摘要：大功率電力電子是智能電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)基礎，智能電網(wǎng)的大發(fā)展給大功率電力電子提供廣泛的市場(chǎng)機遇。本文介紹了柔性交流輸電技術(shù)、高壓直流輸電技術(shù)、高壓變頻技術(shù)、同步開(kāi)斷技術(shù)和用戶(hù)電力技術(shù)，分析了這些電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的重要性和發(fā)展前景。
電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換及控制的一種現代技術(shù)，節能效果可達10%-40%，可以減少機電設備的體積并能夠實(shí)現最佳工作效率。從價(jià)值鏈條分析，智能電網(wǎng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調度等環(huán)節組成的有機整體。作為智能電網(wǎng)建設的初衷，就是在保障電網(wǎng)安全穩定運行的前提下盡可能使清潔能源更多地上網(wǎng)，而智能調度則是解決這一問(wèn)題的起點(diǎn)；隨著(zhù)清潔能源的調度上網(wǎng)，清潔能源不穩定的特性威脅著(zhù)電網(wǎng)的安全，柔性交流輸電技術(shù)則在這一環(huán)節充當了保護電網(wǎng)安全運行的有效手段。目前，半導體功率元器件向高壓化、大容量化發(fā)展，電力電子產(chǎn)業(yè)出現了以SVC為代表的柔性交流輸電技術(shù)、以高壓直流輸電為代表的新型超高壓輸電技術(shù)、以高壓變頻為代表的電氣傳動(dòng)技術(shù)，以智能開(kāi)關(guān)為代表的同步開(kāi)斷技術(shù)，以及以靜止無(wú)功發(fā)生器、動(dòng)態(tài)電壓恢復器為代表的用戶(hù)電力技術(shù)等。
1 柔性交流輸電技術(shù)
柔性交流輸電技術(shù)是新能源、清潔能源的大規模接入電網(wǎng)系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。柔性交流輸電系統（FACTS）的英文表達為：Flexible AC Transmission Systems。是綜合電力電子技術(shù)、微處理和微電子技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)而形成的用于靈活快速控制交流輸電的新技術(shù)。上世紀八十年代中期，美國電力科學(xué)研究院（EPRI）N. G. Hingorani博士首次提出FACTS概念：應用大功率、高性能的電力電子元件制成可控的有功或無(wú)功電源以及電網(wǎng)的一次設備等，以實(shí)現對輸電系統的電壓、阻抗、相位角、功率、潮流等的靈活控制，將原基本不可控的電網(wǎng)變得可以全面控制。從而大大提高電力系統的高度靈活性和安全穩定性，使得現有輸電線(xiàn)路的輸送能力大大提高。
在電力電子裝置最早用于直流輸電系統中并實(shí)現了對輸送功率的快速控制，由此人們想在交流系統中加裝電力電子裝置，尋求對潮流的可控，以獲得最大的安全裕度和最小的輸電成本，FACTS技術(shù)應運而生，靜止無(wú)功補償器（SVC），靜止同步補償器（STATCOM）又稱(chēng)作ASVG，晶閘管投切串聯(lián)電容器（TCSC），靜止同步串聯(lián)補償器（Static Synchonous Series Compensator）統一潮流控制器（UPFC）就是基于FACTS裝置家族的成員。
由于中國智能電網(wǎng)以特高壓輸變電為基礎，且需要綜合考慮新能源的接入、分布式能源的隔離等技術(shù)，以電力電子為主要特征的柔性輸電系統需求增長(cháng)迅速。由于中國智能電網(wǎng)以特高壓輸變電為基礎，且需要綜合考慮新能源的接入、分布式能源的隔離等技術(shù)，以電力電子為主要特征的柔性輸電系統需求增長(cháng)迅速。將電力電子技術(shù)與現代控制技術(shù)相結合，通過(guò)對電力系統參數的連續調節控制，從而大幅降低輸電損耗、提高輸電線(xiàn)路輸送能力和保證電力系統穩定水平。
2 高壓直流輸電技術(shù)
在現代直流輸電系統中，只有輸電環(huán)節是直流電，發(fā)電系統和用電系統仍然是交流電。在輸電線(xiàn)路的送端，交流系統的交流電經(jīng)換流站內的換流變壓器送到整流器，將高壓交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笏腿胫绷鬏旊娋€(xiàn)路。直流電通過(guò)輸電線(xiàn)路送到受端換流站內的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟?，再?jīng)過(guò)換流變壓器將電能輸送到交流系統。在直流輸電系統中，通過(guò)控制換流器，可以使其工作于整流或逆變狀態(tài)。
高壓直流輸電技術(shù)對于遠距離輸電、高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。高壓直流輸電具有線(xiàn)路輸電能力強、損耗小、兩側交流系統不需同步運行、發(fā)生故障時(shí)對電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于長(cháng)距離點(diǎn)對點(diǎn)大功率輸電。而采用交流輸電系統便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是現代電力傳輸系統的發(fā)展趨勢。
輕型直流輸電系統采用GTO、IGBT等可關(guān)斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統供電，未來(lái)還可用于城市配電系統，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統更有助于解決清潔能源上網(wǎng)穩定性問(wèn)題。
我國高壓直流輸電技術(shù)在遠距離輸電中得到廣泛應用，今后我國還將在大水電基地和大煤電基地的超遠距離、大容量送出工程中繼續大力發(fā)展和建設特高壓直流輸電工程。特高壓輸電具有電壓等級高、輸送距離遠、輸送容量大、可實(shí)現非同步聯(lián)網(wǎng)等特點(diǎn)。資料顯示，±800千伏直流特高壓輸送電量每小時(shí)為620萬(wàn)至640萬(wàn)千瓦時(shí)。
3 高壓變頻技術(shù)
中國高壓變頻器市場(chǎng)規模增長(cháng)速度快，潛力大。高壓變頻技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是節電率一般可達30%左右，但缺點(diǎn)是成本高，并產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。榮信高壓變頻器目前是業(yè)內唯一生產(chǎn)四象限多電平交-直-交型高壓變頻產(chǎn)品的企業(yè)，集成了交一直一交多電平串聯(lián)疊加、矢量控制、四象限及IGBT模塊熱管散熱等多項目前世界領(lǐng)先的技術(shù)，以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢已成為煤礦、鐵礦、有色金屬等礦用提升系統調速的首選，對電網(wǎng)無(wú)諧波污染。我國高壓變頻器在工業(yè)領(lǐng)域主要應用于風(fēng)機、水泵的啟動(dòng)或變頻調速，起到改善電能、降低能耗的作用，特別是電機節能效果非常顯著(zhù)，是工業(yè)用戶(hù)實(shí)現節能減排的主要手段。
目前主要廠(chǎng)商，尤其是國內廠(chǎng)商都在不斷突破更高功率、能夠實(shí)現更多功能的新產(chǎn)品，同時(shí)著(zhù)力提高產(chǎn)品的穩定性，產(chǎn)品距離成熟尚有一定距離。國內企業(yè)從引進(jìn)模仿起步，通過(guò)自主研發(fā)，不斷實(shí)現具有知識產(chǎn)權的創(chuàng )新，一次又一次縮小與國外產(chǎn)品的科技差距。即使在經(jīng)濟衰退的2008年，高壓變頻器行業(yè)在技術(shù)領(lǐng)域也取得了諸多突破。2008年4月15日，合康億盛的大功率同步電機矢量控制高壓變頻器在山西臨汾水泥廠(chǎng)一次通過(guò)帶負載運行驗證，有效的解決了大功率同步電機的啟動(dòng)沖擊電流大和運行失步、調速范圍差等問(wèn)題，同時(shí)填補了該領(lǐng)域的國內空白。該產(chǎn)品還可以應用于礦井提升機、球磨機、鋼鐵廠(chǎng)的主軋鋼機、大型船舶驅動(dòng)、牽引電車(chē)等領(lǐng)域；2008年11月初，利德華福生產(chǎn)出10000kVA/10kV變頻器，并經(jīng)過(guò)多項嚴格測試，準備應用于山東某鋼廠(chǎng)的大型風(fēng)機；2008年12月23日，智光電氣也正式推出了已通過(guò)國家權威機構嚴格檢驗的10000kVA超大容量高壓變頻器。國內企業(yè)接連打破由少數國外企業(yè)壟斷的市場(chǎng)格局。
國內高壓變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)商多采用功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，由西門(mén)子羅賓康公司發(fā)明并申請專(zhuān)利，由于其專(zhuān)利申請僅在美國，在我國屬于公知技術(shù)。該技術(shù)特別適用于普通風(fēng)機、水泵的啟動(dòng)、調速，但在精確控制、高性能應用領(lǐng)域仍有許多的工作要做。其他一些結構形式的高壓變頻器也正在發(fā)展之中，如中壓三電平技術(shù)、混合結構技術(shù)等。它們具有結構緊湊、工藝密度高、四象限運行、控制靈活等優(yōu)勢，將是未來(lái)高壓變頻技術(shù)的發(fā)展方向，也是潛在市場(chǎng)的需求。但是目前高壓變頻器中采用的功率器件仍然只能依賴(lài)進(jìn)口，它是高壓變頻器發(fā)展中的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。
4 同步開(kāi)斷技術(shù)
同步開(kāi)斷(智能開(kāi)關(guān))技術(shù)是在電壓或電流的指定相位完成電路的斷開(kāi)或閉合。智能開(kāi)關(guān)，包括殼體、總電源開(kāi)關(guān)、多個(gè)分開(kāi)關(guān)，多個(gè)分開(kāi)關(guān)為整體結合式，一組進(jìn)線(xiàn)，分組出線(xiàn)?？傠娫撮_(kāi)關(guān)具有過(guò)壓、總過(guò)流保護功能，名分開(kāi)關(guān)具有過(guò)流、防觸漏電保護功能。電路部分包括電源、過(guò)壓保護電路、過(guò)流保護電路、觸漏電保護電路、故障記憶指示電路和執行電路。從低壓進(jìn)戶(hù)，過(guò)壓具有兩級保護，過(guò)流具有三級保護，觸漏電具有一級保護，充分保證了用電的安全性和可靠性，可有效地保護家用電器及用電儀器、設備不受損壞。
20世紀90年代以后，我國為了改變配電網(wǎng)絡(luò )的薄弱狀況，加快電力工業(yè)的發(fā)展,提高配電網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)化程度，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的基礎上加大了配電網(wǎng)的投資力度。高品質(zhì)、高性能的開(kāi)關(guān)設備也隨著(zhù)計算機技術(shù)、通信和數據存儲技術(shù)、信息傳感技術(shù)、微電子技術(shù)的應用和發(fā)展,趨向智能化。但目前高壓開(kāi)關(guān)大都是機械開(kāi)關(guān)，開(kāi)斷時(shí)間長(cháng)、分散性大，難以實(shí)現準確的定相開(kāi)斷。實(shí)現同步開(kāi)斷的根本出路在于用電子開(kāi)關(guān)取代機械開(kāi)關(guān)。
為了滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，各大電力設備的制造廠(chǎng)家運用先進(jìn)的智能配電技術(shù)，相繼推出了智能化的開(kāi)關(guān)柜以及相應的配電系統。智能化成套開(kāi)關(guān)設備使整個(gè)變電站的保護、控制、監控集中起來(lái)，同時(shí)也為變電站廣域監測和斷路系統奠定了基礎。近年來(lái)，隨著(zhù)配電自動(dòng)化技術(shù)研究及應用的不斷深入，智能開(kāi)關(guān)設備的應用不斷增多，線(xiàn)路故障監控技術(shù)水平及其產(chǎn)品功能質(zhì)量水平也不斷提高，但由于我國配電網(wǎng)結構的復雜性和多樣化，供電可靠性與發(fā)達國家相比仍然有較大的差距。
5 用戶(hù)電力技術(shù)
近年來(lái)，“用戶(hù)電力技術(shù)”(CUSTOM POWER TECHNOLOGY)的概念，是美國的N. G. Hingorani博士于1988年提出的概念：把大功率電力電子技術(shù)和配電自動(dòng)化技術(shù)綜合起來(lái)，以用戶(hù)對電力可靠性和電能質(zhì)量要求為依據，為用戶(hù)提供其特定要求的電力供應技術(shù)。
目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于配電網(wǎng)的電力電子裝置，例如固態(tài)高壓開(kāi)關(guān)(SOLID-STATE CIRCUIT BREAKER)。與常規的機械開(kāi)關(guān)相比，固態(tài)開(kāi)關(guān)能在一個(gè)工頻半波以?xún)韧瓿捎晒收瞎╇娋€(xiàn)路向健全的供電線(xiàn)路的切換。這是一般機械開(kāi)關(guān)無(wú)法比擬的。另一關(guān)鍵設備是動(dòng)態(tài)電壓恢復器(DYNAMIC VOLTAGE RESTORER)，它由直流儲能電路、變換器和級次串聯(lián)在供電張路中的變壓器構成。變換器的控制系統，根據檢測到的線(xiàn)路的電壓波形，產(chǎn)生補償電壓，使合成的電壓動(dòng)態(tài)休持恒定。無(wú)論是短時(shí)的電壓低落或過(guò)電壓，通過(guò)DVR均可以使負載上的電壓保持動(dòng)態(tài)恒定。
隨著(zhù)負荷的不斷增長(cháng)，而如何保證社會(huì )可持續發(fā)展的能源供應并使電力生產(chǎn)滿(mǎn)足越來(lái)越高的環(huán)保要求則是電力行業(yè)面臨的又一主要難題；同時(shí)，負荷的增長(cháng)還使系統短路電流不斷增加，故障限流保護問(wèn)題愈加突出。傳統機械式控制裝置因其響應速度慢、控制不精確，難以適應信息社會(huì )對電力供應的要求，而隨著(zhù)大功率電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶(hù)電力技術(shù)將為解決以上問(wèn)題提供新的手段。
Custom Power作為一種新型的電力技術(shù)和先進(jìn)的電力經(jīng)營(yíng)理念，將成為未來(lái)智能電網(wǎng)系統不可缺少的重要組成部分。隨著(zhù)高電壓、大功率電力電子器件的研制開(kāi)發(fā)和我國電力市場(chǎng)改革的不斷深入，Custom Power將有廣闊的發(fā)展和應用前景，也必將極大地推進(jìn)我國電力事業(yè)的發(fā)展。
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