摘要：隨著電力系統(tǒng)信息化、智能化以及綜合化發(fā)展不斷推進(jìn)，電子裝置應(yīng)用也取得前所未有的發(fā)展，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也存在很多技術(shù)問(wèn)題。文章主要從介紹電子裝置的應(yīng)用，站在電子裝備安全性以及標(biāo)準(zhǔn)化的角度，對(duì)其進(jìn)行綜合研究，力求為推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐發(fā)展做出有益的理論探索。

關(guān)鍵詞：電子裝置；電力系統(tǒng)；故障管理；電能存儲(chǔ)技術(shù)；微型電網(wǎng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM76 文章編號(hào)：1009-2374（2016）03-0041-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.021

電力系統(tǒng)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)展中有著極為重要的作用，承載著生產(chǎn)及生活能源的輸送、利用以及配給。隨著能源危機(jī)的不斷加劇，促使電力系統(tǒng)也由規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)向可持續(xù)化發(fā)展方向。隨著電力系統(tǒng)不斷轉(zhuǎn)型，儲(chǔ)能裝置以及分布式電源開(kāi)始不斷普及，主電網(wǎng)與微電網(wǎng)、地方電網(wǎng)之間的配合更加高效；電子裝置逐漸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，電能配用的無(wú)功和諧波治理得到有效加強(qiáng)。隨著大功率電子元器件的不斷應(yīng)用，電子裝置必將拓展越來(lái)越大的舞臺(tái)。

1 電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍

1.1 發(fā)電及相關(guān)領(lǐng)域

從實(shí)踐領(lǐng)域來(lái)看，電子裝置在電力系統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛：一是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在該機(jī)組中，變流器是極為重要的核心設(shè)備，通過(guò)逆變器以及整流器可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能。但隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逐步完善，通過(guò)有源中點(diǎn)鉗位以及三電平向H橋級(jí)聯(lián)型等多電平拓?fù)浒l(fā)展，能夠有效提升發(fā)電等級(jí)及容量。二是發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁。主要應(yīng)用于大型的發(fā)電機(jī)組，與傳統(tǒng)勵(lì)磁機(jī)相比，其靜止勵(lì)磁技術(shù)有操作簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn)，對(duì)于電廠的效率提升有著極為重要的意義，而水力發(fā)電一般通過(guò)勵(lì)磁技術(shù)對(duì)電流的頻率進(jìn)行調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)水流量及壓力的調(diào)節(jié)，改善發(fā)電效率及品質(zhì)。三是光伏電站應(yīng)用。大型光伏電站是集中利用太陽(yáng)能的有效途徑，一般采取并聯(lián)逆變器方式加以控制，能夠提升有源濾波、無(wú)功補(bǔ)償以及動(dòng)壓補(bǔ)償?shù)然竟δ堋?/p>

1.2 電能存儲(chǔ)技術(shù)

為有效緩解高峰時(shí)電力系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重壓力，提高整個(gè)電網(wǎng)及電力設(shè)備的運(yùn)行效率，有效防止電網(wǎng)故障的發(fā)生，滿足社會(huì)對(duì)于安全、高效、優(yōu)質(zhì)用電的要求，在儲(chǔ)能技術(shù)上，主要應(yīng)用于以下三個(gè)方面：一是壓縮空氣儲(chǔ)能。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)用電處于低谷時(shí)，可以使用余出的電量去驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，并將形成的能量存儲(chǔ)起來(lái)，而當(dāng)用電負(fù)荷處于飽和狀態(tài)時(shí)，可以將存儲(chǔ)的能量釋放，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于壓縮空氣存儲(chǔ)技術(shù)研究較多，通過(guò)變頻技術(shù)融合，能夠提高電網(wǎng)負(fù)荷的壓縮效率。二是可調(diào)速抽水蓄能。一般情況下，水力蓄能系統(tǒng)一般由下水庫(kù)、上水庫(kù)以及發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，主要是利用水的落差變化，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)前，在水能機(jī)組應(yīng)用轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁較多，采取電流或電壓型變換器進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)有功或者無(wú)功調(diào)整。三是電池儲(chǔ)能。該儲(chǔ)能方式一般由功率調(diào)節(jié)及電池系統(tǒng)構(gòu)成，一般以鋰離子、全釩液以及鈉硫電池為主，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能模塊的均衡。為實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)功能，將電壓型四象限變換器當(dāng)作電網(wǎng)與電池的接口，以三相橋式模塊為變換器，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)及儲(chǔ)能功能。

1.3 微型電網(wǎng)

微型電網(wǎng)主要是由儲(chǔ)能裝置、分布式電源、電子負(fù)荷、功率變換器、監(jiān)控保護(hù)裝置共同構(gòu)成的配電系統(tǒng)，通過(guò)安裝功率變換器，能夠使外部與微型電網(wǎng)同步并網(wǎng)運(yùn)行，確保能量平衡與局部?jī)?yōu)化。實(shí)踐證明，將分布式電源接入到電網(wǎng)中并網(wǎng)運(yùn)行，能夠發(fā)揮微型電網(wǎng)的最大效能。在微電網(wǎng)運(yùn)行中，通常使用多變換器處理儲(chǔ)能裝置與分布式電源互聯(lián)問(wèn)題，另外使用增加變換器接口也可以解決該問(wèn)題。在使用多變換器時(shí)，要確保各個(gè)控制器能夠保持獨(dú)立，以通信的方式協(xié)調(diào)各方面運(yùn)行，因此存在信號(hào)延遲、成本高、安全性差等問(wèn)題。從運(yùn)行情況來(lái)看，多接口變換器運(yùn)行一般可以分為緊急模式、生產(chǎn)模式、恢復(fù)模式。當(dāng)處于生產(chǎn)模式時(shí)，系統(tǒng)可以獲取再生能源，在加強(qiáng)儲(chǔ)能管理的同時(shí)滿足負(fù)載需求。

1.4 輸電環(huán)節(jié)控制

電子裝置在輸電環(huán)節(jié)的控制與應(yīng)用，一般有如下三種方式：一是分頻輸電。主要是利用低頻傳輸電能，能夠提高系統(tǒng)傳輸能力，減少線路電氣距離，達(dá)到抑制傳輸過(guò)程電壓波動(dòng)的目的，主要用于風(fēng)電和水電等再生能源領(lǐng)域。這些電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，適用于低頻發(fā)電以及傳輸，在應(yīng)用過(guò)程中，可以通過(guò)變頻器連接工頻電網(wǎng)與輸電線路。二是直流輸電。一般包括柔性和常規(guī)兩種，其中柔性直流電可以分為無(wú)功功率及有功功率可控、可向無(wú)源負(fù)荷供電等優(yōu)勢(shì)，因而可廣泛應(yīng)用于城市、孤島、電網(wǎng)及可再生能源的接入。在直流輸電中，已經(jīng)由三電平發(fā)展到多電平模塊。三是固態(tài)變壓器。該變壓裝置是電磁耦合及電力電子變換技術(shù)的融合產(chǎn)物，能夠推動(dòng)電流或電壓頻率、相位以及形狀變換的設(shè)備，使輸電方式更加靈活及穩(wěn)定。

1.5 電能質(zhì)量調(diào)控

在電能質(zhì)量控制上，也可以應(yīng)用電子裝置去實(shí)現(xiàn)：一是無(wú)功補(bǔ)償。對(duì)于母線電壓穩(wěn)定、負(fù)荷電壓不平衡以及功率振蕩等問(wèn)題，都可以使用無(wú)功補(bǔ)償器去實(shí)現(xiàn)，鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器具有響應(yīng)速度快、占地面積小以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)。二是電壓暫降抑制。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電壓一旦發(fā)生降低現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷以及產(chǎn)品報(bào)廢等，而動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠有效解決這一問(wèn)題，能夠抑制不平衡電壓，確保正序、零序以及負(fù)壓電壓補(bǔ)償，可廣泛應(yīng)用于無(wú)串聯(lián)變壓器以及提取能量等方案。三是諧波治理。主要分為主動(dòng)和被動(dòng)諧波治理，其中主動(dòng)諧波治理使用脈寬調(diào)制以及多重化技術(shù)，達(dá)到降低變流裝置諧波的目的。

2 電力電子裝置應(yīng)用中需要解決的難題

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系的不斷完善，對(duì)于電能的需求也在不斷增加。為了適應(yīng)未來(lái)發(fā)展需求，應(yīng)高度重視電子裝置在電力系統(tǒng)應(yīng)用中需要解決的難題：一是在風(fēng)電場(chǎng)直流多端輸電系統(tǒng)中，對(duì)電壓源型換流器研究有待深入；二是在多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)中，對(duì)于變換器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及控制方法的研究深度不夠；三是電子裝置數(shù)字控制器的標(biāo)準(zhǔn)仍然存在不夠統(tǒng)一和規(guī)范的現(xiàn)象；四是在可再生能源體系中，功率變流器的安全性與可靠性研究仍需深入。以上問(wèn)題的解決，對(duì)于增強(qiáng)國(guó)家電網(wǎng)傳輸水平、提高安全指標(biāo)以及增加可再生能源規(guī)模，都具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

為增強(qiáng)電子裝置在電力系統(tǒng)應(yīng)用的安全性、可靠性以及標(biāo)準(zhǔn)化，必須要進(jìn)一步提升電子裝置的總體性能，確保故障運(yùn)行管理、可靠性評(píng)估以及模塊標(biāo)準(zhǔn)化的研究有效實(shí)施，取得具有普適性意義的研究成果。

3.1 基于可靠性評(píng)估角度應(yīng)用研究

電子裝置在電力系統(tǒng)中應(yīng)用效能與其運(yùn)行的故障率、無(wú)障運(yùn)行時(shí)間以及使用率等因素有著直接的關(guān)系，在電子裝置設(shè)計(jì)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)行可靠性評(píng)估有利于加強(qiáng)綜合性管理系數(shù)。其評(píng)估結(jié)果能夠確認(rèn)技術(shù)指標(biāo)是否規(guī)范，也能夠作為控制策略以及元器件可靠性評(píng)估的依據(jù)。另外，可靠性預(yù)測(cè)越精確，越能夠?yàn)橄到y(tǒng)的維護(hù)、運(yùn)行以及管理提供指導(dǎo)。在具體可靠性評(píng)估中，可以通過(guò)系統(tǒng)或元件層面構(gòu)建模型，對(duì)電解電容以及功率器件等元器件的故障率進(jìn)行系統(tǒng)建模；對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)而言，可以將其進(jìn)行分解，采取多系統(tǒng)評(píng)估方式增強(qiáng)其可靠性。如果系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果與可靠性要求有差距，必須對(duì)研究方法進(jìn)行改進(jìn)，并加強(qiáng)對(duì)整個(gè)裝置的容錯(cuò)能力進(jìn)行改造。

3.2 基于故障運(yùn)行管理角度應(yīng)用研究

系統(tǒng)可靠性隨著技術(shù)的提升會(huì)不斷增加，但運(yùn)行故障是無(wú)可避免的，對(duì)于重要的場(chǎng)合，電子裝置往往會(huì)因設(shè)備故障造成傷害。對(duì)于那些允許離線的電子裝置，一般通過(guò)故障或者過(guò)熱管理等方式去降低故障率。一般情況下，功率器件產(chǎn)生故障的原因是溫度循環(huán)過(guò)程中流動(dòng)較大或者溫度過(guò)高，因此必須要加強(qiáng)主動(dòng)熱管理，以控制調(diào)節(jié)器材耗損，防止瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力導(dǎo)致元器件損壞；對(duì)于故障的預(yù)測(cè)與診斷是電子裝置加強(qiáng)保護(hù)以及容錯(cuò)運(yùn)行的重要依據(jù)，一般以變換器端口或功率器件的電流電壓變化參數(shù)比較，進(jìn)行故障識(shí)別；而故障預(yù)測(cè)主要是根據(jù)子系統(tǒng)或元件存在故障，推測(cè)它們的使用年限及生命周期，為采取措施及有效預(yù)測(cè)提供參考；故障發(fā)生時(shí)，電子裝置自身的容錯(cuò)運(yùn)行能力可以及時(shí)采取策略，將發(fā)生故障的部分加以隔離，防止整套裝置發(fā)生失效現(xiàn)象。

3.3 基于電子標(biāo)準(zhǔn)模塊角度應(yīng)研究

從發(fā)展來(lái)看，隨著電子標(biāo)準(zhǔn)模塊技術(shù)（PEBB）的不斷發(fā)展，能夠?qū)㈤T極驅(qū)動(dòng)電路、功率器件以及相關(guān)配套元件集成到同一個(gè)模塊當(dāng)中，使其接口與功能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化要求，而標(biāo)準(zhǔn)模塊的應(yīng)用能夠有效降低設(shè)備體積、裝置成本以及實(shí)際損耗，最大限度節(jié)省建設(shè)成本。電子裝置依托PEBB構(gòu)建具有普適性的應(yīng)用設(shè)備，按照不同場(chǎng)合的不同需求，進(jìn)行科學(xué)合理調(diào)配。電子裝置在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，為改善和保證其性能，必須要對(duì)保護(hù)方案進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)和改造，按照層次化控制、集成化管理以及系統(tǒng)化升級(jí)的原則，不斷攻克模塊雜散電感、信號(hào)監(jiān)測(cè)以及接口控制等難題。

4 結(jié)語(yǔ)

電子裝置的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，主要體現(xiàn)在儲(chǔ)能、輸電以及發(fā)電等領(lǐng)域，通過(guò)改善電力系統(tǒng)的綜合指標(biāo)，不斷促進(jìn)電力可持續(xù)發(fā)展。在可靠性評(píng)估、故障管理以及電子模塊標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行研究，以期取得更具實(shí)效性、穩(wěn)定性和持續(xù)性的研究成果，實(shí)現(xiàn)電子裝置的安全、成本以及使用壽命的需求，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：劉江，男，新疆烏魯木齊人，中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院學(xué)生。

（責(zé)任編輯：陳 潔）