电力电子技术在电力系统中的应用

电力电子技术是电工技术中的新技术，是电力与电子技术(强电和弱电技术)的融合，已在国民经济中发挥着巨大作用，对未来输电系统性能将产生巨大影响。目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能系统等等。

一、发电环节

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

(二)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，因而具有其特有的快速性调节，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。

(二)水力、风力发电机的变速恒频励磁。

水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组)，机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

(三)发电厂风机水泵的变频调速。

发电厂的厂用电率平均为8%，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，且运行效率低。使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

(四)太阳能发电控制系统。

开发利用无穷尽的洁净新能源———太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以3～4kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以10～15kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂(7.2MW)等。

二、输电环节

(一)柔性交流输电技术(FACTS)

柔性的交流输电技术是上世纪八十年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。到目前，FACTS控制器已有数十种，按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类，但共同的功能都是通过快速、精确、有效地控制电力系统中一个或几个变量(如电压、功率、阻抗、短路电流、励磁电流等)，从而增强交流输电或电网的运行性能。已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器(SVC)、静止调相机(STATCON)、静止快速励磁器(PSS)、串联补偿器(SSSC)等。近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。国内也对FACTS进行了深入的研究和开发，每年都有数篇论文发表，但是具有自主知识产权的FACTS设备只有清华大学和河南省电力公司联合开发的±20Mvar新型静止无功发生器(ASVG)

(二)高压直流输电技术(HVDC)

1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。新一代HVDC技术采用GTO、IGBT等可关断器件，以及脉宽调制(PWM)等技术。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，由于采用了可关断的电力电子器件，可避免换相失败，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统(海上石油平台、海岛) 供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。目前，全球已建成的直流输电工程超过60项，其中具有代表性的工程有：

1.天生桥—广州直流输电工程(2001年)±500kV，1800MW，980km

2.三峡—常州直流输电工程(2003年)±500kV，3000MW，890km

3.三峡—广州直流输电工程(2004年)±500kV，3000MW，962km

近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。

(三)静止无功补偿器(SVC)

SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC可以有不同的回路结构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管投切电抗器(TSR)或晶闸管控制电抗器(TCR)。我国输电系统五个500kV变电站用的SVC容量在105～170Mvar，均为进口设备，型式为TCR加TSC或机械投切电容器组。国内工业应用的TCR装置大约有20套，容量在10～55Mvar，其中一小半为国产设备。低压380V供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。

三、配电环节

配电系统迫切需要解决的问题是如何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，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力(CustomPower)技术。用户电力技术(CP)技术和FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力;发展CP的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。CP和FACTS的共同基础技术是电力电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，目前二者已逐渐融合于一体，即所谓的DFACTS技术。具有代表性的用户电力技术产品有:动态电压恢复器(DVR)，固态断路器(SSCB)，故障电流限制器(FCL)，统一电能质量调节器(PQC)等。

四、其他应用

(一)同步开断技术

实现同步开断的根本出路在于用电子开关取代机械开关。美国西屋公司已制造出13KV、600A、由GTO元件组成的固态开关，安装在新泽西州的变电站中使用。GTO开断时间可缩短到1/3ms，这是一般机械开关无法比拟的。现在，由固态开关构成的电容器组的配电系统“软开关”已问世。

(二)直流电源

许多负载必须使用直流电源，世界上发电总量的20—30%以上直流电形式消费，如电镀、电解等需要大容量可控整流电源。有些是可以提高产品质量而用直流电源如直流电弧炉炼钢，直流电焊机。以直流焊机为例，过去直接电焊供电电源是电焊用直流发电机其特殊构造可以实现电流的陡降情况，但它的效率只有30%，重200—300kg，以后晶闸管供电的直流焊机效率可达75%重在100kg左右，而采用IGBT高频逆变的直流焊机，效率在85%以上，重量只有20—30kg，且其控制特征好，可以实现恒流、恒压焊接，脉冲焊接等工艺要求，保证了焊接质量。

(三)不间断电源(UPS)和各种AC—DC、DC—AC开关电源

程控交换站，计算机、电视、医疗设备、航天、航海舰艇及家电上，都广泛应用开关电源，这些开关电源都采用高频化技术，使其体积重量大大减小，能耗和材料也大为降低。为提高电源的单位功率密度，开关电源高频化是发展的方向。为减少由于频率提高而使开关损耗增加的问题，从而发展了各种软开关技术。

(四)各种频率的全固态化交流电源

这是为各种工业需要的变频电源。在20世纪80年代末，我国约有20万台60—200KW的高频设备，现在用晶闸管中频感应加热装置已完全取代了中频发电机，国内已形成200—8000Hz，功率为100—3000KW的系列产品。在高频电源方面则用功率MOSEFT制造出1000KW/15—600KHz(比利时)，用SIT(静电感应晶闸管)制造出1000KW/200KHz和400KW/400KHz(日本)的感应加热装置，效率都在90%以上。国内已研制出75KW/200KHz的SIT感应加热装置。这样采用全固态高频感应加热装置可以大大节能。