电力电子技术在高压领域应用概况

电力电子技术在高压领域应用概况(一)
电力电子技术在电力传输系统及在高压电器中的应用已十分广泛，已经显示出它越来越重要的作用。

这里所说的“高压”应在6KV以上。

主要应用领域为：
1、高压交、直流输电;
2、静止型动态无功补偿装置SVC;
3、高压电机软启动;
4、高压直流电源及高压变频;
一、高压交、直流输电
现代电子技术、控制技术、计算机技术等与传统电力技术的融合产生了发展前景广阔的电力电子技术。

电力电子技术在高压直流输电(HVDC)、静止无功补偿器(SVC)等领域已有广泛的应用。

八十年代后期，为了充分利用已有的输电设备、有效地控制系统潮流分布、提高对电力系统稳定性的控制能力，提出了…灵活交流输电技术(FACTS)‟并得到了很快发展，FACTS装置的目的都是通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无功潮流等的平滑控制，从而在不影响系统稳定性的前提下，提高系统传输功率能力，改善电压质量，达到最大可用性、最小损耗、最小环境压力、最小投资和最短的建设周期的目标。

可控串补(TCSC)、新型无功发生器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)等工业样机相继投运。

九十年代中期，为解决日益突出的电能质量问题，国外又提出了…定制电力(Custom Power)‟技术，即把电力电子技术用在配电领域。

属于这类技术的新型电力设备，如配电用新型静止无功补偿器(DSTATCOM)、动态电压恢复器(DVR)、静止开关(SSB)等也相继投运。

我国对电力电子技术的研究经过40多年的努力，特别是近十多年的迅速发展，在部分领域已经初步形成了分析研究、试验仿真、设备制造、系统集成的能力，但整体技术与国际先进水平相比还有较大的差距。

我国电网现状迫切需要上述各项技术，因为：
⑴我国电网面临的主要问题应该是大幅度提高电网的大容量、远距离输电能
力。

其次，要增强电网的安全可靠性以及改善电能质量;再次，经济性和环境问题。

然而，当前要实现大规模输电面临诸多技术困难;大区电网强互联的格局尚未形成;电网建设滞后，瓶颈增多，威胁电网安全;取得线路走廊和变电站站址日益困难。

这些已成为当前亟待解决的关键问题。

⑵电压稳定问题日益突出。

以京沪穗电网为例，我国大型负荷中心存在的主
要问题是：电厂少，使得动态无功支撑日益不足;恒定功率负荷递增，不利于电压的恢复，从而引起电压稳定问题。

⑶全国电网联网后，形成总装机容量超过1.4亿千瓦，南北距离超过4600
公里的超大规模同步的交流系统。

目前，整个互联电网的稳定问题比较突出。

联网后局部故障(事故)影响范围扩大，将可能波及邻近电网，在某些情况下可能诱发恶性连锁反应。

可能造成整个电网动态品质的恶化。

增加了电网运行安全控制的复杂程度。

先进电力电子技术是将大功率电力电子开关器件的制造技术、现代控制技术和传统电网技术实现了有机的融合，已经成为超高压直流输电、灵活交流输电、大容量抽水蓄能电站、短路电流限制、节能降耗等现代电网技术和装备的核心。

它主要包括直流输电(HVDC)技术、柔性(灵活)交流输电(FACTS)和定制电力技术(Custom Power)。

可以预计，这几项技术的发展将会导致电力系统发生革命性的变化，大幅度提高输电线路的输送能力和电力系统的安全稳定水平，大大提高系统的可靠性、运行灵活性。

1、高压直流输电(HVDC)技术
高压直流输电的应用场合归纳以下两大类：
⑴在不同频率的联网、因稳定问题而难以采用交流、远距离电缆输电等，这些技术上交流输电难以实现而只能采用直流输电的场合。

⑵在技术上两种输电方式均能实现，但直流比交流的技术经济性能好。

自1954 年瑞典哥特兰的世界上第一项高压直流输电工程投运以来,高压直流输电技术已随着电力电子技术的突飞猛进而飞速发展, 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。

已作为高压交流输电技术的有力补充而在全世界广泛应用。

我国幅员辽阔,西电东送、南北互供的电网发展战略
目前全世界众多直流输电工程中具有代表性的工程有：
• 巴西伊泰普直流输电工程( Itaipu HVDC transmission project)，世界上已建成投运的输电电压最高(±750kV)、输送功率最大(6000MW)的直流输电工程。

• 魁北克—新英格兰直流输电工程(Quebec—New England HVDC transmission project)，世界上最大的多端(5个换流站)直流输电工程。

我国的直流输电工程发展迅速，已投入运行的大型工程有：
• 葛洲坝—上海直流输电工程(1990 年)±500kV，1200MW，1064km。

它既是我国第1 条长距离大容量高压直流输电线路,又是区域电网直流互联工程。

中国电力从此进入交直流混合输电的时代。

• 三峡—常州直流输电工程第1 条从三峡左岸至江苏常州, ±500kV，
3000MW，890km，第2 条从三峡右岸至上海地区,额定容量3 GW ,额定电压
±500 kV ,送电距离1 000 km。

• 三峡—广州直流输电工程(2004 年)±500kV，3000MW，962km
直流输电已是成熟技术，造价较高是其与交流输电竞争的不利因素。

新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术。

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，可关断的器件组成换流器，由于采用可关断的电力电子器件，可以免除换相失败，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)的供电。

轻型直流输电系统(Light HVDC)应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。

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。

2 、柔性(灵活)交流输电(FACTS)技术
随着电力电子元件单件容量向大功率及高电压的迅速发展,出现了一类为适
应电力系统向远距离、大容量送电,需要对其参数实施快速控制的设备—柔性交
流传输设备(Flexible ACT ran smission Systems , 简称为FACTS) , 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，对交流输电系统的实施灵活快速调节的输电技术。

它是利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电压、阻抗、相位、有功潮流、无功潮流等的平滑控制。

在不影响系统稳定性的前提下，提高系统传输功率能力、增大送电容量，改善电压质量，达到最大可用性、最小损耗的目标。

FACTS提高了交流电网运行可控性，增强其抗御事故的能力。

FACTS技术经历了三个发展阶段，第一代FACTS技术，如可控串补(TCSC)、静止无功补偿器(SVC)等是基于自换相的半控器件(如晶闸管)的FACTS装置，
第二代、第三代FACTS装置都是基于可关断器件GTO、IGBT、IGCT等组成
的变流器，包括静止无功发生器(STATCOM)、静止同步串联补偿器(SSSC)、统一潮流控制器(UPFC)和相间功率控制器(IPFC)等。

据日本研究, 对于跨距150 km 的输电系统, 热容量极限为6 600 MW , 常
规送电额定容量为3 700MW , 装设FACTS 设备后, 不仅提高了系统的稳定性
及可靠性, 而且可使送电容量增加到4 500MW。

与新建线路相比, FACTS 设备投资及安装费用少, 还有利于环境保护。

新研制成功并应用于纽约电力系统中的转换静止补偿器(CSC)，证明FACTS功能已从“单个输电的控制器间接作用于全电网”的阶段，进入了“直接控
制多回输电更有效地作用于全电网”阶段。

如果在三峡升压变电站和出线上安装大功率CSC，可瞬时控制向多个方向输送的功率，从而快速控制大电网。

FACTS 装置在未来输配电系统中抗拒大事故发生及其连锁发展中具有更有效的作用。

尽管柔性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。

主要原因之一是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;另外，FACTS技术还需要进一步完善。

目前FACTS技术的应用还局限于个别工程，如果大规模应用FACTS装置，还要解决一些全局性的技术问题，例如：多个FACTS装置控制系统的协调配合问题，FACTS装置与已有的常规控制、继电保护的衔接问题，FACTS控制纳入现有的电网调度控制系统问题等等。

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，在不久的将来会比常规的输配电方案更具竞争力。

3、定制电力(Custom Power)技术
定制电力是指将电力电子装置或称静态控制器，用于1kV到35kV的配电系统，以向对电能质量敏感的用户所提供的电力达到用户所需可靠性水平和电能质量水平。

定制电力设备(或称控制器)采用先进的大功率可关断电力电子器件(如IGBT、IGCT、IEGT等)和数字信号处理器(DSP)测控技术，来实现对供电电压的动态调节和补偿。

定制电力技术(CP，Custom Power)主要用于配电系统故又称为配电灵活交流输电(DFACTS)技术。

定制电力技术所要解决的问题主要是电网中普遍存在的“电压跌落”。

电能质量调查显示：在所有配电系统事故中，电压跌落占70%-80%;而在输电系统事故中，电压跌落所占的比例超过96%。

定制电力技术所解决的电能质量问题主要源于电力系统故障，其受影响的用户往往对电能质量和供电可靠性较一般用户有更高的要求。

一次电能质量事故将导致严重的经济损失或重大的社会影响。

目前在欧美各国对电压跌落的关注程度比其它有关电能质量问题的关注程度要大得多，在我国，随着社会经济的发展，电压跌落和短时断电的影响也逐渐引起了供电公司、用户及制造厂商的关注，特别是在一些高科技园区、大型医院、电信、银行、军工和重要的政府部门等。

自二十世纪八十年代末，国外便开始了定制电力技术措施的专题研究，并陆续地推出了相应的固态切换开关(STS)、静态电压调整器(SVR)、静态串联补偿器(SSC)、配电无功发生器(DSTATCOM)等产品化装置，并进行能量储存技术、静态电压调整技术、故障电流限制器、有源滤波及统一电能质量调节器(UPQC)等技术的研发和工程示范。

这些技术的应用电压等级均为6&O1566;35kV。

其中，STS的最大短路电流达25kA，响应时间小于1个周波，最大容量达6.9MVA;SSC
的响应时间小于1/4周波，最大容量达10MVA，采用电容器或超导储
能;DSTATCOM的响应时间小于1/4周波，最大容量达20MVA，采用电容储能。

其中应用晶闸管阀体为主要部件的串联补偿(SSC)主要针对源自配电系统
的电压骤降和突升。

编后语
本文未就对“高压直流电源及高压变频”进行讨论。

因高压直流电源范围很宽、原理各异，拟另文讨论。

高压变频器就目前来看属低压变频器输出串联，为另一设计思路。

应该说明本文是汇集了若干相关报道文章精华，重新编写的摘要汇编，以便需要者能“一目了然”，了解概貌。

在此顺向原报道者致谢!
电力电子技术在高压领域应用概况(二)
一、静止型动态无功补偿装置SVC
1，当前电网存在的问题
随着现代电力电子设备和非线性负荷的大量应用,使电网供电质量受到严重
影响,尤其是各种电力电子开关器件的大量应用和负载的频繁波动是最主要的干
扰源,对电网的稳定造成一系列不良影响:
⑴功率因数低，增加电网损耗，降低效率，降低输电系统的稳定性;
⑵产生的无功冲击引起电网电压降低，电压波动及闪变，甚至电压崩溃。

严
重时导致传动
装置及保护装置无法正常工作甚至停产;
⑶导致电网三相不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动;
⑷电容器组谐振及谐波电流放大，使电容过负荷或过电压，甚至烧毁;
⑸增加变压器损耗，引起变压器发热;
⑹导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏;
⑺加速电力设备绝缘老化，易击穿;
2，静止型动态无功补偿装置SVC结构与功能
针对上述问题，世界各国目前普遍采用TCR型静止型动态无功补偿装置SVC，用以消除无功冲击，滤除高次谐波，平衡三相电网。

SVC(Static Var Compensator)由晶闸管控制电抗器(TCR)和无源滤波器(FC)构成，是一种并联连接于电网当中，根据负荷的工作状态快速、自动调节系统无功功率的补偿装置。

主要功能是提高输电线路供电稳定性，抑制电压波动、闪变，滤除高次谐波，改善功率因数、改善三相不平衡。

如图1所示，无源滤波器FC装置和TCR装置并联接入电力系统中。

FC滤波器组主要由电力电容器、串联电抗器、放电线圈、避雷器、刀闸、电流互感器、断路器等主要一次元件组成。

根据不同的负载情况设计成若干条LC滤波器。

其中串联电抗器与电容器串联谐振于特定谐波频率，对特定谐波呈现低阻，实现谐波滤除功能。

同时，对50Hz工频呈现容性，在SVC系统中提供容性无功。

TCR 支路主要由相控电抗器、穿墙套管、避雷器、晶闸管阀组、刀闸、断路器、线电流互感器、相电流互感器等主要一次元件组成。

TCR采用三角形接线，其中每相电抗器分裂成两个，分别位于阀组两侧，可减小相控电抗器短路时的短路电流。

晶闸管阀组可受控改变流过相控电抗器的电流，实现调节TCR电流的作用。

晶闸管阀组作为TCR的核心部件，其快速开断能力是实现快速动态调节无功的基础。

在所有一次设备中，其结构也最为复杂，是TCR核心技术之一。

晶闸管阀组由晶闸管元件、晶闸管电子板等组成。

晶闸管电子板也被称为TE板，实现电光电触发方式。

SVC控制系统与阀组的联结采用光纤方式，可有效隔离高低电位，减少阀组对控制系统产生的传导性干扰。

TCR装置跟随负载的变化快速调整与相控电抗器连接的晶闸管导通角，通过改变晶闸管导通角的大小使相控电抗器输出大小可调的感性无功功率，来维持或控制功率因数为1或其它设定值。

控制原理公式表述如下：
负载所需的无功功率+TCR提供的无功功率—FC提供的无功功率=0(设定
常数)。

二、高压大功率静止无功发生器SVG
作为无功补偿领域的另一重要分支，SVG是当前世界上最先进也是最复杂的补偿技术产品，在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面具有更加优越的性能。

由于区域电网的容量越来越大，这就要求补偿装置的容量也相应增大。

在几百MVA 级的无功补偿系统中，常用的方案是将SVG与SVC相结合，充分发挥SVG的快速特性和SVC的稳态性能，使系统在补偿特性、造价、可靠性等方面达到最优。

1，SVG (STATC OM)原理
SVG是当今无功补偿领域最新技术的代表。

SVG并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，
自动补偿系统所需无功功率。

由于SVG的响应速度极快，所以又称为静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, 简称STATCOM)。

SVG的基本原理(见图2)是利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成
自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

2，SVG的功能
目前最理想的方案就是采用SVG，用以提高电网稳定性，增加输电能力，
消除无功冲击，滤除谐波，平衡三相电网。

⑴提高线路输电稳定性
在长距离输电线路上安装SVG装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功损耗，抬高线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下提供及时的无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。

⑵维持受电端电压，加强系统电压稳定性
对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的稳定事故。

而SVG具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。

⑶补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗
电力系统中的大量负荷，如异步电动机、电弧炉、轧机以及大容量的整流设备等，在运行中需要大量的无功;同时，输配电网络中的变压器、线路阻抗等也
会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。

对电力系统而言，负荷的低功率因数会增加供电线路的能量损耗和电压降落，降低了电压质量。

同时，无功也会导致发电、输电、供电设备的利用率降低;对
于电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，加大生产成本。

⑷抑制电压波动和闪变
电压波动和闪变主要是负荷的急剧变化引起的。

负荷的急剧变化会导致负荷电流产生对应的剧烈波动，剧烈波动的电流使系统电压损耗快速变化，从而引起受电端电网电压闪变。

引起电压闪变的典型负荷有电弧炉、轧钢机、电力机车等。

SVG能够快速地提供变化的无功电流，以补偿负荷变化引起的电压波动和
闪变现象。

目前，抑制电压波动和闪变的最佳方案是采用SVG。

⑸抑制三相不平衡
配电网中存在着大量的三相不平衡负载，典型的如电力机车牵引负荷和交流电弧炉等。

同时，线路、变压器等输配电设备三相阻抗的不平衡也会导致电压不平衡问题的产生。

SVG能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。

⑹面向电网应用多种补偿功能
抑制系统振荡，提高电网稳定性，为电网安全保驾护航。

由于区域电网的容量越来越大，这就要求补偿装置的容量也相应增大。

在几百MVA级的无功补偿系统中，常用的方案是将SVG与SVC相结合，充分发挥SVG的快速特性和SVC的稳态性能，使系统在补偿特性、造价、可靠性等方面达到最优。

3，SVG-优势
SVG是目前最为先进的无功补偿技术，基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。

它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：
⑴响应速度更快
SVG响应时间：≤5ms。

传统静补装置响应时间：≥10ms。

SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。

⑵电压闪变抑制能力更强
SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高。

SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。

而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。

⑶运行范围更宽
SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。

更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。

⑷补偿功能多样化
SVG不仅具有快速补偿系统无功功率的目的，还能够根据用户实际需要，
对负荷谐波电流、负序电流等电能质量问题进行综合补偿。

⑸谐波含量极低
SVG采用了PWM技术、三电平技术和多重化技术，不仅自身产生的谐波
含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。

⑹占地面积小
由于无需高压大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常
只有相同容量SVC的50%。

编后语
本文未就对“高压直流电源及高压变频”进行讨论。

因高压直流电源范围很宽、原理各异，拟另文讨论。

高压变频器就目前来看属低压变频器输出串联，为另一设计思路。

应该说明本文是汇集了若干相关报道文章精华，重新编写的摘要汇编，以便需要者能“一目了然”，了解概貌。

在此顺向原报道者致谢!
电力电子技术在高压领域应用概况(三)
四、高压电机软起动
1，中、高压(6～10 kV)电机常用的起动方法
交流电动机是在各种领域中应用最为广泛的电动机，为解决交流电动机在起动过程中对电网、机械的冲击，人们采取过很多办法，传统的有串电阻起动、串电抗器起动、星—角转换起动、自耦降压起动、变频起动等。

用晶闸管控制的电机软起动装置是利用晶闸管反并联、调节晶闸管的导通角达到交流调压的目的，为解决在空载和轻载时交流异步电动机功率因数过低的问题，此技术得到了应用。

后来又引入电流反馈技术，使该项控制水平大幅度提高，得到广泛的采用。

2，电机软起动的好处
⑴可减小对电网的冲击，可降低变压器的容量
普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的5～7倍。

当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降。

采用软起动后起动电流可降为额定电流的1.5～3倍，可大大降低电网电压的波动率。

⑵可减小对电机的伤害，延长电机寿命
电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，引起电机故障。

软起动时的电动力是其四分之一。

可见效果是非常明显的。

电动机直接全压起动时的大电流会使定转子绕组产生大量的焦耳热。

烧损绕组绝缘，降低电机寿命。

软起动可以大大降低发热量。

提高电机寿命。

电机直接全压起动时，会产生操作过电压，在最不利的情况下过电压会达到额定电压的5倍，这对电机绝缘将造成极大的伤害。

⑶可减小对机械的伤害，延长机械寿命
软起动时电机缓慢加速，力矩逐步加大，有利于润滑油脂的充分到位，还免除了干磨现象。

这些都极大程度地减小了对电机的伤害，有利于提高机械设备的寿命。

3，晶闸管的耐压问题
在高压电机软启动中使用的晶闸管也因单只晶闸管耐压不够要串联运行，有如上述TCR中晶闸管阀组那样。

当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。

理想串联希望各器件承受电压相等，但实际上因器件特性之间的差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。

串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性的分散性，各器件所承受的电压是不等的。

承受的电压高的器件将首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，两个器件都失去控制作用。

同理，反向时，因伏安特性不同而不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。

这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。

为达到静态均压，首先应选择参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。

由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压称为动态不均压。

为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外，还可以用RC并联支路做动态均压。

对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发可以显著减少器件开通时间上的差异。

4，软起动装置性能的比较
目前国内外的中高压软起动产品主要有两种，一种为应用高压变频器软起动另一种应用可控硅做软起动，在此笔者简要的介绍一下两种装置的性能。

⑴高压变频器软起动
变频器装置主要是用在交流电机的调速上，具有明显的节能效果。

如果把变频装置用来做软起动，在整个起动过程中电机不会有过流现象，对起动转矩大的负载，具有很好的起动性能。

但对于起动转矩小的，这一优点则表现不出来。