电力电子技术应用

的损耗，同时，超导储能还具备响应快、随意控制有功和无功、并联方便等优点。

HVDC技术对于大容量远距离输电来说具有很强的经济性，并具备交流输电所没有的优越性。据统计，中国80％的石油、煤炭、天然气、水力能源集中在中西部地区，而80％的经济产值集中在东部及沿海地区，资源产出和资源消耗关系极端不平衡。因此，电力输送成了中国电力系统的一个关键问题之一。到2002年为止，220kV的输电线路达到18.8万公里。虽然，经过多年的改革及发展，我国的电网建设已经比较成熟，但是类似三峡这样

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一些大的发电站的建成并逐渐投产，我国的电网输电能力及输电安全性又面临着新的挑战，直流输电以它优越的特性在三峡向华东电网输电的任务中发挥了重大的角色。

目前，FACTS的发展水平还相对较低，虽然有许一些在高压、大容量方面的应用，但是大规模成熟的应用还是以低压、小容量的居多，而且有些产品的性能相对较低，有时候甚至本身就是一个谐波污染源。主要表现在以下几个方面：

（1）在现有器件耐压、耐流的水平下，大容量化难以实现

（2）控制技术，包括谐波含量的实时分析理论等需要进一步发展 （3）设备自身由于控制策略，器件的开关过程等等因素的影响，使得自身就对电网发出谐波污染。 2.3 应用电源系统

应用电源系统主要指的是直流电源、电焊机、脉冲电源、UPS电源、稳压电源等等，这些应用也是电力市场的主要用户之一。以电力系统操作电源为例，从最早的磁饱和式硅整流电源，到后来的可控硅整流，直至现在应用很广的开关式电源，应该说直流电源的发展也经历了几个时代。早期的电源，存在着体积和质量相对大、效率低、噪声大、可靠性能低等缺点。

随着电力电子技术的发展，开关电源技术也得到了发展。其高频化工作的特点带来了很多优点：隔离变压器小型化，开关噪声高频化（超越听觉范围），使得开关电源的体积、重量、噪声等大大减少。同时，软开关技术的发展，带有源滤波整流器的发展，N＋1冗余的设计思想，都使得应用电源的发展水平不断提升。

目前，开关电源的状况存在着五新（新器件、新材料、新技术、新

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理论、新软件）、五高（高频、高效、高功率密度、高功率因数、高可靠性）的特点，可以说是已经发展到了一个比较高的水平，但是在标准化、无污染化等等方面还有许多工作要做。其他的应用如直流焊机、脉冲电源等大致的发展情况也和直流电源类似。 2.4 分布电力能源

近年来，小水力、风力、太阳能等再生能源的开发应用越来越广泛。然而，要能够使这些功率小、分布散、电压等级多样的电站并网运行，那么基于电力电子技术的并网研究就显得十分重要。目前国内外已经有很多学者在从事这方面的工作，但是发展的水平还相对较低。 2.5 其他

此外，电力电子在其他方面的应用非常广泛，比如电力电子变压器、飞机驱动系统、汽车船舰驱动、变速发电机组、电子开关等等3 电力电子设备与电网的安全

从电力电子产品在电力系统中的应用，可以明显的看出，电力电子技术已经成为电力系统很重要的组成部分。然而，随着越来越多的电力电子产品投入到电力系统中工作，其危害性也日益暴露。但是，在对电网造成污染的同时，电力电子技术的发展本身又在对电网的污染进行着有效的治理。

电网的安全运行牵涉的学科范围比较宽，电网污染问题成了电网安全运行的主要危害之一。电网的污染主要来源于无功功率和谐波两个方面，无功的来源主要是非阻性负载的存在；谐波的来源主要分为两种： (1) 特征性谐波，这些谐波主要有三个来源：一是电源质量不高，发电机绕组、铁心的非正弦性；二是输电线路中变压器的饱和运行等运行状态带来的谐波；三是用电设备，如整流设备、变频装置、电弧炉、旋转电机等运行时带来的谐波。

(2) 非特征性谐波，这些谐波的主要来源是电力系统的不对称运行而引起的，电力系统的不对称运行一般有两个方面的原因：（一是系统的不对称，其中包含配电网上三相负荷不平衡造成三相系统不对称、大容量单相负荷的使用、输电线路不对称故障和非全相运行等因素；二是电力用户装置的不对称运行，包含电力电子装置开关器件和触发脉冲不对称、驱动电路参数有差异、功率开关器件参数及缓冲电路参数不同、布线不合理及信号干扰等）。

其中电力电子设备是电网谐波的主要来源之一。下面以一个典型实

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。

例来说明。在含整流电路的电力电子设备中，以三相整流为例，目前的整流方式主要有四种：一是三相不控整流，二是带抑制电感的三相不控整流，三是移相触发整流，四是带功率因素校正（PFC）的整流。带PFC整流在小功率设备中应用较多，在大功率的设备中以三相不控整流以及带抑制电感的三相不控整流为多（多脉头整

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流）。图1给出的是典型的三相不控整流的电流波形及其FFT频谱图（PSIM仿真），图2是带抑制电感六脉头整流的相电流波形及其FFT频谱图。

图1三相不控整流的的电流波形及其FFT频谱

图2 带抑制电感六脉头整流的的电流波形及其FFT频谱 由上图可见，两种情况下，电流中都具有较大幅值的谐波含量，这些谐波电流的存在，对电力系统来说是一个极大的危害,它会使得电机的损耗加大、引发共振等现象，降低输电线路的输电容量，使得交流断路器误动作，而且还会影响计算机、通信、电力测量、电力保护、医疗设备等等，甚至还影响人的脑电波和人体健康。

由此可见，电力电子设备对电网的危害是客观存在的。在认识这个问题的同时，也在利用电力电子技术解决着这样的问题，如上文说提到的FACTS就是用来解决电力电子设备本身带来的污染，同时还要解决电力系统本身的污染问题。 4 电力电子技术的发展前景

从上面的描述可以看出，电力电子技术的应用已经深入到电力系统中发电、输电和用电的各个方面。然而，随着应用领域及应用范围的扩大，反过来又对电力电子技术的发展提出更高的要求：

（1）标准化，根据情况，不断完善行业标准，并且在产品研制过程中贯彻执行相关的标准。

（2）大容量化，高压，大电流的产品的市场需求量比较大，而由于电力电子器件发展水平的限制，这方面的发展不尽如人意。

（3）高性能化，虽然电力电子技术的发展迅速，并且在许多领域都开始大规模的应用，但是在控制性能的改善上还需要作大量的研究。 （4）高可靠性，电力系统安全问题历来就是一个很值得重视的问题，如果电力电子设备本身就不可靠，那么在实际应用中可能会给电力系统的安全运行带来隐患。

（5）无污染化，电力电子设备对电网的污染已经成了公认的问题。目前，由于电力电子设备发展的落后性，很多设备产生的污染，需要别的设备去进行治理，属于被动型的，主动型（自身治理自身）的发展也成为了一个趋势。

（6）高效率、高度集成化，由于开关器件的损耗，使得设备的效率偏低，不仅造成能源的浪费，同时还使得设备需要很大的散热器以及足够的尺寸去解决热的问题。

（7）信息化，和现代的微机技术及通讯技术结合起来，使得设备网络化，真正满足高度自动化的要求。

（8）普及化，充分扩展电力电子技术潜在的应用范围，使该技术在电力系统中得以最大程度的应用。

中国? 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 547 5 结束语

综上所述，基于现代电力电子技术的电力电子设备已经成为传统的电力系统的补充和延伸。它的存在，虽然在一定程度上对电力系统造成了污染，但是它的发展必将解决其负面影响，使其成为电力系统的一个必备环节，去合理、高效的利用并再生电力能源。 参考文献

[1] 李发海, 陈汤铭，郑逢时，等. 电机学（第二版） [M]. 北京：科学出版社，1991.

[2] 郭群岭，张湘南，王强，等.不对称补偿控制的研究现状[J].华中电力 2000

[3] 赵遵廉. 中国电网的发展与展望[J]. 中国电力 2004

[4] 张建诚，陈志业，梁志瑞. 现代电力电子技术在电力系统中的应用[J].电力情报 1999 [5] 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京：电子工业出版社 1998

[6] 刘胜利，严仰光. 现代高频开关电源使用技术[M].北京：电子工业出版社2001

[7] 石新春，霍利民. 电力电子技术与谐波抑制[J].华北电力大学学报 2002

[8] 艾琳，陈为化. 高压直流输电线路保护的探讨[J].继电器 2004 [9] 龚大卫，俞敦耀. 三峡至常州±500kV高压直流输电工程简介

[J].2000

[10 ]D R Trainer,CR Whitley.Electric actuation-power quality management of aerospace flight control systems[J].Power electric Machines and Drives, 2002

[11] Xudong Huang,Xingyi Xu,Lizhi Zhu .ADSP based controller for high-power interleaved boost converters[J] Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2003.

[12] Naidu, M.; Walters, J.; A 4-kW 42-V induction-machine-based automotive power generation system with a diode bridge rectifier and a PWM inverter ,Industry Applications, IEEE Transactions on , 2003

[13] 杨晶琦，电力电子器件原理与设计[J]. 国防工业出版社 1999 [14] 吴理博，赵争鸣，刘建政. 用于太阳能照明系统的智能控制器[J]. 清华大学学报2003 [15] 韩英铎，王仲鸿，林孔兴，等. 电力系统中的三项前沿课题[J]. 清华大学学报 1997

作者简介：

庄荣（1970-），男，硕士，高工，主要从事电厂环保系统方面的研究

杨志（1974-），男，江苏射阳，工程师，硕士研究生，研究方向为电力电子与电机集成系统

赵争鸣（1959-），男，博士，教授，主要从事电力电子与电机集成系统的研究

刘建政（1961-），男，硕士，副教授，主要从事电力系统自动化领域的研究

胡炫（1979-），男，本科，工程师，主要从事电力电子与电电气传动的研究