馬宇馳

【摘 要】電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是電力、電子和控制三大領(lǐng)域的邊緣學(xué)科，以電力變換為主要研究?jī)?nèi)容。介紹了電子電子技術(shù)的發(fā)展，從靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、高壓直流輸電技術(shù)、電機(jī)及有源電力濾波等幾個(gè)方面闡述了電力電子技術(shù)的作用。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中必將獲得長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 電力系統(tǒng) 有源電力

【中圖分類號(hào)】TM1【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）02-0276-01

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能經(jīng)過(guò)一次以上電力電子變流裝置的處理。離開電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的。直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。柔性交流輸電亦依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)。無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制對(duì)電力系統(tǒng)有重要意義，晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）都是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置。靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償?shù)男阅堋Ｖ绷麟娫春筒婚g斷電源（UPS）還用作發(fā)電廠和變電所的保護(hù)電源、事故電源和備用電源。電力電子裝置在電力系統(tǒng)中隨處可見。

一、電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力電子技術(shù)分為器件的制造技術(shù)和電力電子電路的應(yīng)用電路（變流技術(shù)）。電力電子器件經(jīng)歷了半控型（第一代電力電子器件）、全控型（第二代電力電子器件）和復(fù)合型（第三代電力電子器件）的發(fā)展過(guò)程，把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC），目前其功率較小，但其代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

整流電路在電力電子電路中應(yīng)用最廣，20世紀(jì)80年代后逆變電路的應(yīng)用日益廣泛，但整流電路仍占重要地位。隨著自關(guān)斷器件的普遍應(yīng)用，電力電子電路向高頻化反向發(fā)展，一些新的電路拓?fù)湫问奖热缰C振型逆變電路、矩陣式逆變電路等不斷涌現(xiàn)。PWM控制對(duì)推動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展起了歷史性作用，其它控制方式比如應(yīng)用靜止/旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的矢量控制、瞬時(shí)無(wú)功功率控制、自適應(yīng)控制、采用狀態(tài)觀測(cè)器的控制、模糊控制、神經(jīng)元控制等，這使得電力電子系統(tǒng)的控制技術(shù)發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段。目前應(yīng)用越來(lái)越廣的基于微處理器的數(shù)字控制技術(shù)在很多方面取代了模擬控制，是控制技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

二、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置廣泛應(yīng)用于提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、改善電能質(zhì)量、對(duì)沖擊性負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償和閃變抑制等領(lǐng)域。FACTS技術(shù)（靈活交流輸電系統(tǒng)）從根本上改變了交流電網(wǎng)過(guò)去基本上只依靠緩慢、間接以及不精確設(shè)備進(jìn)行機(jī)械控制的局面，對(duì)提高輸電系統(tǒng)的輸送功率和潮流控制能力以及改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制系統(tǒng)振蕩等具有明顯作用。常見的F A C T S裝置包括靜止無(wú)功補(bǔ)償器（S V C）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）、可控串聯(lián)補(bǔ)償器（TCSC）、晶閘管控制移相器（TCPST）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）、超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）、不間斷電源（UPS）、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）等。無(wú)功功率補(bǔ)償可提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗，穩(wěn)定受電端和電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量，在電氣化鐵道中平衡三相的有功及無(wú)功負(fù)載。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置包括晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置（TCSC）等。SVC可作為系統(tǒng)補(bǔ)償和負(fù)荷補(bǔ)償，還廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電換流站的無(wú)功補(bǔ)償和抑制電弧爐等大型沖擊負(fù)荷造成的電壓閃變和電壓波動(dòng)。

TCR的單相基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)延遲角，可以改變電抗器電流的大小，即可以達(dá)到連續(xù)調(diào)整電抗器的基波無(wú)功功率的目的。TCR通常采用支路控制三角形聯(lián)結(jié)三相交流調(diào)壓電路的形式。

TSC具有無(wú)機(jī)磨損、響應(yīng)速度快、平滑投切以及良好的綜合補(bǔ)償效果等優(yōu)點(diǎn)。靜止同步補(bǔ)償器專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置，與SVC相比，其調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。其基本原理是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置（TCSC）由電容器與晶閘管控制的電抗器并聯(lián)組成。調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角可以改變通過(guò)電抗器的電流，使補(bǔ)償裝置的基頻等效電抗在一定范圍內(nèi)聯(lián)系變化。其不僅可以進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，控制系統(tǒng)還引入附加阻尼控制環(huán)節(jié)，改善系統(tǒng)的阻尼狀況，有利于抑制低頻振蕩，提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。

三、高壓直流輸電技術(shù)

高壓直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過(guò)換流器整流為直流電，通過(guò)輸電線路把直流電送入受電端，再把直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┯脩羰褂?。高壓直流輸電具有傳輸功率大、線路造價(jià)低、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前解決高電壓大容量、長(zhǎng)距離輸電和異步聯(lián)網(wǎng)的重要手段。直流輸電架空線路的造價(jià)低、損耗小，不存在交流輸電的穩(wěn)定性問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)額定頻率不同的電網(wǎng)的互聯(lián)，易于實(shí)現(xiàn)地下或海底電纜輸電，易于進(jìn)行潮流控制，便于分級(jí)分期建設(shè)和增容擴(kuò)建。

直流輸電工程按照直流聯(lián)絡(luò)線可分為單級(jí)聯(lián)絡(luò)線、雙極聯(lián)絡(luò)線、同極聯(lián)絡(luò)線和背靠背直流輸電系統(tǒng)。換流器完成交—直或直—交轉(zhuǎn)換，由閥橋和帶載抽頭切換器的整流變壓器構(gòu)成，閥橋?yàn)楦邏洪y構(gòu)成的6脈波或12脈波的整流器或逆變器。濾波器用于濾除換流器產(chǎn)生的諧波。平波電抗器可以降低直流線路中的諧波電壓和電流，限制直流線路短路期間的峰值電流，防止逆變器換相失敗和負(fù)荷電流不連續(xù)。換流閥是換流器的基本單元設(shè)備，目前絕大多數(shù)直流輸電采用晶閘管閥，此外還有GTO閥、IGBT閥等。換流器有6脈動(dòng)和12脈動(dòng)兩種。

四、在電機(jī)中的應(yīng)用

水力發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的電量取決于水力壓力和流量，所以機(jī)組的發(fā)電量將會(huì)發(fā)生很大變化；風(fēng)力發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的電量與風(fēng)速的三次方成正比。因此機(jī)組是變速運(yùn)行的，如果調(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，就能夠獲得最大有效功率。電力電子裝置在水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁中起到了非常重要的作用。采用半導(dǎo)體晶閘管整流和并勵(lì)性能構(gòu)成的靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，具有技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、穩(wěn)定性高及材料價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用。其省略了勵(lì)磁機(jī)的中間慣性環(huán)節(jié)，可達(dá)到快速調(diào)節(jié)。

五、有源電力濾波器

有源電力濾波器的基本思想是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流等分量，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該分量大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流分量，抵消諧波電流分量從而是流入電網(wǎng)的電流只含基波分量，其理論基礎(chǔ)是瞬時(shí)無(wú)功功率理論。具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、補(bǔ)償功能多樣化、補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響等特點(diǎn)，是抑制諧波的一個(gè)重要發(fā)展方向。有源電力濾波器包含指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)部分，前者用來(lái)檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和無(wú)功電流等分量，后者根據(jù)檢測(cè)電路所得出的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。其電路形式主要采用PWM變流器。

六、結(jié)束語(yǔ)

電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，以電力變換為主要研究?jī)?nèi)容。對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的目的是為了更方便、更為有效的使用電能，使電能更好的為人們服務(wù)。隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力電子技術(shù)也將獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，從而為電網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張文亮，湯廣福，查鯤鵬，賀之淵.先進(jìn)電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，04：1-7

[2]方舒燕.電力電子技術(shù)及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].高電壓技術(shù)，2005，05：64-66

[3]翁利民.電力電子技術(shù)與諧波抑制、無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)研究綜述[J]. 電力電容器，2004，03：6-10

[4]錢照明，董伯藩，何湘寧.電力電子技術(shù)及其應(yīng)用的最新發(fā)展（二）[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1998，03：153-159+162

[5]何大愚.電力電子技術(shù)的進(jìn)步與柔性交流輸電技術(shù)的換代發(fā)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，10：1-4+23