电力电子技术的实际应用(读书笔记)

电力电子技术的实际应用

摘要

随着科技的飞速进步，时代的高速发展，电力电子技术作为一个新兴的学科诞生并被迅速应用于电力电子领域中，已在国民经济中发挥着巨大作用，已对输变电系统性能将产生巨大影响。目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能系统等等。电力电子技术是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，其发展在优化电能使用、改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业、扩大电网规模和功能等方面起到了重要作用。本文将重点介绍电力电子技术在电

理网络中的应用。

关键字：电力电子技术、输配电系统、晶闸管、电力网络。

在电气工程领域，电力电子技术作为一个新兴的学科，因其在电力领域中起到的巨大作用，越来越受到重视。随着晶闸管等电力器件的发明并被应用于电力领域，正式标志着电力电子技术被应用于电力系统，其在全球电力领域的发展中，有着里程碑的意义。

电力电子技术主要应用于电力领域中的电力系统中。电力系统由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。其功能就是产生电能，再经输电系统、变电系统和配电系统将电能供应到用户。为了实现此功能，电力电子技术的应用起到了举足轻重的作用。保证了用户能够获得安全、经济、优质的电能。

电力电子技术最初应用到电力领域的历史最早是在20世纪50年代利用不可控器件二极管构成的整流器来替代直流发电机对同步发电机进行励磁调节。随后出现的利用半控器件晶闸管构成的可控整流器更是为发电机的励磁提供里一个快捷有效的控制手段，从根本上改变了发电机的动态和静态性能，有效的改善了系统的稳定性。

在当前大范围使用的电力系统中，通常都是以固定的电压和频率来向用户提供交流电能的（例如我国使用220V、50Hz的交流电），但是最终的用户需要的电能可能形式会有着各式各样的差别，可能是不同频率的交流电、可能是同频率但电压不同的交流电也可能是直流电等等、如果这些要由普通的常规电力系统器件来完成，例如使用变频器，变压器和整流器等，这就需要大量的此类设备，且还要根据不同用户的要求而使用不同的器件，这是很不经济的，也不可能实现。而电力电气器件可以作为电力系统和用户之间的接口，通过受控的开关作用对系统输送到用户的电能进行不同的变换来满足用户不同的需求。故而自其问世以来，就被广泛的应用在电力领域的各个角落。

在电力领域中，实现常规电流变换的装置包括：整流器、逆变器、交流变换器和斩波器四种基本类型。整流器是利用电力电子器件的单向导电性和可控性将交流电能转换为可控的直流电能的变流装置；逆变器是将直流电能转换为交流电能的装置；交流变换器是把一种交流电能变换为另一种交流电能的装置；斩波器是把一种直流电脑变为另一种直流电能的装置。

在实际应用中，变流器往往是以上几种变流装置的组合。如今在电力系统中所用的变流器主要可分为两类：基于半空器件的相控型变流器和全控器件的电压源变流器。

1.相控型变流器

相控型变流器是采用包括晶闸管在内的半空型电力电子器件作为开关源的变流器。相控型变流器导通的前提是器件处于正向偏置，通过在门极施加可控的正向脉冲信号来控制；关断时是当器件在外界条件作用下，是的流经该器件的电流小于维持其导通时的最小电流而使其自行关断，故而这种变流器也被称为线路换流变流器。

传统的翔空是变流器常用语高压直流输电系统；在柔性交流输电系统中，相控型变流器主要用作交流开关，通过开关作用在负荷上产生一个基频分量的频率和电源频率相同，但幅值可调的交流电压。

电力电子技术应用于变流器中最初产生的设备就是以晶闸管控制的电抗器。其实际是一组电抗器，然而一堆与其相串联的，在电源电压的不同半周期轮流导通的反并联晶闸管则构成控制器。通过调节晶闸管的触发延迟角，交流变换器把输入端具有固定频率和幅值的交流电压变为具有相同频率但幅值可变的交流电。

2.自换流型变流器

尽管相控型变流器已经在电力系统中得到了广泛的应用，并取得了良好的效果，但是随着电力负荷的不断增大和输电距离的增加，在响应速度和电能质量上，相控型变流器渐渐的不能满足现代化电力系统的需求，从而，促进了电力电子技术的进一步发展，诞生了自换流型变流器，成为推动现代电力技校发展的重要支柱。

自换流型变流器根据其控制变量的不同，大体可分为乐意看做一个电压源的电压源型变流器和可以看做一个电流源的电流源型变流器。在变频调速系统中，其大量采用的逆变器就是一个典型的应用实例。

用于电力系统的变流器虽然结构上和常规逆变器相似，但是其直接和交流系统相连，为了能够使其稳定工作，其输出信号的基频必须与系统频率相同；同时外接交流电压既是其输入信号源，又是其控制对象，因此两者直接必须保持时刻同步。故而自换流型变流器又常被称为同步变流器。

电力电子技术最初应用到电力领域的历史最早是在20世纪50年代利用不可控器件二极管构成的整流器来替代直流发电机对同步发电机进行励磁调节。随后出现的利用半控器件晶闸管构成的可控整流器更是为发电机的励磁提供了一个快捷有效的控制手段，从根本上改变了发电机的动态和静态性能，有效的改善了系统的稳定性。

到了20世纪80年代，电力电子技术有了长足的发展，出现以GTO、IGBT和近年来出现的以IEGT、IGCT为代表的大功率可关断器件，为电力电子技术在电力领域中的应用开创了全新的时代。利用可关断器件构成的电压源/电流源型变流器经过适当的电抗器与交流系统相连，利用调节变流装置输出电压和系统电压之间的相位差来在变流装置和交流系统之间进行有功能量的转换，或通过调节变流器输出的电压的大小来对变流装置从系统吸收或向系统输出无功功率进行控制能技术得到了广泛的应用。基于以上技术以无功功率补偿和改善系统稳定性为目的的并联±80MV.A静止同步补偿器和以控制系统功率潮流和无功补偿双重目的的±160MV.A统一潮流控制器的诞生，标志着电力电子技术在电力领域的应用变得更加广泛。

随着科技的不断发展，推出了可转换式静止补偿器，其实根据需要利用耦合变压器对基本控制器进行不同的组合，使得装置具有最大的灵活性，从而对电力系统的控制真正达到了柔性的目的。在此基础上，人们提出了柔性交流输电系统的概念，即可以通过应用电子技术的最新发展成就及现代控制技术实现对交流输电系统参数，直至网络结构的灵活快速控制，以达到实现对有功和无功功率潮流控制来提高现有交流输电系统的功率传输能力。

柔性交流输电系统作为电力电子系统在电力领域中的一个实际应用实例，其在电力领域中的作用是巨大的，其为用户提供了可靠，高效，优质的电能。根据IEEE的定义，柔性交流输电系统（FACTS）就是装有电力电子或其他静止性控制器以加强可控性和增大电力输送能力的交流输电系统。由于决定交流输电系统输电能力的几个基本参数为电路阻抗、功率角和输出/输入端电压，所以柔性交流输电系统控制器是可以提供一个或多个控制交流系统参数的电力电子型或其他静止型设备的。