电力系统中的电力电子技术应用
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摘要 电力电子器件已经广泛的应用在电力系统的各个方面，本文着重介绍了其中的几个方面，希望起到一种抛砖引玉的作用。
关键字 无功补偿 电能质量 高压直流输电 柔性交流输电
Key words reactive power pensationelectric energy qualityresonant waveHVDCFACTS
1 引言
电力电子技术对节能，减小环境污染，改善工作条件，节省原材料，降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。所以，电力电子技术无论对改造传统工业(电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对新建高技术产业(航天、激光、通信、机器人等)和高效利用能源均至关重要，已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，毫无疑问，它将成为新世纪的重要关键技术之一。
电力电子技术已广泛的应用在电力系统中，一般的应用有无功补偿、利用SPWM技术的有源滤波器、高电压直流输电、先进无功电源等。电力电子技术在电力系统中的应用主要在发电环节、输配电系统、储能系统等方面。本文将介绍其中的几个方面。
2 在无功补偿方面的应用
在电力系统中，为了补偿无功功率或者补偿长距离线路的对地电容，常用并联电容器或者并联电抗器方式。采用这些传统方式需要考虑系统参数匹配问题，以防止发生谐振、投入切除时产生涌流以及产生过电压问题。此外，采用传统的补偿方式由于设备一经投人，产生的无功功率就确定，不能根据系统的实际情况进行适时调整，达不到最佳补偿效果，且常出现支路多，占地大，操作复杂，维护工作量大，制造与使用成本高等缺点。随着电力电子技术的发展与应用，将电力电子技术与计算机控制技术相结合，可以根据系统对无功成份的需求产生相应的无功功率进行适时补偿。不仅可以克服传统无功补偿装置的缺点并取而代之，还可以将提供容性功率与感性功率方法合并为一，装置结构简单。
目前的发展趋势是采用门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等自关断器件构成的逆变器，通常称为静止无功功率发生器(SVG)或静止调相机（STAT）。它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。为了减小补偿电源中的谐波分量，可以采用现代电力电子技术中的脉宽调制控制方法。若控制方法得当，SVG 在补偿无功功率的同时还可以对系统中的谐波电流进行补偿。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此，直流侧只需要较小的电容器。此外，SVG装置所用铜和铁消耗较少，具有优良的补偿特性，是新一代电力电子无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。
3 在电能质量控制方面的应用
近几年随着我国城网改造的逐步深入，电力系统的改造项目预计将逐步从降低线损、安全供电、在线监测以及线路、输变电站、发电自动化方面等转向改善供电质量方面。由于电网中有许多非线性负载，以及系统中许多电磁、电子设备的非线性特性，使电网产生谐波电压和电流。改善电力系统的供电质量不仅可以提高系统的安全运行、降低损耗，也可以改善用电设备的工作条件，延长用电设备的使用寿命等。因而改善电力系统的供电质量将成为今后我国电力工业发展的一个重要内容。与传统的LC串联支路滤波方式相比较，电力有源滤波装置（APF）具有自动化程度高，投入或退出运行时对系统的影响小，滤波效果好、反应时间短、占地少、使用安装方便等优点，是今后电力滤波的发展方向，由于有源滤波装置具有提供纯净电源、消除谐波发生源并滤除系统中谐波成分等作用，因此它的应用领域十分广阔。
从近年来的研究和应用中可以看出，电力有源滤波装置具有如下发展趋势:
(1)通过采用PWM技术，可提高开关器件的等效开关频率，实现对高次谐波的有效补偿。当电力有源滤波器的容量小于2MVA时，通常采用IGBT及PWM技术进行谐波补偿。当容量大于5MVA时，通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿。
(2)当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用电力有源滤波器与LC无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小有源滤波器的容量，达到降低成本、提高效率的目的。其中，LC滤波器用来消除高次谐波，有源滤波器用来补偿低次谐波分量。
(3)从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降。同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串－并联电力有源滤波器由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。
(4)可通过单节点单装置的装设达到电网中多节点谐波电压综合治理，其中电力有源线路调节器(APLC, Active Power Line Conditioner)的出现，表明电力系统正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。
为适应对电力质量要求越来越高这一发展趋势，提出了定质电力〔Custom Power〕的新概念和新技术。定质电力技术是应用现代电力电子技术和控制技术实现电能质量控制，为用户提供用户特定要求的电力供应技术。其实质是将现代电力电子技术和配电自动化技术综合起来，实现对不同用户以不同电能质量供电的新一代柔性配电系统。采用电力电子新技术形成的各种高效控制元件是这种配电系统的重要组成部分，它可以对供电电压、频率、波形质量和供电可靠性进行监视和控制。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、电力电子器件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。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护电压恒定。另一关键设备是动态电压恢复器，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，通过动态电压恢复器均可以使负载上的电压保持动态恒定。
4．在高压直流输电（HVDC）方面的应用
自1954 年世界上第1 条高压直流输电(HVDC) 联络线投入商业运行以来, HVDC作为一项日趋成熟的技术得到了广泛应用。直流输电在技术方面有许多优点：(1) 不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联 (2) 限制短路电流 (3) 没有电容充电电流(4) 节省线路走廊等等。按照输电功能，HVDC可分为3大类，即:远距离直流输电、背靠背直流输电和直流电缆输电，主要应用于以长距离大容量输电为目的的大区电网互联。
我国互联电网的基本格局是以北、中、南三大片跨大区电网为主体，辅以南北多点联系而形成的。我国地域广阔，由东北电网的黑龙江北端，经吉林、辽宁，进入华北电网，再由京津唐、河北南网，至华中河南、湖北三峡、到重庆、四川的二滩，全长约5000km 左右。而东北电网经华北网到山东，再经华东电网的江苏、上海、浙江，到福建后石电厂，全长亦达5000km左右。而东北网经华北网、华中网、川渝网，进入南方电网广西(或广东)，再到云南的小湾等电站，其距离将达到6000km左右，如此大范围的500kV交流系统，运行是十分困难的。因此，北、中、南三大片电网之间原则上采用直流背靠背或常规直流隔开，以控制交流同步电网的规模。
高电压直流输电在我国已有葛洲坝－上海，天生桥－广州，三峡－常州等多个远距离高电压直流输电线路。对全国电网的稳定运行起到了控制联络线功率、限制故障水平、优化水火电运行和提高现有电网稳定水平等作用。
晶闸管用于高压直流输电已有很长的历史。近10 多年来，可关断的晶闸管(GTO) 、MOS 控制的晶闸管(MCT) 、绝缘门极双极性三极管( IGBT) 等大功率电子器件的开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将进一步改善新一代的直流输电性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价。
直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统(Light HVDC) ，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，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。此外，由于采用可关断的电力电子器件,可以免除换相失败的风险，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。我国的直流输电设备，目前与国外差距很大，但直流输电在我国电力工业中的应用已有一个良好的开端，随着直流输电工程的建设和大容量可控硅元件制造技术的引进，直流输电技术的进一步发展，经济性提高，直流输电在我国将有非常广阔的发展前景。
5 在柔性交流输电系统(FACTS)中的应用
柔性交流输电系统(flexible ac transmission system，FACTS)是指装有电力电子型或其他静止型控制器以加强系统可控性和增加功率传输能力的交流输电系统。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。
柔性交流输电技术是80年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。专家们预计在未来这项技术将在电力输送和分配方面将引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重要作用。
FACTS 技术的出现和应用的背景是:
(1) 发展电力市场的需要。
一些国家颁布法令规定用户可以发电并售电给电网，允许电力用户可自由选择供电者，某些地区甚至允许实行电力零售托送。发电厂和电力用户可以根据协议通过电网售受电力。电网作为电力市场的物质载体，即发电厂和电力用户间电力输送和分配的通道，需要满足对电力潮流灵活调节控制的要求，而常规的交流输电系统却很难适应这一变化。
(2) 发展互联电网的需要。
目前在我国已形成了紧密相连、多电压等级的复杂互联电网。由于电路定则使然，电网内部线路及联络线在运行中实际的潮流分布与这些线路的设计输送能力相差甚远；一部分线路已过载或接近稳定极限，而另一部分线路却被迫在远低于线路额定输送容量下运行。这就
提出了灵活调节线路潮流、突破瓶颈限制、增加输送能力，以充分利用现有电网资源的要求。发达国家由于环保的严格限制，新建输电线路十分困难，使得这一要求更为迫切。而在我国， 交流输电始终是用建设新输电线路的强化方法解决输电问题, 但对旧有输电能力却远未充分利用, 平均利用率一般在50% 以下；现有输电系统的电流基本上是自然流动, 而不是损耗最小的高效、经济的流动方式，为安全建立的环路愈多，可以挖掘的效率潜力愈大；安全稳定问题随着系统的互联扩大而愈显突出，如果电网薄弱环节的快速可控手段跟不上，一旦发生故障，后果更为严重。而FACTS 技术目前最能满足这类要求。随着未来对用电可靠性、环保和质量的要求日益增高，只有用大功率电力电子技术的FACTS 技术才能迎接这个挑战。
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。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS的发展提供了条件。采用IGBT等可关断器件组成的FACTS元件可以快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统地潮流分布。
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，但其推广应用的进展步伐比预期的要慢。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。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。
6．结束语
现代电力电子技术可以在电力系统的多个技术领域中得到重要应用。从电能变换和节能的角度出发，电力电子技术被誉为21 世纪的新电气技术。我国的能源利用率极低，迅速应用电力电子技术是当务之急。高性能的可关断器件是现代电力电子技术发展的基础，它们的出现改变了传统电力电子以低频方法处理电能变换的方式，使控制更为简单灵活。电力电子技术随着新型电力电子器件的不断产生和器件容量不断增大，在电力系统方面的应用前景会越来越好，在电力系统的技术进步上更可以起到特殊的作用。