摘要：电力电子技术是以电力电子器件为基础，采用特定的电路拓扑结构，并在一定控制策略下实现电能变换的技术。文章从电力电子器件、电路拓扑和控制技术三方面介绍了电力电子技术的主要研究内容，并结合发电机励磁系统、新能源发电、直流输电、柔性交流输电等研究了电力电子技术在电力系统的应用情况。
关键词：电力电子技术；电力电子器件；电路拓扑；控制技术
1引言
随着功率半导体技术、计算机技术、电路技术以及现代控制技术的进步，电力电子技术也取得了快速的发展，在电力系统中的应用提高了系统的稳定性和可控性，是未来电力系统发展的重要方向。
2电力电子技术
电力电子技术是一门以电力电子器件为基础，采用特定的电路拓扑结构，并在一定控制策略下实现电能变换的技术，其主要研究内容包括电力电子器件、电路拓扑和控制技术。
2.1电力电子器件
电力电子器件是电力电子技术的基础，主要指大功率的半导体器件。按照电力电子器件能够被控制的程度可以分为不可控器件、半控型器件和全控器件三类。
（1）不可控器件。不能用控制信号来控制其开通和关断的电力电子器件，主要包括电力二极管，包括快普通二极管、恢复二极管和肖特基二极管。
（2）半控型器件。通过控制信号可以控制其导通，但不能控制其关断的电力电子器件。主要包括晶闸管及其派生器件。
（3）全控型器件。通过控制信号既可以控制其导通又可以控制其关断的器件，主要包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
2.2电路拓扑
电路拓扑是电力电子技术的核心。根据电能变换实现的功能不同，电路拓扑可以分为整流电路、逆变电路、直流-直流变换电路和交流-交流变换电路。
（1）整流电路是将交流电变换为直流电的电路称为整流电路。主要包括单相可控制整流电路和三相可控制整流电路。（2）逆变电路是将直流变换为交流的电路。根据直流侧电源的性质不同可将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路。（3）直流-直流变换电路，将直流电变为另一固定电压的直流电或可调电压的直流电的电路。包括直接直流变换电路和间接直流变换电路。（4）交流-交流变换电路，把一种形式的交流电变换为另一种形式的交流电的电路。主要包括交流调压电路、交交变频电路和矩阵式变频电路。
2.3控制技术
控制技术是电力电子技术的关键。基本的控制技术包括PWM控制技术和软开关技术。
（1）PWM控制技术。通过对脉冲的宽度进行调制，从而实现电能变换的技术，即是PWM控制技术。（2）软开关技术。通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除开关过程中电压电流的重叠，从而大大减小甚至消除电力电子器件的开关损耗，这种技术成为软开关技术。
3在电力系统中的应用
3.1发电机励磁系统
电力电子技术应用于发电机励磁系统可以提高发电设备稳定性，提高运行效率。发电机静止励磁系统采用晶闸管整流方式构成静止换流器，静止换流器将交流电压源的电能整流为直流后再通过滑环和电刷输入到发电机转子励磁绕组，这种励磁方式可以节省传统的励磁机，具有结构简单、可靠性强、价格经济、调节速度快、运行效率高等优点，已在发电机励磁系统中广泛应用。
3.2新能源发电并网
为应对全球气候问题和能源问题，大力发展新能源产业已迫在眉睫，风能和太阳能发电因其清洁、可再生的特点，是未来发展的重点。风能和太阳能发电并网的变流器，可以有效控制有功功率和无功功率，调节并网频率，将不稳定的风能和太阳能变为变压和频率符合要求的电能，随着电力电子技术的发展，变流器容量和电压等级进一步提升，可以在降低线路传输损耗的同时增大发电并网规模。
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3.3柔性交流输电（FACTS）
柔性交流输电技术诞生于20世纪80年代后期，其主要优势是可实现对交流电实际输送功率的有效控制，提升电力系统的稳定性。柔性交流输电设备可以分为三代。
（1）第一代的代表是静止无功补偿器（SVC）。SVC是基于晶闸管技术的并联型无功装置，其结构一般是可投切电容器和可控制电抗器的并联组合，通过调节两部分的电流控制无功功率，从而提供动态电压支持，同时能消除电压闪变，消除系统震荡。
（2）第二代的代表是静止同步补偿器（STATCOM）。STATCOM是基于全控型器件（GTO、IGBT）技术的并联型装置，一般采用三相两电平、三相三电平和模块化多电平等结构，在电力系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑、改善系统稳定的作用。
（3）第三代的代表是统一潮流控制器（UPFC）。UPFC是一种典型的混合型FACTS装置，采用高压的全控型的IGBT器件，控制功能强大、动态性能突出，能够快速精准的控制系统的有功功率和无功功率、降低线路的等效电抗从而提高其输送容量，而且能够为并网点提供动态电压支撑能力，提高系统的暂态稳定性，此外UPFC还能改善交流系统的阻尼特性，提高系统的功角稳定性。
3.4直流输电
自上世纪80年代以来，直流输电技术也有了较大的发展，与交流输电相比，不存在两端交流系统之间同步运行的稳定性问题，且其输送容量不受同步运行稳定性的限制。
（1）常规直流输电 常规直流输电技术采用由大功率晶闸管构成的三相桥式电路构成的换流阀，具有输送电压高、电流大、抗干扰性好等优点，另外换流阀具有闭锁功能，可有效减少直流侧电流引起的故障。但由于大功率晶闸管是半控型器件，所以常规直流输电存在容易发生换向失败和谐波较大等缺点。
（2）柔性直流输电 柔性直流输电技术是继常规直流输电后的新一代直流输电技术，换流阀一般采用全控型器件IGBT。与常规直流输电相比，柔性直流输电实现在控制传输电能的同时可独立调节无功功率，不存在换向失败问题，无需配置滤波及无功补偿设备，易于构建多端直流网络，具备黑启动能力。
3.5其他应用
除上述几种应用场合，电力电子技术在微电网、低压直流配电网、电力电子变压器、中低压电能质量治理、港口岸电、高压大功率直流充电桩等领域也有广泛应用。
（1）微电网 微电网主要是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统，它作为完整的电力系统，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。
（2）电力电子变压器
电力电子变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现电能变换的新型智能变压器，在完成常规变压器变压、隔离、能量传递等功能的同时，也可以完成波形控制、潮流控制或电能质量调节功能。电力电子变压器采用IGBT等全控器件，多为AC/DC/AC型交直交的间接变换结构，通过PWM调制方法和适当的控制策略。
4结束语
随着电力电子技术的发展，其在电力系统中的应用也越来越广泛，主要应用场合包括发电机励磁系统、新能源发电并网、直流输电、柔性交流输电以及微电网等。电力电子技术在电力系统中的应用提高了电力系统的可控性和智能化。随着全球能源互联网的发展，未来电力电子技术在电力系统的应用将会更加广泛。
参考文献
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论文作者:董长城
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/25
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