【摘 要】電力電子技術(shù)是一個(gè)以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺(tái)。文章介紹了電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。 【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù)；電力系統(tǒng)；應(yīng)用；直流輸電 電力電子技術(shù)是電工技術(shù)中的新技術(shù)，是電力與電子技術(shù)（強(qiáng)電和弱電技術(shù)）的融合，已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著巨大作用，對(duì)未來(lái)輸電系統(tǒng)性能將產(chǎn)生巨大影響。目前電力電子技術(shù)的應(yīng)用已涉及電力系統(tǒng)的各個(gè)方面，包括發(fā)電環(huán)節(jié)、輸配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等等。 一、發(fā)電環(huán)節(jié) 電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。 （一）大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制。 靜止勵(lì)磁采用晶閘管整流自并勵(lì)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵(lì)磁機(jī)這個(gè)中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進(jìn)的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。 （二）水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁。 水力發(fā)電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當(dāng)水頭的變化幅度較大時(shí)（尤其是抽水蓄能機(jī)組），機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速亦隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車(chē)捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機(jī)組變速運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。 （三）發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速。 發(fā)電廠的廠用電率平均為8%，風(fēng)機(jī)水泵耗電量約占火電設(shè)備總耗電量的65%，且運(yùn)行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實(shí)施風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速，可以達(dá)到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國(guó)內(nèi)外有眾多的生產(chǎn)廠家，并有完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國(guó)內(nèi)有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開(kāi)發(fā)。 （四）太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)。 開(kāi)發(fā)利用無(wú)窮盡的潔凈新能源———太陽(yáng)能，是調(diào)整未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略措施。大功率太陽(yáng)能發(fā)電，無(wú)論是獨(dú)立系統(tǒng)還是并網(wǎng)系統(tǒng)，通常需要將太陽(yáng)能電池陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，所以具有最大功率跟蹤功能的逆變器成為系統(tǒng)的核心。日本實(shí)施的陽(yáng)光計(jì)劃以3～4kW的戶用并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為主，我國(guó)實(shí)施的送電到鄉(xiāng)工程則以10～15kW的獨(dú)立系統(tǒng)居多，而大型系統(tǒng)有在美國(guó)加州的西門(mén)子太陽(yáng)能發(fā)電廠（7.2MW）等。 二、輸電環(huán)節(jié) （一）柔性交流輸電技術(shù)（FACTS） 柔性的交流輸電技術(shù)是上世紀(jì)八十年代后期出現(xiàn)的新技術(shù)，近年來(lái)在世界上發(fā)展迅速。柔性交流輸電技術(shù)是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電壓、參數(shù)（如線路阻抗）、相位角、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)電力潮流的措施，如機(jī)械控制的移相器、帶負(fù)荷調(diào)變壓器抽頭、開(kāi)關(guān)投切電容和電感、固定串聯(lián)補(bǔ)償裝置等，只能實(shí)現(xiàn)部分穩(wěn)態(tài)潮流的調(diào)節(jié)功能，而且，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)慢，無(wú)法適應(yīng)在暫態(tài)過(guò)程中快速柔性連續(xù)調(diào)節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網(wǎng)發(fā)展的需求促進(jìn)了柔性交流輸電這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。到目前，F(xiàn)ACTS控制器已有數(shù)十種，按其安裝位置可分為發(fā)電型、輸電型和供電型3大類(lèi)，但共同的功能都是通過(guò)快速、精確、有效地控制電力系統(tǒng)中一個(gè)或幾個(gè)變量（如電壓、功率、阻抗、短路電流、勵(lì)磁電流等），從而增強(qiáng)交流輸電或電網(wǎng)的運(yùn)行性能。已應(yīng)用的FACTS控制器有靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、靜止調(diào)相機(jī)（STATCON）、靜止快速勵(lì)磁器（PSS）、串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC）等。近年來(lái)，柔性交流輸電技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)、日本、瑞典、巴西等國(guó)重要的超高壓輸電工程中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也對(duì)FACTS進(jìn)行了深入的研究和開(kāi)發(fā)，每年都有數(shù)篇論文發(fā)表，但是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FACTS設(shè)備只有清華大學(xué)和河南省電力公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的±20Mvar新型靜止無(wú)功發(fā)生器（ASVG） （二）高壓直流輸電技術(shù)（HVDC） 1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流閥試驗(yàn)工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧閥換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。從此以后世界上新建的直流輸電工程均采用晶閘管換流閥。新一代HVDC技術(shù)采用GTO、IGBT等可關(guān)斷器件，以及脈寬調(diào)制（PWM）等技術(shù)。省去了換流變壓器，整個(gè)換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，由于采用了可關(guān)斷的電力電子器件，可避免換相失敗，對(duì)受端系統(tǒng)的容量沒(méi)有要求，故可用于向孤立小系統(tǒng)（海上石油平臺(tái)、海島） 供電，今后還可用于城市配電系統(tǒng)，并用于接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。目前，全球已建成的直流輸電工程超過(guò)60項(xiàng)，其中具有代表性的工程有： 1．天生橋—廣州直流輸電工程（2001年）±500kV，1800MW，980km 2．三峽—常州直流輸電工程（2003年）±500kV，3000MW，890km 3．三峽—廣州直流輸電工程（2004年）±500kV，3000MW，962km 近年來(lái)，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，輕型直流輸電采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無(wú)源逆變，解決了用直流輸電向無(wú)交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電的問(wèn)題。同時(shí)大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備，降低造價(jià)。世界上第一個(gè)采用IGBT構(gòu)成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程于1997年投入運(yùn)行。 （三）靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC） SVC是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開(kāi)關(guān)替代了電氣開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。SVC可以有不同的回路結(jié)構(gòu)，按控制的對(duì)象及控制的方式不同分別稱(chēng)之為晶閘管投切電容器（TSC）、晶閘管投切電抗器（TSR）或晶閘管控制電抗器（TCR）。我國(guó)輸電系統(tǒng)五個(gè)500kV變電站用的SVC容量在105～170Mvar，均為進(jìn)口設(shè)備，型式為T(mén)CR加TSC或機(jī)械投切電容器組。國(guó)內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的TCR裝置大約有20套，容量在10～55Mvar，其中一小半為國(guó)產(chǎn)設(shè)備。低壓380V供電系統(tǒng)有各類(lèi)TSC型國(guó)產(chǎn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在運(yùn)行，但至今仍沒(méi)有一套國(guó)產(chǎn)的SVC在我國(guó)的輸變電系統(tǒng)運(yùn)行。 三、配電環(huán)節(jié) 配電系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱(chēng)度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力（CustomPower）技術(shù)。用戶電力技術(shù)（CP）技術(shù)和FACTS技術(shù)是快速發(fā)展的姊妹型新式電力電子技術(shù)。采用FACTS的核心是加強(qiáng)交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力;發(fā)展CP的目的是在配電系統(tǒng)中加強(qiáng)供電的可靠性和提高供電質(zhì)量。CP和FACTS的共同基礎(chǔ)技術(shù)是電力電子技術(shù)，各自的控制器在結(jié)構(gòu)和功能上也相同，其差別僅是額定電氣值不同，目前二者已逐漸融合于一體，即所謂的DFACTS技術(shù)。具有代表性的用戶電力技術(shù)產(chǎn)品有:動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），固態(tài)斷路器（SSCB），故障電流限制器（FCL），統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（PQC）等。 四、其他應(yīng)用 （一）同步開(kāi)斷技術(shù) 實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)斷的根本出路在于用電子開(kāi)關(guān)取代機(jī)械開(kāi)關(guān)。美國(guó)西屋公司已制造出13KV、600A、由GTO元件組成的固態(tài)開(kāi)關(guān)，安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開(kāi)斷時(shí)間可縮短到1/3ms，這是一般機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)法比擬的?，F(xiàn)在，由固態(tài)開(kāi)關(guān)構(gòu)成的電容器組的配電系統(tǒng)“軟開(kāi)關(guān)”已問(wèn)世。 （二）直流電源 許多負(fù)載必須使用直流電源，世界上發(fā)電總量的20—30%以上直流電形式消費(fèi)，如電鍍、電解等需要大容量可控整流電源。有些是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量而用直流電源如直流電弧爐煉鋼，直流電焊機(jī)。以直流焊機(jī)為例，過(guò)去直接電焊供電電源是電焊用直流發(fā)電機(jī)其特殊構(gòu)造可以實(shí)現(xiàn)電流的陡降情況，但它的效率只有30%，重200—300kg，以后晶閘管供電的直流焊機(jī)效率可達(dá)75%重在100kg左右，而采用IGBT高頻逆變的直流焊機(jī)，效率在85%以上，重量只有20—30kg，且其控制特征好，可以實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓焊接，脈沖焊接等工藝要求，保證了焊接質(zhì)量。 （三）不間斷電源（UPS）和各種AC—DC、DC—AC開(kāi)關(guān)電源 程控交換站，計(jì)算機(jī)、電視、醫(yī)療設(shè)備、航天、航海艦艇及家電上，都廣泛應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，這些開(kāi)關(guān)電源都采用高頻化技術(shù)，使其體積重量大大減小，能耗和材料也大為降低。為提高電源的單位功率密度，開(kāi)關(guān)電源高頻化是發(fā)展的方向。為減少由于頻率提高而使開(kāi)關(guān)損耗增加的問(wèn)題，從而發(fā)展了各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。 （四）各種頻率的全固態(tài)化交流電源 這是為各種工業(yè)需要的變頻電源。在20世紀(jì)80年代末，我國(guó)約有20萬(wàn)臺(tái)60—200KW的高頻設(shè)備，現(xiàn)在用晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了中頻發(fā)電機(jī)，國(guó)內(nèi)已形成200—8000Hz，功率為100—3000KW的系列產(chǎn)品。在高頻電源方面則用功率MOSEFT制造出1000KW/15—600KHz（比利時(shí)），用SIT（靜電感應(yīng)晶閘管）制造出1000KW/200KHz和400KW/400KHz（日本）的感應(yīng)加熱裝置，效率都在90%以上。國(guó)內(nèi)已研制出75KW/200KHz的SIT感應(yīng)加熱裝置。這樣采用全固態(tài)高頻感應(yīng)加熱裝置可以大大節(jié)能。