靠性的准则.此外,精确的可靠性预测也可为系统运行,维护和管理提供重要指导.

2.2故障运行管理

尽管有各种手段可以提高系统的可靠性,但是故障是不可避免的,在一些重要应用场合,电力电子装置因故障而导致停机会造成严重危害.对于已运行和允许离线维护的装置,可通过热管理和故障管理的方法来降低故障率.功率器件发生故障的主要原因是过温或温度循环波动,主动热管理技术通过控制器件的工作方式,调节器件损耗,避免稳态和瞬态热应力引起器件失效.故障管理包括故障诊断和预测,准确及时的故障诊断是电力电子装置进行容错运行或采取保护措施的依据,故障诊断通过将功率器件或变换器端口的电压电流特性与设定的正常性能指标进行比较来发现和识别故障,故障预测根据元件和子系统的故障机理来推测它们的剩余使用年限,为提前采取预防或补救措施提供参考.当元件或子系统发生故障时,具有容错运行能力的电力电子装置可以通过改变调制策略或控制方法来隔离故障部分,避免整套装置失效.容错运行包括降级运行和准正常运行,降级运行是利用变换器固有的冗余能力,使装置在可容忍的故障发生后还能实现主要功能,但会降低输出电压、输出功率和电能质量等,降级运行具有简单.

2.3硬件在回路仿真

电力电子装置开发涉及硬件,软件和测试多个环节.装置样机的直接开发和验证具有周期长,调试困难和设计方案变更成本高的特点.采用实际装置的小功率硬件模型对系统方案进行验证时,装置中的部分参数和特性在模型中无法得到合理模拟,且系统保护方案的真实度有限.电力电子系统的半实物仿真,即硬件在回路仿真技术,可以加快系统设计与测试有效性的验证,便于控制器的开发,能够模拟所有运行工况,易于实现故障模拟和实时获取任意信号.与电力系统的半实物仿真不同,在电力电子系统的半实物仿真中需要超低延迟计算才可以准确模拟硬件的动态特性和灵活模拟系统的极端工况.现场可编程门阵列（FPGA）技术拥有超低延迟和大规模并行处理的优势,可提高模拟计算的处理速度,结构充足度和建模复杂度,现已成为电力电子系统半实物仿真中的首选方案.

3.结束语

电力电子装置在发电、储能、微型电网、输电和电能质量中应用后,改善了电力系统的性能,促进了电力系统的渐变转型,可靠性评估、故障运行管理、硬件在回路仿真和电力电子标准模块分别是装置设计、运行、研发和制造方面的关键技术.在这些方面开展系统化的深入研究,有利于电力电子装置长寿命,低成本和高安全性的实现.针对电力系统的需求,有针对性地攻克电力电子装置应用中的若干技术难题,可以为电力系统的长远发展奠定技术基础.