电力电子技术在电力系统中的应用研究
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作者: 马宇驰
【摘 要】电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，是电力、电子和控制三大领域的边缘学科，以电力变换为主要研究内容。介绍了电子电子技术的发展，从静止无功补偿装置、高压直流输电技术、电机及有源电力滤波等几个方面阐述了电力电子技术的作用。电力电子技术在电力系统中必将获得长远的发展。
【关键词】电力电子技术 电力系统 有源电力
【中图分类号】TM1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0276-01
电力电子技术在电力系统中有着非常广泛的应用。据统计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能经过一次以上电力电子变流装置的处理。离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。直流输电在长距离、大容量输电时有很大优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。柔性交流输电亦依靠电力电子装置才得以实现。无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要意义，晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功补偿和谐波补偿的性能。直流电源和不间断电源（UPS）还用作发电厂和变电所的保护电源、事故电源和备用电源。电力电子装置在电力系统中随处可见。
一、电力电子技术的发展
电力电子技术分为器件的制造技术和电力电子电路的应用电路（变流技术）。电力电子器件经历了半控型（第一代电力电子器件）、全控型（第二代电力电子器件）和复合型（第三代电力电子器件）的发展过程，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），目前其功率较小，但其代表了电力电子技术发展的一个重要方向。
整流电路在电力电子电路中应用最广，20世纪80年代后逆变电路的应用日益广泛，但整流电路仍占重要地位。随着自关断器件的普遍应用，电力电子电路向高频化反向发展，一些新的电路拓扑形式比如谐振型逆变电路、矩阵式逆变电路等不断涌现。PWM控制对推动电力电子技术的发展起了历史性作用，其它控制方式比如应用静止/旋转坐标变换的矢量控制、瞬时无功功率控制、自适应控制、采用状态观测器的控制、模糊控制、神经元控制等，这使得电力电子系统的控制技术发展到一个崭新的阶段。目前应用越来越广的基于微处理器的数字控制技术在很多方面取代了模拟控制，是控制技术的一个新的发展方向。
二、静止无功补偿装置
静止型动态无功补偿装置广泛应用于提高输电系统的稳定性、改善电能质量、对冲击性负荷的无功补偿和闪变抑制等领域。FACTS技术（灵活交流输电系统）从根本上改变了交流电网过去基本上只依靠缓慢、间接以及不精确设备进行机械控制的局面，对提高输电系统的输送功率和潮流控制能力以及改善电力系统稳定性、控制系统振荡等具有明显作用。常见的F A C T S装置包括静止无功补偿器（S V C）、静止同步补偿器（STATCOM）、可控串联补偿器（TCSC）、晶闸管控制移相器（TCPST）、统一潮流控制器（UPFC）、动态电压调节器（DVR）、超导储能系统（SMES）、不间断电源（UPS）、统一电能质量控制器（UPQC）等。无功功率补偿可提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，稳定受电端和电网的电压，提高供电质量，在电气化铁道中平衡三相的有功及无功负载。静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、可控串联补偿装置（TCSC）等。SVC可作为系统补偿和负荷补偿，还广泛应用于高压直流输电换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成的电压闪变和电压波动。
TCR的单相基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，通过改变晶闸管的触发延迟角，可以改变电抗器电流的大小，即可以达到连续调整电抗器的基波无功功率的目的。TCR通常采用支路控制三角形联结三相交流调压电路的形式。
TSC具有无机磨损、响应速度快、平滑投切以及良好的综合补偿效果等优点。静止同步补偿器专指由自换相的电力半导体桥式变流器进行动态无功补偿的装置，与SVC相比，其调节速度更快，运行范围宽，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。其基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。可控串联补偿装置（TCSC）由电容器与晶闸管控制的电抗器并联组成。调节晶闸管的导通角可以改变通过电抗器的电流，使补偿装置的基频等效电抗在一定范围内联系变化。其不仅可以进行参数补偿，控制系统还引入附加阻尼控制环节，改善系统的阻尼状况，有利于抑制低频振荡，提高系统的静态稳定性和暂态稳定性。
三、高压直流输电技术
高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过换流器整流为直流电，通过输电线路把直流电送入受电端，再把直流电逆变为交流电供用户使用。高压直流输电具有传输功率大、线路造价低、控制性能好等优点，是目前解决高电压大容量、长距离输电和异步联网的重要手段。直流输电架空线路的造价低、损耗小，不存在交流输电的稳定性问题，可以实现额定频率不同的电网的互联，易于实现地下或海底电缆输电，易于进行潮流控制，便于分级分期建设和增容扩建。
直流输电工程按照直流联络线可分为单级联络线、双极联络线、同极联络线和背靠背直流输电系统。换流器完成交—直或直—交转换，由阀桥和带载抽头切换器的整流变压器构成，阀桥为高压阀构成的6脉波或12脉波的整流器或逆变器。滤波器用于滤除换流器产生的谐波。平波电抗器可以降低直流线路中的谐波电压和电流，限制直流线路短路期间的峰值电流，防止逆变器换相失败和负荷电流不连续。换流阀是换流器的基本单元设备，目前绝大多数直流输电采用晶闸管阀，此外还有GTO阀、IGBT阀等。换流器有6脉动和12脉动两种。 四、在电机中的应用
水力发电机所能发出的电量取决于水力压力和流量，所以机组的发电量将会发生很大变化；风力发电机所能发出的电量与风速的三次方成正比。因此机组是变速运行的，如果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，就能够获得最大有效功率。电力电子装置在水力、风力发电机的变速恒频励磁中起到了非常重要的作用。采用半导体晶闸管整流和并励性能构成的静止励磁系统，具有技术结构简易、稳定性高及材料价格低廉的优势，在电力系统中已广泛应用。其省略了励磁机的中间惯性环节，可达到快速调节。
五、有源电力滤波器
有源电力滤波器的基本思想是从补偿对象中检测出谐波电流等分量，由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的补偿电流分量，抵消谐波电流分量从而是流入电网的电流只含基波分量，其理论基础是瞬时无功功率理论。具有动态响应速度快、补偿功能多样化、补偿特性不受电网阻抗影响等特点，是抑制谐波的一个重要发展方向。有源电力滤波器包含指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个部分，前者用来检测出补偿对象中的谐波和无功电流等分量，后者根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。其电路形式主要采用PWM变流器。
六、结束语
电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，以电力变换为主要研究内容。对电能进行变换和控制的目的是为了更方便、更为有效的使用电能，使电能更好的为人们服务。随着电网的发展，电力电子技术也将获得长足的发展，从而为电网长远发展打下基础。
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