電力電子在電網中的應用

徐國林

摘 要：由于我國能源分布的特點，導致我國電網結構復雜，大容量遠距離輸送電力將是我國電力發展的長期需求。隨著電力需求的增加，未來的電網將逐步轉變為水電、煤電、大規模風電和荒漠太陽能電力外送并重的格局。而電力電子作為電能轉換的核心，在電網應用中占有重要地位。本文圍繞電網發展狀況、特點和未來發展趨勢各方面，淺析了電力電子在電網中的應用，并對電力電子的發展做了展望。

關鍵詞：電網；電力電子；能源結構；新材料

1.電網發展趨勢

1.1我過電網發展現狀

我國電網由國家電網和南方電網構成，其中國家電網分5個區域電網和跨區域交直流輸電系統，供電范圍包括 26個省(區、市)、840多萬km2 ，可見我國電網所覆蓋的面積相當廣闊。但是我國仍是一個發展中國家，電網無論在總體規模和技術水平方面與發達國家先比，都有較大差距：電網結構薄弱，電氣主設備和線路故障率高；部分電網電源供應緊張，應付突發事件的運行備用不足甚至無備用[1]。

1.2我國電網的特點

從我國能源資源和生產力分配的格局可以看出，我國煤炭、風能、太陽能等資源主要集中于華北、西北，水力資源主要集中于西藏、華中地區。然而我國的經濟中心主要集中于東部沿海地區[2]。可以總結出我國能源資源與能源需求呈逆向分布，而且未來大規模可再生能源的發展將進一步加重這一局面，這就需要在全國范圍優化配置能源資源。電網作為電力傳輸的載體，將在能源資源優化配置中將起到十分重要的作用。

因此，發展遠距離大容量輸電技術和可再生能源并網技術，是轉變我國能源發展方式的關鍵性技術之一，是國家重大戰略的需求[3]。

1.3我國電網發展展望

我國未來將全力發展新一代電網，它將具有大容量、遠距離和跨區域電能輸送的特征。這就要求我們采用新技術，屆時電力電子裝備將成為大幅提升未來電網輸送能力的關鍵裝備之一。并且，隨著新能源發展戰略的深入推進，新能源電站和分布式新能源發電設備廣泛接入電網，電力電子系統成為新能源發電關鍵部件和新一代電網間的核心接口裝備。此外，我國90%以上的電能都由電機系統產生，而且60%以上的電能是由電機系統消耗。因此，通過提升電力電子技術來提高能源電力利用效率，也是國家的重大需求之一。因此，大力發展電力電子技術，對于構建我國堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動的新一代智能電網架構，具有重大戰略意義和應用需求。

2．電力電子的技術的新動態

現代半導體產業的飛速發展，開創了現代電力電子技術的新時代。基于半導體材料的電力電子器件是電力電子技術的基石，是控制電能產生、傳輸、轉換和存儲的核心，世界上超過70%的電能輸送通過電力電子器件控制。電力電子技術是當今世界的研究最熱、發展最快的技術之一。大規模新能源的開發和利用使得發電形式發生了根本性的轉變，電力電子技術在其中發揮著非常重要的作用。

柔性輸電技術、無功補償技術、電能質量治理等都屬于電力電子技術的應用。幾乎電力系統的發、輸、配、用各環節都離不開電力電子技術。我國每年消耗的電能用于電機拖動的約有60%，大量的電機需要通過變頻器控制實現節能降耗，電力電子技術在變頻器領域的應用同樣具有非常廣闊的前景。

電力電子器件是現代電力電子技術的核心，它作為能源轉換裝置最基礎的元件之一，決定著系統的整體性能。電力電子器件性能的好壞，將直接影響整個能源轉換裝置的轉換效率。這就要求電力電子器件耐壓更高、容量更大、開關速度更快、耐熱性能更好。面對電網對電力電子技術的新要求，電子電子的相關產業提出了各種應對策略。

3.新型半導體材料在電力電子中的應用

傳統Si半導體電力電子器件可滿足電力電子裝置在功率大、工作速度快、通態電阻小等情況，但已接近寄生二極管制約而能達到的材料極限。因此必須通過其他方式來增加耐壓和耐流。

20世紀90年代，低微管缺陷密度的SiC寬禁帶半導體材料有了新突破。寬禁帶材料的產生使半導體器件低漏電、高工作溫度和抗輻照等性能得到改善，寬禁帶半導體SiC具有比Si高一個量級的臨界擊穿電場，意味著SiC電力電子器件的關斷漂移層能更薄，具有更高的摻雜濃度，也使和Si材料的同等器件相比寬禁帶材料器件具有低一個量級的導通電阻；更高的載流子飽和速度導致更高的工作頻率; 更高的熱導率將改善熱耗散，使器件可工作在更高的功率密度。

作為第三代的半導體材料，SiC具有帶隙寬、熱導率高、電子的飽和漂移速度大、臨界擊穿電場高和介電常數低、化學穩定性好等特點, 在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導體器件及紫外探測器等方面具有廣泛的應用前景。

GaN也是寬禁帶材料中重要的一員。SiC和GaN由于獨特晶體結構，具有工作溫度很高，熱導率高，硬度高，電子飽和漂移速度高，擊穿電場高等特點。使它們將在未來半導體發展中占有重要地位。國外已經對此種半導體材料進行了深入研究。

4.總結

經過20多年的發展，在降低電力設備體積和成本以及提高效率等方面，電力電子技術已經成為主要手段。在電力輸配電系統中，電力電子技術在效率和成本方面能夠完成傳統技術所不能提供的技術支持。在未來電網發展中電力電子技術將發揮越來越重要的作用。

由于我國能源與負荷逆向分布的特點，導致我國電網面臨著諸多問題，這些問題的解決都寄希望與半導體技術的發展。高性能功率半導體器件的出現將給電網發展掃平道路。

參考文獻:

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