交流供电系统中的电力电子技术
1 前言现代世界的技术进步与电能的需求紧密相关，分析表明，在世界各国电能需求的动态增长，不仅与人口数量的增长有关，而且与国家经济增长的速度、技术发展水平以及其它因素有关，例如，发展中国家在实现电气化的初始阶段，电力需求的速度导致了每10年一次的成倍增长，而在工业发达国家，这一增长则稳定在每年1-2%，按照近20年来的预先估计，发展中国家期待的电力需求增长为220%，而在工业化国家仅为37%。考虑到各国地理条件及自然资源的不同，解决电气化课题的途径和技术方案以及所需的投资都是不同的。 从历史上看，交流电能的应用处于主导地位，交流输电的主要优点是在电力传输线穿越的任何区间，均可保证电力的实际需求。长时间制约直流输电线路发展的重要因素是：不具备直流与交流有效转换的元器件基础。结果，直流输电系统的应用较少。但交流传输仍存在以下一些不足： ①需要按照线路的负载调控电压； ②存在无功功率，并需要控制其影响； ③两个独立系统的同步问题； ④在稳态和瞬态工况下对其稳定性的限制； 还应看到，在首次直流传输时也存在一些附加的困难： ①为确保整流器的换向需要无功功率； ②产生高次谐波； ③变换装置的成本高； 随着电力电子元器件的发展，直流电力传输的成本不断下降，很多问题都迎刃而解了。现在，当距离超过800KM以上，如果其贯穿线路无功率流失（例如，沿海洋底面敷设线路时），直流传输在经济上是更有利的。 在俄罗斯，因输电距离长，能量资源与需求中心分布的不均，例如：西伯利亚与部分欧洲电力系统(еэс)之间，以及联合电力系统(оэс)中心和外高加索оэс之间，由于长距离能量的传输，限制了功率输送的能力，并且影响了供电的可靠性。因而限制了许多电站所输送的功率，以及并行电力传输线路上功率流向的分配不佳等。上述问题的解决取决于柔性电力传输线(FACTs)的发展，这种FACTs线路中，设有能操控电压和无功功率的装置，该装置用于补偿由非线性负载产生的功率，借助于电压变换器，则可对功率、电压和能量流向均不相同的系统进行整合。 2 半导体开关器件的发展与进步近代GTO（门极可关断晶闸管）、GCT（门极换流晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）等半导体开关器件，借助控制极上提供的负脉冲进行关断。它们在线路图上设计的运行电压达到4.5KV，电流在3KA以下；若应用了由4uF电容器组成的不同形式的补偿电路(снаббер)，电流则可达5KA。为了断开大的电流，利用了“筛孔”结构的阴极，由小电感的驱动电路确保关断的同时性。由于整合了半导体开关元件组成的驱动电路，使控制电路的电感值大幅度降低。在GCT或IGCT中，全电流在很短时间内完成从阴极到控制极的换向。这一结构可减少电荷的积集时间及电流衰减时间在3微秒以下。这些器件有时称为“硬性开关”器件。新型开关器件结构的另一优点是缓冲层与精细的正发射极连接，结果降低了断开时的功率损耗。值得注意的是：利用小电感的驱动电路，由于更陡的控制脉冲前沿，能实现快速而均匀的接通。 因GCT型半导体开关元件结构的完善，在电压6KV以下和电流6KA以下时，可确保通/断的时间不超过5微秒，并允许这些元器件的串联和并联。 利用低压的MOSFET场效应管，能加速或减缓GTO型开关器件的断开，这是建立快速操作高压器件的另一方案。利用在开关器件阴极串接低压MOSFET，这一研制样品证明：在电压6KV和电流4KA下具有良好的实用效果。 在制造高电压的大功率开关元件时，由于新的工艺取得了显著成就，例如高压HVIGBT型开关元件，计划用于小电流的整流，电压为4.5KV，电流900A，其开关时间不超过6微秒。主要优点是操控比较简单，其外部电流可显著减小。但按电流来说，其应用范围不及IGCT型器件的广泛。 |
