浅谈电力电子技术在电力系统中的应用与发展趋势李洪新胜利油田滨南采油厂山东省滨州市２５６６０６摘要，概述性地介绍电力电子技术在电力系统中的各类应用，重点在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用．以及电力电子技术的发展趋势。

关键词ｓ直流输电；电力电子；微电子；发电机；换流技术前言电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。

电力电子技术广泛应用于国民经济、人民生活和现代化军事装备等众多领域，是传统产业改造，高新技术发展和国防工业进步的重要支柱。

据估算，现代化国家所用电能的９０％以上都将利用电力电子技术进行各种处理，可大量节约电能和提高用电设备的性能。

发电和远距离输电的现代化技术更大量需要电力电子技术。

经过５０年的发展历程，它在传统产业设备发行、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。

最成功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电（ＨＶＤＣ）。

自２０世纪８０年代，柔性交流输电（ＦＡＣＴＳ）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。

本文介绍了电力电子技术在发电环节中、输电环节中、在配电环节中的应用和节能环节的运用，以及电力电子技术的发展趋势。

ｌ电力电子技术和微电子技术１９４７年晶体管发明之后，到５０年代末开始向两个方向发展。

一个是以１９５８年集成电路的诞生为标志的微电子技术，它面向处理，其特点是加工线条越来越细，集成度越来越高，功能越来越全。

目前生产水平典型线宽为０．５－０．６微米，典型产品为１６Ｍｂ的动态随机存储器（ＤＲＡＭ）和ＰｏｗｅｒＰＣ及Ｐｅｎｔｉｕｍ（奔腾）微处理器。

研制水平还远高于此。

微电子技术的发展带动了一系列高新技术的兴起，标志着第一次电子技术革命的开始，其应用几乎遍及所有领域。

１９５７年晶闸管的问世标志着电力电子技术的开端，它面向电力处理，其特点是功率越来越大，性能越来越高，派生器件越来越多。

到７０年代末期８０年代初为传统电力电子技术已经衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、不对称晶闸管、光控晶闸管等整个家族。

８０年代以来，微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上，又逐渐走向结合。

电力电子器件在工艺和结构上，大量采用微电子微细加工技术的工艺方法和加工设备，使传统电力电子器件的高电压、大电流、深注入技术与微细加工技术有机结合，统一在一块芯片上。

目前，典型电力电子器件的最细线条可达２－３微米。

从此产生现代电力电子技术，开始了第二次电子技术革命。

电力电子技术与微电子技术结合，首先出现了多种全控型器件。

它们的功能特点是实现了自关断，从而避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换流电路。

其结构特点是，一个器件由多个元胞并联，大面积集成。

例如，１０００Ａ的门极关断晶闸管（ＧＴＯ）含有近千个单元（ＧＴＯ）。

一个４０Ａ／ＩＯＯＶ的电力ＭＯＳ场效应管（ＶＤＭＯＳ），有３．５万个元胞并联，最小间距３微米，整个制造过程共ｉ００多道工序，全部利用微电子ＭＯＳ集成电路制造技术。

其中关键工艺为离子注入、细线光刻、外延、自对准双扩散、薄栅氧化、表面钝化及背面金属化等。

一个３００Ａ的静电感应晶闸管（ＳＩＴＨ）含有５万个元胞，而一个５０Ａ／５００Ｖ的ＭＯＳ控制晶闸管（ＭｃＴ）则含有１０万个元胞并联。

功率集成电路（ＰｏｗｅｒＩＣ，ＰＩＣ）是电力电子技术与微电子技术结合的另一种形式。

它将ＭＯＳ型功率器件与低压逻辑电路或模拟电路制作在一块芯片上。

这种器件一般包括ＭＯＳ型功率器件，电平转换电路、保护和驱动电路。

有人将它分成高压集成电路（ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＩＣ，ＨＶＩＣ）和智能功率集成电路（ＳｍａｒｔＰｏｗｅｒ，ＳＰＩＣ）。

前者为低输出电流（例如几百毫安）高输出电压（例如几百伏）的横向器件，目前典型水平为６００ｍＡ／５００Ｖ。

后者为输出电流多在几十安以下输出电流多在几百伏以下的纵向器件，目前水平为５Ａ／５５０Ｖ。

从总体上看，电力电子技术包括三个方面：电力电子器件，功率变换技术和自动控制技术。

任何电力电子装置均以电力电子器件为核心，应用集成电路，微处理器或微型计算机和自动控制技术（经典的、现代的和模糊控制）对电压、电流、频率、相数和相位进行变换，以实现功率处理。

从这个意义上理解，电力电子技术和微电子技术也是相辅相成，紧密结合的。

２电力电子技术的应用自２０世纪８０年代，柔性交流输电（ＦＡＣＴＳ）概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。

已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。

以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节，列举电力电子技术的应用研究和现状。

２．１在发电环节中的应用电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

２．１．１大型发电机的静止励磁控制静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。

由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

２．１．２水力、风力发电机的变速恒频励磁水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速变随之发生变化。

风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。

为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过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。

此项应用的技术核心是变频电源。

２．１．３发电厂风机水泵的变频调速发电厂的厂用电率平均为８％，风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的６５％，且运行效率低。

使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。

低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并不完整的系列产品，但具备高压大容量变频器设计和生产能力的企业不多，国内有不少院校和企业正抓紧联合开发。

２．２在输电环节中的应用电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。

２．２．１直流输电（ＨＶＤｃ）和轻型直流输电（ＨＶＤＣＬｉｇｈｔ）技术直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。

１９７０年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。

从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。

２．２．２柔性交流输电（ＦＡＣＴＳ）技术ＦＡＣＴＳ技术的概念问世于２０世纪８０年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。

２０世纪９０年代以来，国外在研究开发的基础上开始将ＦＡＣＴＳ技术用于实际电力系统工程。

其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。

４７２．３在配电环节中的应用配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。

电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。

电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力（ＣｕｓｔｏｍＰｏｗｅｒ）技术或称ＤＦＡＣＴＳ技术，是在ＦＡＣＴＳ各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。

可以将ＤＦＡＣＴＳ设备理解为ＦＡＣＴＳ设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。

由于潜在需求巨大，市场介入相对容易，开发投入和生产成本相对较低，随着电力电子器件价格的不断降低，可以预期ＤＦＡＣＴＳ设备产品将进入快速发展期。

２．４在节能环节的运用２．４．１变负荷电动机调速运行电动机本身挖掘节电潜力只是节电的一个方面，通过变负荷电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将二者结合起来，电动机节电方较为完善。

目前，交流调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。

首先是风机、泵类等变负荷机械中采用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的效果。

国外变负荷的风机、水泵大多采用了变频调速，我国正在推广应用中。

变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。

在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达３０％左右。

其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。

２．４．２减少无功损耗，提高功率因数在电气设备中，变压器和交流异步电动机等都属于感性负载，这些设备在运行时不仅消耗有功功率，而且还消耗无功功率。

因此，无功电源与有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。

在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低，设备破坏，，系统解裂，造成大面积停电事故。

所以，当电力网或电气设备无功容量不足时，应增装无功补偿设备，提高设备功率因数。

３电力电子技术的发展趋势９０年代以来，电力电子技术的发展方向，主要是大功率化、高频化、模块化和智能化。

３．Ｉ大功率化由于加工工艺的不断进步，各类电力电子器件的容量日益增大，表１列出电力电子器件最大电流电压水平，为了便于比较，表中同时列出国际和国内水平。

表ｌ电力电子器件最大电流／电压水平器件ＳＣＲＧＴＲＧＴＯＶＤＭＯＳ国际３５００Ａ／６５００Ｖ８００Ａ／１２００Ｖ１００００Ａ／８０００Ｖ２００Ａ／１５００Ｖ国内１６５０Ａ／４５００Ｖ２００Ａ／１２００Ｖ２５００Ａ／４５００Ｖ４Ａ／８５０Ｖ器件ＩＧＢＴＳＩＴＳＩＴＨＭＣＴ国际１０００Ａ／１８００Ｖ‘”２５０Ａ／２０００Ｖ‘１’２０００Ａ／４０００Ｖ‘１’１０００Ａ／２５００Ｖ‘‘’国内３０Ａ／１２００Ｖ‘‘’３０Ａ／８００Ｖ‘‘’ＩＯＯＡ／ＩＯＯＯＶ‘”ＩＯＡ／９００Ｖ‘”注（１）研制水平３．２高频化全控型器件正向高频化发展。

以几种典型器件为例，其最大开关频率（赫）分别为ＧＴＯ，ｌＯｋ；ＩＧＢＴ，５０ｋ：ＶＤＭＯＳ，２０Ｍ：ＳＩＴ，２００Ｍ，ＳＩＴＨ，ｌＯＯｋ。

高频化器件出现，将使变流装置中磁性元件的尺寸减小，重量减轻，有利于装置的小型轻量化。

３．３模块化模块就是把各种电力电子器件的芯片按一定的电路联成二单元、四单元或六单元，装在导热的绝缘衬底上，封装在一个外壳内而成，模块与同等容量的分立器件相比，具有体积小，使用简单，维修方便，重量轻，结构紧凑，可靠性高等优点，受到各国的普遍重视和大力开发，已被广泛应用。

３．４智能化前面已经提到，将功率器件和低压逻辑电路集成在一块芯片上，制成智能集成电路，它将信息处理与电力变换统一在一起，可使体积减小，重量减轻，可靠性提高，因而降低装置成本，是今后的重要发展方向。