大容量電力電子應用系統分析

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一、應用熱點

（一）電氣節能

節能是社會所關注的一個焦點問題，尤其是在能源相對比較短缺的現代社會，能源的使用和節約問題也是經濟發展過程中必須解決的問題。電動機作為最大的電能消耗載體，在電能節約方面也有很大的發展空間。我國在電動機運轉上所消耗的電量達12000億千瓦時，超過了全國工業總用電量的60%。變頻技術的應用，能夠有效控制電機的合理運行，從而實現節能的目的。就目前情況來看，使用變頻調速的水泵和風機系統是電機系統中重點的節能對象。以電力電子技術為基礎的變頻器，是實現電氣節能最為關鍵的設備。而變頻器的使用，需要解決其成本問題，提高應用的可靠性。

（二）新能源發電

就現階段的情況來看，電力電子技術在可再生能源發電領域以及分布式發電領域中有著極為廣泛的應用，尤其是目前太陽能、風能、地熱能、生物能等可再生能源的大力開發，在很大程度上推動了我國電力行業的發展與進步。利用電力電子變化技術能夠在很大程度上確保新能源大量轉化電能，以確保我國社會經濟發展的用電需求，也能在一定程度上提升電能的利用效率，降低國家電網負荷。新能源發電中，電力電子技術在應用的過程中存在其獨特性，主要表現在一次性能源供給存在較大的隨機性，例如太陽能、風能受到天氣條件最為直接的影響。同時并網發電的要求相對于一般發電要更高一些，主要體現在電網側要求輸電波動不宜過大，另外要求電能輸送質量也非常高。就我國目前的發電現狀來看，并網發電變換器主要是從國外進口，國內尚缺乏相關的設計經驗，在應用方面也處于初級階段，運行的可靠性較差，而且相關功能與性能也不能夠充分契合我國現階段發電現狀。因此，必須確保并網發電變化器發展朝向大容量、高質量方面，也需要確保能源的直接變換，提高變換器的運轉效率與運轉可靠性，以為我國電能轉換事業奠定堅實的基礎。

（三）電力牽引

電力牽引需要有電力電子的控制和變換技術做基礎，是交通發展的重要內容。目前電力電子技術在電力牽引中主要的發展方向有三點，一是電力電子在變換器裝置上功率密度和效率的提升，以及冷卻技術和集成技術的發展；二是控制方面的研究和發展，如直接轉矩控制和矢量控制；三是能量綜合管理技術和冗余控制的應用。

（四）智能電網

在科學技術不斷發展、能源需求、環境問題等多重因素的作用下，使得社會對電力等清潔能源的需求越來越大。如何使電力資源得到有效調配催生了智能電網概念。智能電網融合了包括數字化、信息化等多種前沿的科學技術，其以節能、環保、高效、可靠穩定的優勢在世界范圍內得到迅速推廣。智能電網最于本世紀初由美國和歐盟等發達國家提出，其構建初衷是建立靈活、清潔、經濟、安全的智能電網，并以此作為發展目標。美國在電網建設中，主要側重于電網的安全穩定性控制，因此在電網的“自愈”能力方面做了重要探索和試點研究。其輸配電網應用了智能電表和信息通信等技術，使得電網市場的信息更加透明，最終達到節約電力能源的目的。當前我國的特高壓電網也處于重要的改革期，智能電網作為電力的發展新方向，也成了我國發展的新方向。基于特高壓輸電傳輸距離遠、損耗小、成本低的特點，在我國發展迅速。當前已有一條由陜北——晉東南——南陽——荊門（1000kV，已運營）和云南——廣東、向家壩——上海兩條（800kV）的在建項目。但電力的發展卻受到電子器件、主電路結構及控制等電力設備的制約。

二、關鍵應用技術與問題

大容量電子應用系統的關鍵技術主要元素為：硬件設備、方法（拓撲）、控制技術。硬件設備，因高電壓大電流系統的需求，使得應用系統需要更好更高功率的半導體器件，從而充分保障系統的可靠性和安全性。但當前主要困擾的是，傳統的應用系統其效益低、電流容量小，難以適應電力的長遠發展。探索新的硬件設備成為其發展的重要出路。拓撲方法和控制技術，傳統的控制技術（PWM），其指標性能較低，難以適應市場的發展需求。基于當前存在半導體開關器件技術的掌握還不完全、主電路的設計與實際存在差異、設備與裝置的電磁暫態過程描述不清、設備與設備協調機理不清晰等問題。發展自適應設備模型、明晰安全工作區域的定義、落實能源控制等關鍵問題仍是學者深入探討研究的方向。

作者:徐周 單位:貴州工程應用技術學院