电力电子在电网中的应用

徐国林

摘 要：由于我国能源分布的特点，导致我国电网结构复杂，大容量远距离输送电力将是我国电力发展的长期需求。随着电力需求的增加，未来的电网将逐步转变为水电、煤电、大规模风电和荒漠太阳能电力外送并重的格局。而电力电子作为电能转换的核心，在电网应用中占有重要地位。本文围绕电网发展状况、特点和未来发展趋势各方面，浅析了电力电子在电网中的应用，并对电力电子的发展做了展望。

关键词：电网；电力电子；能源结构；新材料

1.电网发展趋势

1.1我过电网发展现状

我国电网由国家电网和南方电网构成，其中国家电网分5个区域电网和跨区域交直流输电系统，供电范围包括 26个省(区、市)、840多万km2 ，可见我国电网所覆盖的面积相当广阔。但是我国仍是一个发展中国家，电网无论在总体规模和技术水平方面与发达国家先比，都有较大差距：电网结构薄弱，电气主设备和线路故障率高；部分电网电源供应紧张，应付突发事件的运行备用不足甚至无备用[1]。

1.2我国电网的特点

从我国能源资源和生产力分配的格局可以看出，我国煤炭、风能、太阳能等资源主要集中于华北、西北，水力资源主要集中于西藏、华中地区。然而我国的经济中心主要集中于东部沿海地区[2]。可以总结出我国能源资源与能源需求呈逆向分布，而且未来大规模可再生能源的发展将进一步加重这一局面，这就需要在全国范围优化配置能源资源。电网作为电力传输的载体，将在能源资源优化配置中将起到十分重要的作用。

因此，发展远距离大容量输电技术和可再生能源并网技术，是转变我国能源发展方式的关键性技术之一，是国家重大战略的需求[3]。

1.3我国电网发展展望

我国未来将全力发展新一代电网，它将具有大容量、远距离和跨区域电能输送的特征。这就要求我们采用新技术，届时电力电子装备将成为大幅提升未来电网输送能力的关键装备之一。并且，随着新能源发展战略的深入推进，新能源电站和分布式新能源发电设备广泛接入电网，电力电子系统成为新能源发电关键部件和新一代电网间的核心接口装备。此外，我国90%以上的电能都由电机系统产生，而且60%以上的电能是由电机系统消耗。因此，通过提升电力电子技术来提高能源电力利用效率，也是国家的重大需求之一。因此，大力发展电力电子技术，对于构建我国坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的新一代智能电网架构，具有重大战略意义和应用需求。

2．电力电子的技术的新动态

现代半导体产业的飞速发展，开创了现代电力电子技术的新时代。基于半导体材料的电力电子器件是电力电子技术的基石，是控制电能产生、传输、转换和存储的核心，世界上超过70%的电能输送通过电力电子器件控制。电力电子技术是当今世界的研究最热、发展最快的技术之一。大规模新能源的开发和利用使得发电形式发生了根本性的转变，电力电子技术在其中发挥着非常重要的作用。

柔性输电技术、无功补偿技术、电能质量治理等都属于电力电子技术的应用。几乎电力系统的发、输、配、用各环节都离不开电力电子技术。我国每年消耗的电能用于电机拖动的约有60%，大量的电机需要通过变频器控制实现节能降耗，电力电子技术在变频器领域的应用同样具有非常广阔的前景。

电力电子器件是现代电力电子技术的核心，它作为能源转换装置最基础的元件之一，决定着系统的整体性能。电力电子器件性能的好坏，将直接影响整个能源转换装置的转换效率。这就要求电力电子器件耐压更高、容量更大、开关速度更快、耐热性能更好。面对电网对电力电子技术的新要求，电子电子的相关产业提出了各种应对策略。

3.新型半导体材料在电力电子中的应用

传统Si半导体电力电子器件可满足电力电子装置在功率大、工作速度快、通态电阻小等情况，但已接近寄生二极管制约而能达到的材料极限。因此必须通过其他方式来增加耐压和耐流。

20世纪90年代，低微管缺陷密度的SiC宽禁带半导体材料有了新突破。宽禁带材料的产生使半导体器件低漏电、高工作温度和抗辐照等性能得到改善，宽禁带半导体SiC具有比Si高一个量级的临界击穿电场，意味着SiC电力电子器件的关断漂移层能更薄，具有更高的掺杂浓度，也使和Si材料的同等器件相比宽禁带材料器件具有低一个量级的导通电阻；更高的载流子饱和速度导致更高的工作频率; 更高的热导率将改善热耗散，使器件可工作在更高的功率密度。

作为第三代的半导体材料，SiC具有带隙宽、热导率高、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高和介电常数低、化学稳定性好等特点, 在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件及紫外探测器等方面具有广泛的应用前景。

GaN也是宽禁带材料中重要的一员。SiC和GaN由于独特晶体结构，具有工作温度很高，热导率高，硬度高，电子饱和漂移速度高，击穿电场高等特点。使它们将在未来半导体发展中占有重要地位。国外已经对此种半导体材料进行了深入研究。

4.总结

经过20多年的发展，在降低电力设备体积和成本以及提高效率等方面，电力电子技术已经成为主要手段。在电力输配电系统中，电力电子技术在效率和成本方面能够完成传统技术所不能提供的技术支持。在未来电网发展中电力电子技术将发挥越来越重要的作用。

由于我国能源与负荷逆向分布的特点，导致我国电网面临着诸多问题，这些问题的解决都寄希望与半导体技术的发展。高性能功率半导体器件的出现将给电网发展扫平道路。

参考文献:

[1] 张文亮，汤广福，查鲲鹏，贺之渊.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J], 中国电机工程学报.2010(30)

[2]张文亮,刘壮志,王明俊,杨旭升.智能电网的研究进展及发展趋势[J]. 电网技术. 2009(13)

[3]于兴龙.智能电网发展现状及设备研发方向需求分析[J].科技创新与应用.2013(30)

[4]赵畹君. 高压直流输电工程技术[M].中国电力出版社.2004

[5]钱照明,盛况.大功率半导体器件的发展与展望[J].大功率变流技术.2010(01)

[6]郭猛.宽禁带半导体材料的电子结构与性质研究[D]. 山东大学2012