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大功率电力电子技术的应用
摘
要：
阐述了电力电子技术在电力系统中的应用，介绍了灵活交流输电技术、定质电力技术、新型直流
输电技术以及同步开断技术的现状及前景。
关键词：
电力电子；灵活交流输电技术；定质电力技术；电子开关
电力电子技术作为一门新兴的高技术学科，
已被广泛地应用于高品质交直流电源、
电力
系统、
变频调速、
新能源发电及各种工业与民用电器等领域，
成为现代高科技领域的支撑技
术。当前电力电子技术的发展趋势是：高电压大容量化、
高频化、
主电路及保护控制电路模
块化、
产品小型化、
智能化和低成本化。
大力加强电力电子技术的应用研究，对改造传统设
备、
实现产品的更新换代和增加产品的科技含量、
解决关系国家经济与安全的高新技术具有
重大的经济意义及战略意义。
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，是近十年的事。
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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
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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
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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。
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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。
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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
4
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。
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