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對電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的主要方面作了綜述，預(yù)測了我國電力系統(tǒng)中應(yīng)用電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，分析和介紹了用于治理電力電子設(shè)備諧波污染的有源電力濾波和有源功率因數(shù)校正器的基本原理、技術(shù)難點和發(fā)展方向。
1、引言
電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用涉及到提高輸電能力、改善電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、可靠性、控制的靈活性及降低損耗等重大問題。但電力電子技術(shù)在推動電力系統(tǒng)發(fā)展的同時，又成為電力系統(tǒng)中最主要的諧波源，并且電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙。它迫使電力電子領(lǐng)域研究人員對諧波問題進(jìn)行更為有效的研究,以治理諧波污染。
2、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測
電力系統(tǒng)中電力半導(dǎo)體裝置很多，大到直流輸電用的整流、逆變裝置，小到電視機電源,電池充電器,還包括變頻、斬波(直流調(diào)壓)和交流調(diào)壓裝置等，其應(yīng)用遍布于電力系統(tǒng)各個電壓等級。本文就電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的主要方面及發(fā)展做一介紹。
2.1 高壓直流輸電技術(shù)(HVDC)
目前，全世界HVDC工程已達(dá)50多個，總設(shè)備容量超過36GW。HVDC技術(shù)中正在考慮使用GTO、IGBT等可關(guān)斷器件，以及脈寬調(diào)制(PWM)等技術(shù)。在國內(nèi)高壓輸電工程建設(shè)和國外設(shè)備、技術(shù)的引進(jìn)、吸收的基礎(chǔ)上，立足國內(nèi)搞小容量的HVDC工程的設(shè)計和制造,將是可行和必要的。
2.2 靜止無功補償器(SVC)
SVC是用以晶閘管為基本元件的固態(tài)開關(guān)替代了電氣開關(guān)，實現(xiàn)快速、頻繁地以控制電抗器和電容器的方式改變輸電系統(tǒng)的導(dǎo)納。SVC可以有不同的回路結(jié)構(gòu),按控制的對象及控制的方式不同分別稱之為晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管投切電抗器(TSR)或晶閘管控制電抗器(TCR)。
我國輸電系統(tǒng)五個500KV變電站用的SVC容量在105~170MVAR,均為進(jìn)口設(shè)備，型式為TCR加TSC或機械投切電容器組。國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用的TCR裝置大約有20套，容量在10~55MVAR，其中一小半為國產(chǎn)設(shè)備。低壓380V供電系統(tǒng)有各類TSC型國產(chǎn)無功補償設(shè)備在運行，但至今仍沒有一套國產(chǎn)的SVC在我國的輸變電系統(tǒng)運行。
2.3 靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)
近年來FACTS技術(shù)受到廣泛地關(guān)注，電力科研部門紛紛進(jìn)行FACTS應(yīng)用的可行性研究,制造廠商則投入巨資進(jìn)行開發(fā)研究。表中列出了已投運的部分FACTS控制器。除上述幾種FACTS設(shè)備外還可以舉出很多，但基本上都處于研究開發(fā)或初步應(yīng)用階段，例如：晶閘管控制的制動電阻(TCBR),晶閘管控制的移相器(TCPS)，相間功率控制器(IPC)，超導(dǎo)儲能器(SMES)等。
2.4 用戶電力技術(shù)(CP)
CP技術(shù)和FACTS技術(shù)是快速發(fā)展的姊妹型新式電力電子技術(shù)。采用FACTS的核心是加強交流輸電系統(tǒng)的可控性和增大其電力傳輸能力；發(fā)展CP的目的是在配電系統(tǒng)中加強供電的可靠性和提高供電質(zhì)量。CP和FACTS 共同基礎(chǔ)技術(shù)是電力電子技術(shù)，各自的控制器在結(jié)構(gòu)和功能上也相同,其差別僅是額定電氣值不同，二者的融合是一種趨勢。具有代表性的用戶電力技術(shù)產(chǎn)品有：動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR),固態(tài)斷路器(SSCB)，故障電流限制器(FCL)，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(PQC)等。
2.5 變頻調(diào)速技術(shù)(SFC)
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,SFC技術(shù)已進(jìn)入與直流調(diào)速相媲美和相競爭的階段,并有取而代之的趨勢。SFC技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用主要有兩個方面：①發(fā)電廠的風(fēng)采、水泵使用變頻調(diào)速控制,會具有非常大的節(jié)電效益。②抽水蓄能機組采用SFC技術(shù)，可減小機組起動過程對電網(wǎng)的沖擊,并且機組在低水頭運行時,還可提高機組的效益。
3、應(yīng)用電力電子技術(shù)的諧波抑制
解決電力電子設(shè)備諧波污染的主要途徑有兩條：對電網(wǎng)實施諧波補償及對電力電子設(shè)備自身進(jìn)行改進(jìn)。目前常用的濾波器有以下兩種。
3.1 有源電力濾波器(APF)
APF的基本工作原理是檢測補償對象的電流和電壓，經(jīng)諧波和無功電流檢測電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負(fù)載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流相抵消，最終得到期望的電源電流。
促使有源濾波器的研究取得突破性進(jìn)展的因素有兩個：一是大功率可關(guān)斷器件的研制和應(yīng)用,如大功率門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和場控晶閘管(MCT)等器件的逐步應(yīng)用，使逆變器產(chǎn)生大功率電流電壓成為可能；二是瞬是無功功率理論為三相系統(tǒng)畸變電流的實時檢測提供了理論依據(jù)。
由于APF裝置的成本較高,容量有限,目前APF的研究重點已轉(zhuǎn)向有源電力濾波器和無源電力濾波器構(gòu)成的混合濾波系統(tǒng)(HPFS)。在HPFS中，諧波電流主要是由無源電力濾波器濾除，有源電力濾波器主要用來改善無源濾波器的濾波效果，并抑制串聯(lián)諧振的發(fā)生。與單獨使用的APF系統(tǒng)相比，所需APF的容量大大減小，因此,HPFS可提高整個系統(tǒng)的濾波性能。
3.2 有源功率因數(shù)校正器(PFC)
功率因數(shù)校正的基本思想是讓整流器的輸入電流跟蹤輸入正弦電壓。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，可用無源電路,也可用有源電路。無源方式最簡單，但電流諧波仍較大,且要求電抗性負(fù)載。有源方式雖需要專用控制電路,但可控開關(guān)使輸入電流成為正弦波，徹底消除了諧波，是目前大量采用的方式。在用于功率因數(shù)校正的功率變換電路中，使用最多的是升壓斬波電路和BUCK-BOOST型電路。根據(jù)電感電流是否連續(xù)，PFC分為不連續(xù)導(dǎo)通模式和連續(xù)導(dǎo)通模式。有源功率因數(shù)校正技術(shù)已在小功率開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。但三相有源功率因數(shù)校正技術(shù)遠(yuǎn)不如單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)成熟，目前工程技術(shù)界正在致力于這一問題的研究。
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