【摘 要】電力電子技術是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術、現代控制技術為支撐的技術平臺。文章介紹了電力電子技術在電力系統各個環節中的應用及在電力系統中的應用前景。 【關鍵詞】電力電子技術；電力系統；應用；直流輸電 電力電子技術是電工技術中的新技術，是電力與電子技術（強電和弱電技術）的融合，已在國民經濟中發揮著巨大作用，對未來輸電系統性能將產生巨大影響。目前電力電子技術的應用已涉及電力系統的各個方面，包括發電環節、輸配電系統、儲能系統等等。 一、發電環節 電力系統的發電環節涉及發電機組的多種設備，電力電子技術的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。 （一）大型發電機的靜止勵磁控制。 靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結構簡單、可靠性高及造價低等優點，被世界各大電力系統廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環節，因而具有其特有的快速性調節，給先進的控制規律提供了充分發揮作用并產生良好控制效果的有利條件。 （二）水力、風力發電機的變速恒頻勵磁。 水力發電的有效功率取決于水頭壓力和流量，當水頭的變化幅度較大時（尤其是抽水蓄能機組），機組的最佳轉速亦隨之發生變化。風力發電的有效功率與風速的三次方成正比，風車捕捉最大風能的轉速隨風速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過調整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。 （三）發電廠風機水泵的變頻調速。 發電廠的廠用電率平均為8%，風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%，且運行效率低。使用低壓或高壓變頻器，實施風機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內外有眾多的生產廠家，并有完整的系列產品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產能力的企業不多，國內有不少院校和企業正抓緊聯合開發。 （四）太陽能發電控制系統。 開發利用無窮盡的潔凈新能源———太陽能，是調整未來能源結構的一項重要戰略措施。大功率太陽能發電，無論是獨立系統還是并網系統，通常需要將太陽能電池陣列發出的直流電轉換為交流電，所以具有最大功率跟蹤功能的逆變器成為系統的核心。日本實施的陽光計劃以3～4kW的戶用并網發電系統為主，我國實施的送電到鄉工程則以10～15kW的獨立系統居多，而大型系統有在美國加州的西門子太陽能發電廠（7.2MW）等。 二、輸電環節 （一）柔性交流輸電技術（FACTS） 柔性的交流輸電技術是上世紀八十年代后期出現的新技術，近年來在世界上發展迅速。柔性交流輸電技術是指電力電子技術與現代控制技術結合，以實現對電力系統電壓、參數（如線路阻抗）、相位角、功率潮流的連續調節控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統穩定水平，降低輸電損耗。傳統的調節電力潮流的措施，如機械控制的移相器、帶負荷調變壓器抽頭、開關投切電容和電感、固定串聯補償裝置等，只能實現部分穩態潮流的調節功能，而且，由于機械開關動作時間長、響應慢，無法適應在暫態過程中快速柔性連續調節電力潮流、阻尼系統振蕩的要求。因此，電網發展的需求促進了柔性交流輸電這項新技術的發展和應用。到目前，FACTS控制器已有數十種，按其安裝位置可分為發電型、輸電型和供電型3大類，但共同的功能都是通過快速、精確、有效地控制電力系統中一個或幾個變量（如電壓、功率、阻抗、短路電流、勵磁電流等），從而增強交流輸電或電網的運行性能。已應用的FACTS控制器有靜止無功補償器（SVC）、靜止調相機（STATCON）、靜止快速勵磁器（PSS）、串聯補償器（SSSC）等。近年來，柔性交流輸電技術已經在美國、日本、瑞典、巴西等國重要的超高壓輸電工程中得到應用。國內也對FACTS進行了深入的研究和開發，每年都有數篇論文發表，但是具有自主知識產權的FACTS設備只有清華大學和河南省電力公司聯合開發的±20Mvar新型靜止無功發生器（ASVG） （二）高壓直流輸電技術（HVDC） 1970年世界上第一項晶閘管換流閥試驗工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧閥換流器，標志著電力電子技術正式應用于直流輸電。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技術采用GTO、IGBT等可關斷器件，以及脈寬調制（PWM）等技術。省去了換流變壓器，整個換流站可以搬遷，可以使中型的直流輸電工程在較短的輸送距離也具有競爭力。此外，可關斷器件組成的換流器，由于采用了可關斷的電力電子器件，可避免換相失敗，對受端系統的容量沒有要求，故可用于向孤立小系統（海上石油平臺、海島） 供電，今后還可用于城市配電系統，并用于接入燃料電池、光伏發電等分布式電源。目前，全球已建成的直流輸電工程超過60項，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，直流輸電技術又有新的發展，輕型直流輸電采用IGBT等可關斷電力電子器件組成換流器，應用脈寬調制技術進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題。同時大幅度簡化設備，降低造價。世界上第一個采用IGBT構成電壓源換流器的輕型直流輸電工業性試驗工程于1997年投入運行。 （三）靜止無功補償器（SVC） SVC是用以晶閘管為基本元件的固態開關替代了電氣開關，實現快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統的導納。SVC可以有不同的回路結構，按控制的對象及控制的方式不同分別稱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）。我國輸電系統五個500kV變電站用的SVC容量在105～170Mvar，均為進口設備，型式為TCR加TSC或機械投切電容器組。國內工業應用的TCR裝置大約有20套，容量在10～55Mvar，其中一小半為國產設備。低壓380V供電系統有各類TSC型國產無功補償設備在運行，但至今仍沒有一套國產的SVC在我國的輸變電系統運行。 三、配電環節 配電系統迫切需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量。電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，即用戶電力（CustomPower）技術。用戶電力技術（CP）技術和FACTS技術是快速發展的姊妹型新式電力電子技術。采用FACTS的核心是加強交流輸電系統的可控性和增大其電力傳輸能力;發展CP的目的是在配電系統中加強供電的可靠性和提高供電質量。CP和FACTS的共同基礎技術是電力電子技術，各自的控制器在結構和功能上也相同，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。具有代表性的用戶電力技術產品有:動態電壓恢復器（DVR），固態斷路器（SSCB），故障電流限制器（FCL），統一電能質量調節器（PQC）等。 四、其他應用 （一）同步開斷技術 實現同步開斷的根本出路在于用電子開關取代機械開關。美國西屋公司已制造出13KV、600A、由GTO元件組成的固態開關，安裝在新澤西州的變電站中使用。GTO開斷時間可縮短到1/3ms，這是一般機械開關無法比擬的。現在，由固態開關構成的電容器組的配電系統“軟開關”已問世。 （二）直流電源 許多負載必須使用直流電源，世界上發電總量的20—30%以上直流電形式消費，如電鍍、電解等需要大容量可控整流電源。有些是可以提高產品質量而用直流電源如直流電弧爐煉鋼，直流電焊機。以直流焊機為例，過去直接電焊供電電源是電焊用直流發電機其特殊構造可以實現電流的陡降情況，但它的效率只有30%，重200—300kg，以后晶閘管供電的直流焊機效率可達75%重在100kg左右，而采用IGBT高頻逆變的直流焊機，效率在85%以上，重量只有20—30kg，且其控制特征好，可以實現恒流、恒壓焊接，脈沖焊接等工藝要求，保證了焊接質量。 （三）不間斷電源（UPS）和各種AC—DC、DC—AC開關電源 程控交換站，計算機、電視、醫療設備、航天、航海艦艇及家電上，都廣泛應用開關電源，這些開關電源都采用高頻化技術，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，開關電源高頻化是發展的方向。為減少由于頻率提高而使開關損耗增加的問題，從而發展了各種軟開關技術。 （四）各種頻率的全固態化交流電源 這是為各種工業需要的變頻電源。在20世紀80年代末，我國約有20萬臺60—200KW的高頻設備，現在用晶閘管中頻感應加熱裝置已完全取代了中頻發電機，國內已形成200—8000Hz，功率為100—3000KW的系列產品。在高頻電源方面則用功率MOSEFT制造出1000KW/15—600KHz（比利時），用SIT（靜電感應晶閘管）制造出1000KW/200KHz和400KW/400KHz（日本）的感應加熱裝置，效率都在90%以上。國內已研制出75KW/200KHz的SIT感應加熱裝置。這樣采用全固態高頻感應加熱裝置可以大大節能。