引言

在全球能源需求持续增长，电力系统日趋复杂化的今天，如何保证输配电系统高效、稳定、安全地运行已成为电力行业的一项重要任务。电力电子变换技术是现代电力技术中的一项重要内容，由于其具有效率高、灵活性强、可控性强等优点而被广泛地应用于输配电系统。这一技术利用半导体电子器件对电能进行转换、控制与开断等操作，在提高电力系统运行效率的同时，也加强了其稳定性与可靠性。所以，对输配电系统电力电子变换技术进行深入研究对促进电力行业可持续发展至关重要。

一、电力电子变换技术在输配电系统中的应用基本原理及分类

（一）基本原理

电力电子变换技术作为现代电力系统的关键一环，依靠先进半导体器件与电路控制技术实现电能在不同形态之间灵活有效地变换。该技术基本原理植根于半导体器件开关特性中，可通过对这些器件导通和关断状态的控制来准确调整电压、电流、频率和相位等电力参数，以达到对电能进行变换和控制的目的。

更具体地说，电力电子变换技术的操作方式是：在电源和负载之间加入电力电子变换设备，并采用高频切换技术来控制半导体部件的开关状态，由此，输入电能按期望波形、幅值、相位、频率向负载输出^[1]。该工艺中开关器件通断速度极快，一般为数十至数百kHz，使电能变换工艺快速而有效。另外，在电力电子变换技术中也广泛应用了PWM（脉冲宽度调制）这一先进控制技术，该技术能够通过调整脉冲宽度与频率来达到准确控制输出电压与电流，以适应各种负载所需要的电能。

（二）技术分类

从分类的角度看，电力电子变换技术可以根据转换的电力种类和目的，大体上被划分为四个类别：直流转换（DC-DC）、逆变（DC-AC）、整流（AC-DC）和交交变换（AC-AC）。每种变换技术类型均具有各自特殊的应用场景与优点。

直流变换（DC-DC）是一种主要应用于直流电能电压级别转换的技术，这种技术在电源系统和电动汽车充电站等多个领域都有广泛应用。像Buck（降压）、Boost（升压）和Buck-Boost（升降压）这样的非隔离型直流变换器，可以通过调节开关元件的占空比，实现从输入直流电压到输出直流电压的灵活切换。举例来说，当一个Boost电路的输入电压达到12V，而输出目标电压为24V时，它的转换效率可以超过90%，这对于提升能源的使用效率和系统的稳定性是至关重要的。

逆变 （DC-AC），也被称作逆变技术，是一个将直流电力转化为交流电力的技术过程。逆变技术被广泛用于太阳能发电、风力发电和电动汽车驱动。现代逆变器一般都是利用PWM技术来控制开关器件通断顺序，能够产生与正弦波相近的交流电压、电流以适应电网接入或者负载驱动等要求。如一台太阳能逆变器，当阳光充足时能把光伏电池板输出的直流电能变成220V/50Hz交流电能，该系统的转换效率能够超过95%，同时还配备了并网保护和孤岛检测等多项功能，以确保系统的安全和稳定运行。

整流（AC-DC），也称为整流技术，是一种将交流电能转化为直流电能的技术过程。整流电路在多种直流供电系统中均有广泛的应用，例如直流电动机的驱动和电镀电解。整流电路按照不同需求及应用场景可以分为全控整流、半控整流及不控整流几种。其中单相桥式全控整流电路因其功率因数高、谐波含量小而被广泛用于工业生产。以单相桥式全控整流电路为例，当输入电压220V/50Hz，能输出功率因数趋近于1的平稳直流电压，谐波含量小有助于改善系统电能质量及运行效率。交交变换（AC-AC）是一种主要应用于交流电能中电压、电流、频率或相位等多个参数转换的变换技术。它在交流调速系统、电力系统无功补偿中占有举足轻重的地位。交交变换技术通过改变交流电波形、幅值、相位或者频率来达到准确控制交流电机或者补偿电网无功的目的。以变频调速系统为例，利用交交变换技术可达到平滑调节交流电机转速、提高生产效率、改善产品质量的目的，在实际应用的过程中，能够提高资源的利用率，减少不必要资源的消耗，促进系统的稳定运行。

二、电力电子变换技术用于输配电系统的方法

（一）直流输电技术

直流输电技术，作为电力电子转换技术在配电系统中的关键应用之一，因其独有的优点，在远程、大规模输电领域起到了至关重要的作用。直流输电技术是利用整流站把交流电变换成直流电，并以直流电的方式输送至输电线路中，最终由逆变站把直流电重新变换回交流电供用户使用。在这个过程中，如晶闸管和IGBT这样的电力电子器件起到了核心作用，它们能够通过精准地控制开关的状态，确保电能的高效转化和传递^[2]。

直流输电技术最大的优点是传输容量大，线路损耗小，稳定性高。与交流输电相比较，直流输电输送同一功率时所需要的导线截面较小，从而能够显著减小输电走廊占用和建设成本。除此之外，直流输电技术也展现出更出色的输电稳定性，能在交流电网中有效地抵抗短路故障和谐波的干扰，从而提升电力供应的可靠性。直流输电技术在实践中已取得明显效果，以国内为例，近几年随着特高压直流输电工程陆续投运，直流输电技术被越来越多地应用到远距离大容量输电中。以±800kV的乌东德—广东特高压直流项目为例，它的输电能力高达800万千瓦，并且每年的电力传输量超过480亿千瓦时，这对缓解广东区域电力供需矛盾，促进清洁能源的消纳有着十分重要的作用。同时，本项目也利用先进电力电子技术与控制策略实现直流输电系统准确控制与防护，增强输电系统运行安全性与稳定性。

（二）FACTS技术

FACTS的技术核心是它的电力电子装置是否可控。这批设备涵盖了静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）以及可控串联补偿装置（TCSC）等多种类型，它们能够通过迅速调整无功功率和串联补偿等关键参数，达到对输电系统进行精准控制的目的。如SVC能以毫秒级的速度迅速响应系统电压的变化并提供动态无功支撑以抑制电压的波动；STATCOM具备连续调整无功功率的能力，从而实现电压的精准调控，进一步增强了系统的电压稳定性。在实践中，采用FACTS技术已收到明显的效果。以我国为例，多省电力系统已成功运用SVC、STATCOM及其他FACTS设备，有效地改善电网电压稳定性及输电能力。作为一个例子，某省的电网在安装了SVC装置之后，成功地控制了系统电压的波动，从而使电压的稳定性增加了大约10%；同时该设备也能在系统故障的情况下提供紧急无功的支持，有利于系统迅速恢复平稳。此外，随着智能电网的不断发展，FACTS技术在电力系统中的角色将变得越来越关键，为电力系统的高效调度和灵活管理提供了坚实的后盾。

（三）用户电力技术（DFACTS）

DFACTS技术核心是其电力电子装置高度可控，响应迅速。这批设备涵盖了有源电力滤波器（APF）和动态电压恢复器（DVR）等组件，它们具备在配电系统中对谐波、闪变和其他电能质量问题的应对能力，保证了用户得到优质供电。比如APF能够对系统谐波电流进行实时检测与补偿，减少谐波对系统及用电设备造成的冲击，DVR具有在电压下降时迅速提供电压支持的能力，从而确保关键负荷能够持续供电^[3]。用户电力技术如下：

图1:用户电力技术

在实践中，采用DFACTS技术已收到明显的效果。以一个工业园区为例，园区加装DFACTS装置之后，配电系统电能质量明显改善。谐波的含量下降了大约50%，从而有效地控制了电压的波动和闪变；同时，本设备也能在系统故障情况下快速响应并给予支持，增加了园区供电可靠性与稳定性。另外，随着智能电网的不断建设和用户对电能质量日益增长的需求，DFACTS技术在配电系统中的角色将变得尤为关键，为电能质量综合治理与优化提供了强有力的支撑。

（四）对配电网的状态进行感知和监控

电力系统中，配电网是电力传输的“最后一公里”，配电网运行状况直接影响用户侧电能质量及供电可靠性。因此，对配电网进行状态感知和监控已经成为现代电力系统必不可少的环节。该领域充分运用电力电子变换技术、传感器技术、通信技术以及大数据技术等，对配电网的运行状况进行全面、实时、准确地监控。

对配电网进行状态感知和监控，其核心是数据采集和传输。通过在配电网的关键节点安装各种传感器，例如电压传感器、电流传感器、温度传感器等，可以实时采集配电网的电压、电流、温度等关键参数。这些传感器结合电力电子变换技术，可实现配电网状态快速响应及精确测量。同时，采用光纤通信、无线通信等先进通信技术，可将采集的数据传送给集中监控中心进行远程传输与集中处理。在数据处理和分析中，大数据技术扮演着举足轻重的角色，对大量监测数据进行深度挖掘与分析，能够提取配电网在运行过程中可能存在的问题与风险点，从而为运维人员科学决策提供支撑。比如，应用大数据分析技术能够实现配电网负荷预测与调度、电网运行方式优化、供电效率提升等；同时也实现了配电网故障的快速定位与诊断，减少了故障处理过程，提高了供电的可靠性。

在实践中，配电网的状态感知和监测技术取得了显著效果。以某市配电网为例，该市将各种传感器及监测设备广泛布设于配电网之中，从而达到对配电网运行状况进行综合监控的目的。在大数据分析技术的支持下，该市成功预测出几次大的负荷变化情况，提前对电网做出调度与优化，从而有效地避免了电网过载与停电事故。同时，在故障处理方面，该城市利用监测数据快速定位了多次故障点，并迅速组织抢修力量进行处理，平均故障处理时间缩短了约30%，显著提高了供电可靠性。

（五）配电网的无功补偿和电压调节

配电网中无功功率的流动既增加了线路损耗，又对电网电压质量造成了影响。因此，对配电网进行无功补偿和电压调节，是实现电力系统最佳运行的主要措施之一。该领域也是依靠电力电子变换技术来实现配电网无功功率的准确控制与电压的稳定调整，其方法是设置无功补偿装置与电压调整装置。

无功补偿设备主要由静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）组成。这些设备可以对配电网无功功率需求进行实时检测、快速反应、动态无功支撑、电压波动与闪变抑制等。如STATCOM装置因其响应速度快、调节范围大、谐波含量少等特点，被广泛用于配电网的无功补偿。通过加装STATCOM装置，使配电网在负荷波动或系统故障的情况下能够快速调整无功功率、稳定电压水平、改善供电质量。电压调节设备的主要功能是对配电网络中的电压进行精细的调整。这类设备主要有载调压变压器和电压调节器，通过改变变压器变比或者调整电阻值来灵活调整电网电压。在实践中，电压调节装置一般会和无功补偿装置一起工作来维持配电网电压稳定。

以某县城配电网为例，县城将多个STATCOM装置及电压调节器安装到配电网上，达到无功功率及电压精确控制的目的。经过实时的监控和调整，该县的配电网络电压合格率提升了大约10个百分点，同时线路的损耗也减少了大约5%。同时在负荷高峰时段及故障恢复期间，STATCOM装置快速响应并提供充足的无功支撑及电压稳定能力，以保证电网安全平稳运行。这一实践表明，电力电子变换技术对配电网无功补偿、电压调节等方面起着举足轻重的作用，并取得显著成效。

三、电力电子变换技术应用于输配电系统所具有的优点和面临的挑战

电力电子变换技术应用于输配电系统表现出了显著的优越性，例如提升了输电效率，加强了系统的稳定性，对电能质量进行了灵活的调整以及实现了智能化的控制。但在高电压、大电流和复杂电网环境下，这一技术还面临着电力电子器件耐压和散热困难，电磁干扰和谐波治理困难，成本控制和系统集成复杂等多种挑战。所以在推广和应用中需要不断创新技术和优化设计方案，才能保证电力电子变换技术对输配电系统的效用。

结束语

综上所述，电力电子变换技术被广泛应用于输配电系统，有着重要的研究意义。今后，伴随着科技的进步与革新，电力电子变换技术会对电力系统运行效率、稳定性以及智能化水平的提升起到更大的促进作用。与此同时，还需加强电力电子装置谐波抑制、电磁兼容方面的研究工作，从而保证电力系统安全、可靠地运行。

参考文献：

[1]汪慧娟.考虑广义负荷特性的输配网协调优化运行方法研究[D].杭州电子科技大学:2022.

[2]崔晓.输配电系统中的电力电子变换技术分析[J].集成电路应用,2023,40(10):190-191.

[3]陈德扬,樊玮,钟康骅,刘宇,秦颖婕,张勇军,王馨尉,杨振南.柔性输配电技术在互联网数据中心的应用和展望[J].南方能源建设,2023,10(05):94-105.