大功率电力电子技术的应用

电力电子技术已广泛应用于电力系统。大功率电子器件应用于灵活交流输电技术、定质电力技术、新型直流输电技术以及同步开断技术，则是近十年的事。 1　灵活交流输电技术（FACTS） 　　灵活的交流输电技术是八十年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。专家们预测未来这项技术将在电力输送和分配方面引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将发挥重要作用。 　　灵活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灵活连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了灵活交流输电这项新技术的发展和应用。近年来，灵活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。 　　尽管灵活交流输电技术已在多个输电工程中得到应用，并证明了它在提高线路输送能力、阻尼系统振荡、快速调节系统无功、提高系统稳定等方面的优 越性能，但其推广应用的步伐比预期的要慢。主要原因有：工程造价比常规的解决方案高。因此，只有在常规技术无法解决的情况下，用户才会求助于FACTS技术；FACTS技术还需要进一步完善。目前FACTS技术的应用还局限于个别工程，如果大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题。随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，可能会在不远的将来比常规的输配电方案更具竞争力。 　　FACTS技术也在不断改进，一些新的FACTS装置被开发出来，例如：可转换静止补偿器（CSC），它由多个同步电压源逆变器构成，可以同时控制二条以上线路潮流（有功、无功）、电压、阻抗和相角，并能实现线路之间功率转换。可转换静止补偿器具有下列功能：（1）静止同步补偿器的并联无功补偿功能；（2）静止同步串联补偿器的功能；（3）综合潮流控制器功能；（4）控制二条线路以上潮流的线间潮流控制功能；CSC被认为是第三代灵活交流输电装置。 　　电力电子器件的发展趋势是：一方面研制经济性能好的器件，以便降低设备造价；另一方面，研制开断功率更大的高性能器件。最近，国外公司宣布研制成功以碳化硅为基片的电力电子器件。基片的耐压和热容量可大幅度提高，而元件的损耗却大大降低，从而使元件的断开功率可望有数量级的飞跃。这预示用电子高压断路器取代机械的高压断路器（油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等）已成为现实的可能。如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代，则电力系统完全的灵活调节控制便将成为现实。 2　定质电力技术 　　定质电力技术是应用现代电力电子技术和控制技术，为实现电能质量控制、为用户提供其特定要求的电力供应技术。 　　现代工业的发展对提高供电的可靠性、改善电能质量提出了越来越高的要求。在现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化都有可能造成产品质量的下降，造成重大损失。 　　为保证优质不间断供电，重要用户往往自己采取措施，如安装不间断电源（UPS），但这并不是经济合理的解决办法。根本的出路在于供电部门能根据用户的需要，提供可靠和优质的电能供应。因而，便产生了以电力电子技术和现代控制技术为基础的定质电力技术。 　　为提高配电网无功调节的质量，已开发出用于配电网的静止无功发生器。它由储能电路、可关断的晶闸管（GTO）或绝缘门极双极性三极管（IGBT）变换电路和变压器组成。它的功能是快速调节电压，发生和吸收电网的无功功率，同时可以抑制电压闪变。这是“定质电力”的关键设备之一。此外，静止无功发生器和固态开关配合，可在电网发生故障的暂态过程中保持电压恒定。另一关键设备是动态电压恢复器（DVR），它由直流储能电路、变换器和级次串联在供电线路中的变压器构成。变换器根据检测到的线路电压波形情况，产生补偿电压，使合成的电压动态保持恒定。无论是短时的电压低落或过电压，通过DVR均可以使负载上的电压保持动态恒定。 3　新型直流输电技术 　　直流输电已是成熟技术。造价较高是其与交流送电竞争的不利因素。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统，它采用GTO、IGBT等可关断的器件组成换流器，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。 4　同步开断技术 　　同步开断是在电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。在理论上应用同步开断技术可完全避免电力系统的操作过电压。这样，由操作过电压决定的电力设备绝缘水平可大幅度降低，由于操作引起设备（包括断路器本身）的损坏也可大大减少。目前，高压开关都是属于机械开关，开断的时间长、分散性大，难以实现准确的定相开断。目前的同步开断设备是应用一套复杂的电子控制装置，实时测量各种影响开断时间分散性的参量变化，对开断时刻的提前量进行修正。即便采取了这种代价昂贵的措施，由于机械开关特性决定，还不能做到准确的定相开断，设计人员还不敢贸然降低电气设备的绝缘水平，以防同步开断失败造成设备损坏。因此，同步开断的优势没有发挥出来。 　　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。 5　未来全可控的电力系统 　　现在的电力系统由于还依赖高压机械开关（油断路器、六氟化硫断路器、真空开关等）实现线路、设备、负荷的投切，尚不能做到完全可控。这是因为机械的慢过程不可能很好地控制电的快过程。“电网控制”目前只能做到部分控制，本质上仍然是一个调度员的决策支持系统。如果电力系统的高压机械开关一旦被大功率的电子开关取代，则电力系统真正的灵活调节控制便将成为现实。 　　电力电子技术的快速发展引起了电力系统的重大变革，新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为二十一世纪的电力研究前沿。