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一、變流技術(shù)的概況

電力電子技術(shù)，又稱(chēng)功率電子技術(shù)，服務(wù)于以電力半導體器件及“變頻技術(shù)”為核心的電力電子行業(yè)，是20世紀后期誕生和發(fā)展起來(lái)的一門(mén)嶄新的技術(shù)，主要研究各種電力電子器件，以及這些電力電子器件所構成的各種各樣能高效地完成對電能的變換和控制的電路或裝置。作為一門(mén)新興學(xué)科，電力電子技術(shù)是以電力為研究對象的電子技術(shù)，它利用各種電力電子器件和控制技術(shù)對電能（包括電壓、電流、頻率和波形等）控制和變換。

(一)電力電子變流技術(shù)是電力電子技術(shù)的一個(gè)研究方向

其在可再生能源發(fā)電方面應用廣泛?？稍偕茉粗饕L(fēng)能、太陽(yáng)能、生物和地熱能等。各種能源由于其轉化為電能的方式不同，將其送入電網(wǎng)時(shí)必須要用變流技術(shù)按用戶(hù)的要求對其進(jìn)行調整和控制。大部分可再生能源產(chǎn)生的能量通常是不穩定的，在并網(wǎng)時(shí)都需要加以控制和調節，同時(shí)將盡可能多的有功能量送入電網(wǎng)，其中的能量變換、儲存、發(fā)電機控制和并網(wǎng)控制等過(guò)程都離不開(kāi)電力電子技術(shù)，特別是大功率變流技術(shù)。

（二）目前我國在電力電子變流技術(shù)研究和應用上仍待解決的問(wèn)題

（1）大功率變流器制造技術(shù)水平較低，裝置可靠性差；

（2）高性能大功率變流裝置之前幾乎全部依靠進(jìn)口，需要突破關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現國產(chǎn)化。

二、電力電子技術(shù)的應用 

電力電子變流技術(shù)共有四大塊，即整流電路（AC-DC）、逆變電路（DC-AC）、交流調壓電路（AC-AC）、斬波電路（DC-DC）。它們在電力系統的各個(gè)環(huán)節起著(zhù)舉足輕重的作用尤其是自20 世紀80 年代，柔性交流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統中的應用研究得到了極大的關(guān)注，多種設備相繼出現。已有不少文獻介紹和總結了相關(guān)設備的基本原理和應用現狀。以下介紹四大電路在電力系統中的作用。 

（一） 整流電路（AC-DC） 

整流電路是電力電子電路中出現在最早的一種，廣泛用于電能的 變換電路，其作用是將交流電變換成大小可以調節的直流電，為直流 用電設備供電，如電爐的溫度控制、直流電機的轉速控制、同步發(fā)電機的勵磁調節控制、電鍍及電解電源控制等。用于大型發(fā)電機的靜止

勵磁控制中，由于省去了勵磁機這個(gè)中間慣性環(huán)節，因而具有其特有的快速性調節，給先進(jìn)的控制規律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。用于輸電環(huán)節，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩定運行特性。 

隨著(zhù)大功率全控性電力電子期間的誕生和發(fā)展，整流電路通過(guò)多 相整流方式改變了輸出電壓的脈動(dòng)頻率，使得輸出電壓基本實(shí)現了無(wú) 脈動(dòng)。通過(guò)對控制角的調節和功率因數的補償環(huán)節，使得輸出電壓最 大可能的提供給負載，減少電能在轉換過(guò)程中的能量損失。 

（二）逆變電路（DC-AC） 

電力系統中的逆變通常指的是無(wú)源逆變，即將直流電轉換成負載 所需要的不同頻率和電壓值的交流電，通常稱(chēng)為逆變器。主要用于蓄 電池、干電池、太陽(yáng)能電池、交流電動(dòng)機調速、不間斷電源、感應加熱電源等。其核心部分都是逆變電路。逆變電路經(jīng)常和變頻的概念聯(lián)系在一起。

1．水力發(fā)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(shí)(尤其是抽水蓄能機組)，機組的最佳轉速亦隨之發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電的有效功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)車(chē)捕捉最大風(fēng)能的轉速隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可使機組變速運行，通過(guò)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(shù)核心是變頻電源。 

2. 發(fā)電廠(chǎng)風(fēng)機水泵的變頻調速

發(fā)電廠(chǎng)的廠(chǎng)用電率平均為8%，風(fēng)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(shí)施風(fēng)機水泵的變頻調速，可以達到節能的目的。低壓變頻器技術(shù)已非常成熟，國內外有眾多的生產(chǎn)廠(chǎng)家，并有完整的系列產(chǎn)品， 但具備高壓大容量變頻器設計和生產(chǎn)能力的企業(yè)不多，國內有不少院校和企業(yè)正抓緊聯(lián)合開(kāi)發(fā)。 

3. 太陽(yáng)能發(fā)電控制系統

開(kāi)發(fā)利用無(wú)窮盡的潔凈新能源——太陽(yáng)能，是調整未來(lái)能源結構的一項重要戰略措施。大功率太陽(yáng)能發(fā)電，無(wú)論是獨立系統還是并網(wǎng)系統，通常需要將太陽(yáng)能電池陣列發(fā)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(shí)施的陽(yáng)光計劃以3～4kW 的戶(hù)用并網(wǎng)發(fā)電系統為主，我國實(shí)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(mén)子太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)(7.2MW)等。 

交流調壓電路是指將一種形式的交流電轉換成另一種形式的交流電的電路，可以改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數等。交流調壓電路除了在電力系統的發(fā)電環(huán)節、輸電環(huán)節、配電環(huán)節中有桌廣泛的應用而外，在高壓電器中也起著(zhù)重要的作用。常規電磁式開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)負載電路時(shí)往往有電弧產(chǎn)生，觸頭已燒損，開(kāi)斷時(shí)間長(cháng)；在運行過(guò)程中有噪聲污染環(huán)境，機械壽命收到限制等等。由電力電子器件組成的交、直流開(kāi)關(guān)具有無(wú)觸頭、開(kāi)關(guān)速度快、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。交流調壓電路無(wú)需另加環(huán)流電路，所以電路簡(jiǎn)單，調整方便。但其含有較嚴重的諧波分量，不過(guò)對于加熱爐、電光源、小容量電動(dòng)機等慣性較大的負載，諧波對工作的影響較小。異步電動(dòng)機的軟起動(dòng)裝置也屬于交流調壓電路的一種應用，應當注意的是，軟起動(dòng)裝置不僅在電動(dòng)機起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)可以起電壓調節作用，在電動(dòng)機運行中也可以適當調節加于電動(dòng)機上的電壓，使電動(dòng)機上實(shí)際工作電壓得到優(yōu)化和保持。 

4. 斬波電路（DC-DC） 

斬波電路是將一種形式的直流電轉換成另一種形式直流電的電路，被廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源級直流電動(dòng)機的驅動(dòng)中。如不間斷電源、無(wú)軌電車(chē)、地鐵列車(chē)、蓄電池供電的機動(dòng)車(chē)輛的無(wú)級變速及電動(dòng)汽車(chē)的控制。它能使上述被控對象獲得加速平穩、快速相應的性能，并同時(shí)收到節約電能的效果。

由于變換去輸入是電網(wǎng)電壓經(jīng)不可控整流而來(lái)的直流電壓，所以直流斬波不僅能起到調壓的作用，同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流的作用 

三、電力電子技術(shù)在電力系統中的應用 

（一）發(fā)電環(huán)節中的應用

電力系統的發(fā)電環(huán)節涉及發(fā)電機組的多種設備，電力電子技術(shù)的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。傳統的發(fā)電方式是火力發(fā)電、水利發(fā)電以及后來(lái)興起的核能發(fā)電。能源危機后各種新能源、可再生能源及新型發(fā)電方式越來(lái)越受到重視。其中太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展較快，燃料電池更是備受關(guān)注。太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電能質(zhì)量較差，常需要儲能裝置緩沖，需要改善電能的質(zhì)量，這就血藥電力電子技術(shù)。當需要和電力系統聯(lián)網(wǎng)時(shí)，也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。 

為了合理地利用水利資源，近年來(lái)抽水儲能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動(dòng)機的起動(dòng)和調速都需要電力電子技術(shù)。超導儲能是未來(lái)的一種儲能方式，他需要強大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。 

核聚變反應堆在產(chǎn)生強大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。 

（二） 輸電環(huán)節中的應用

電力電子器件應用于高壓輸電系統被稱(chēng)為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩定運行特性。直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術(shù)。直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優(yōu)點(diǎn)，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。1970 年世界上第一項晶閘管換流器，標志著(zhù)電力電子技術(shù)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。 

直流輸電在長(cháng)距離、大容量時(shí)有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現的。  

（三） 配電環(huán)節中的應用

無(wú)功補償和諧波抑制對電力系統有重要意義。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）都是重要的無(wú)功補償裝置。近年來(lái)出現的靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補償的性能。在配電系統，電力電子裝置還可以用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量的控制，改善供電質(zhì)量。