电力电子

我国大容量电力电子技术与应用发展综述摘要:大容量电力电子技术使用大功率半导体器件，通过信息流对能量流的精确控制，实现电能的有效变换与传输。

大容量电力电子装置广泛应用在电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网以及军工装备等领域的关键环节，对国民经济发展、工业生产及国家安全起到重要作用。

本文综述了我国在大容量电力电子技术与应用方面的最新进展，比较了国内外大容量电力电子研究现状的差距，并在此基础上展望和讨论了大容量电力电子技术的未来发展趋势及我国应采取的相应对策。

关键词：大容量电力电子功率半导体器件装置和系统1引言大容量电力电子技术是使用大功率半导体器件，通过信息流对能量流的精确控制以实现电能的有效变换与传输的技术，包括大功率电力电子器件、电力电子装置和系统应用三个方面，涉及电力电子器件（上游）和电力电子设备和系统（中游）、电力电子技术在各个行业的应用（下游）三个领域。

与以信息处理为主的微电子技术和常规小容量电力电子技术不同，大容量电力电子技术面对的主要功率等级在几百千瓦乃至几十吉瓦以上，电压等级在千伏乃至几十万伏以上，电流容量在几百安培乃至上万安培以上，在不同应用领域起到重大作用[1]。

近几年来，随着电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网以及军工装备等应用领域的高速发展，对大容量电力电子装置和系统的需求越来越大，无论是传统产业，还是高新技术产业，都迫切需要提供大容量、高质量、可靠及可控的电能。

大容量电力电子装置和系统已经成为弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术之间，传统产业实现自动化、智能化、节能化和机电一体化之间的桥梁，被广泛应用于能源、交通、工业制造和航空航天等领域，特别在面向我国新一代电网系统和大型电力牵引系统应用中（如高铁、舰船等），随着中高压直流变换技术、分布式新能源发电技术以及电力传动技术的长足发展，大容量电力电子变换装置和系统正成为大幅提升柔性交直流电网输送能力和电力牵引控制能力的关键装置和核心接口设备。

目前大容量电力电子技术和应用正处在快速发展的阶段。

从学科发展角度来看，仍存在两个关键问题: 即大功率电力电子器件的功率处理水平与电力电子装置容量和性能需求之间的矛盾问题，电力电子装置的电能变换能力与系统应用需求之间的矛盾问题。

需要有不断的技术创新去解决这两个矛盾。

目前主要方法为:发展以大功率电力电子器件为核心的装置分析和设计技术，提高装置的电能变换能力；发展以拓扑和控制为核心的组合式电力电子技术，提高系统在不同领域的应用潜力。

2 大容量电力电子技术和应用最新进展近年来，我国大容量电力电子技术从应用基础研究、关键技术、产业规模、产业链条完善和标准体系建立等方面都取得了斐然的成就。

2.1 电气节能大型风机水泵变频调速节能是大容量电力电子技术的主要应用之一，高性价比、高可靠性的高压大容量变频器仍然是该领域研究的前沿。

鉴于器件容量和耐压能力的限制，目前在高压大容量变频器中广泛使用组合式电力电子变换器，如器件串并联和多电平技术等。

比较有代表性的是 H 桥级联型多电平变换器，通过相同的 H 桥单元的不断级联，可以实现更高电压等级的输出，从而提高变换器的输出功率。

H 桥级联型多电平变换器以其结构模块化、冗余程度高以及易于实现高压多电平等优点成为应用最广泛的多电平拓扑结构之一。

同时，包括二极管钳位、电容跨接等组合式电力电子变换器中的三电平、五电平及混合多电平变换器也都得到有效应用。

由于后者技术门槛更高，在应用上不如 H 桥级联式变换器广泛。

此外，器件直接并联以获得更大的容量、器件直接串联以获得更高的装置电压都在研究和应用之中，但其动态均流和均压仍然是瓶颈问题。

一般来讲，容量越大、电压越高，所显示的大容量电力电子技术水平就越高。

我国用于风机水泵节能的高压大容量变频器研制和应用取得了很大进展，国产高压大容量变频器的市场份额同比增加 15%，已经超过国外同类产品的份额，国产高压大容量变频器的性价比和可靠性逐步得到用户的认可。

在超大功率变频调速应用中处于国际领先地位。

如我国自主研制的基于电子注入增强栅晶体管（IEGT）的 10kV 大容量变频器，容量达到 32MV·A，已经应用于我国南水北调工程。

2.2 新能源发电大容量电力电子技术在新能源发电方面得到广泛的应用。

目前应用比较多的新能源主要有风能、太阳能、地热能、生物能和燃料电池等。

通过电力电子变换技术将新能源转化成的电能进行变换和调整，以达到最大利用率及与电网或负载合适匹配。

新能源发电中的电力电子技术应用特点为：一次能源供给随机性大，风能、太阳能都随天气情况有很大变化；并网发电要求高，电网侧要求输入电能波动小，谐波小等。

这就要求适应于新能源发电的大容量电力电子装置和系统输入电压范围大、网侧输出电能质量高，同时具有低电压穿越和孤岛保护等功能[2]。

目前我国在新能源发电中的大容量电力电子技术主要进展为：（1）向大容量发展。

风机发电系统单机容量已经达到 5MW，并已在实际风电场成功投运；光伏并网发电系统中的并网逆变器单机容量也已经达到兆瓦级功率等级，多座百兆瓦级的集中式光伏并网电站已经顺利并网发电运行。

（2）直接变换。

双馈式风机系统正在向直驱式或混合式系统方向发展，国内几家风力龙头企业正逐步用自主研制的 2 ～ 3MW 的直驱式大容量变换器替代国外同类产品。

（3）高性能。

主要体现在高效率、高可靠性和适应电网需求的低电压穿越和孤岛保护等功能方面。

2013 年我国颁布了新制订的新能源并网变换器并网准则，目前国产风力和光伏并网变换器都具备了所要求的低电压穿越和孤岛保护功能。

由于分布式光伏发电的大力推广，组合式电力电子变换器得到广泛应用。

如在大型光伏电站中使用变换器集群技术，即在兆瓦级及以上容量的变换系统中往往是两个或者多个变换器组合，在小容量变换器中使用多电平变换器来提高系统的效率或降低共模电流。

另外，集群式的微型逆变器也得到了很大的发展。

国产风力和光伏并网发电变换器逐渐代替进口同类产品。

2.3 电力牵引电力牵引主要基于大容量电力电子变换及其控制技术，目前我国用在电力牵引中的电力电子变换器也逐步以国产替代进口。

当前在电力牵引中的电力电子技术主要进展方面包括：（1）提高电力电子变换器的效率和功率密度，主要发展集成技术和冷却技术。

（2）实施精确控制，应用高性能的闭环控制，特别是针对低速和高速下的矢量控制和直接转矩控制一直是研究热点。

（3）保证可靠运行，采用冗余控制以及能量综合管理技术等。

在电力牵引的大容量变换器中，基于大功率电力电子器件的变换器成为主流，高耐压大电流的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）得到普遍应用，集成门极换流晶闸管（IGCT）也开始有了应用。

我国自主研制的时速 200 ～ 250km 城际动车组成功运行，并批量投入运用。

我国自主研发的采用交流牵引电动机的六轴“和谐”货运电力机车，变流技术就采用了6500V/600A 的 IGBT 元件器件和双面水冷功率模块，使机车单轴功率达到 1 600kW，机车总功率达到 9 600kW，是目前世界上单轴功率最大的铁路牵引动力装备之一。

2.4 智能电网智能电网正成为我国电网发展的方向，大容量电力电子技术是智能电网核心技术之一。

我国的特高压交直流输电网的建设中，已经采用和将要采用大量基于大容量电力电子技术的电力设备，包括固态变压器、固态断路器、统一潮流控制器、静止无功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿器、有源滤波器、动态电压恢复器和静止同步补偿器等[3]。

在柔性直流输电应用中，以大功率全控型电力电子器件为核心的变换器设计和分析技术、组合式电力电子技术都成为前沿技术。

耐压 3.3kV 以上的高压IGBT 成为主流器件，而模块化多电平变换器（MMC）成为最典型的拓扑[4]。

MMC 拓扑中，每相桥臂是由多个功率模块级联而成，每个功率模块只包括直流电容和一个桥臂，输入可采用单一直流电源供电，不需要多绕组隔离变压器。

由于该拓扑在结构上高度模块化，增加电平数只需要增加串联的基本单元数量即可，控制简单，特别适合于 6kV以上电压等级、五电平以上输出的情况[5]。

2013 年 12 月，国家 863 计划项目——南方电网广东汕头南澳岛的三端柔性直流输电工程完成了三端投产启动。

该项目的成功，使我国在多端柔性直流输电技术方面站在了世界前列。

2.5 大功率电力电子器件目前，我国晶闸管类器件产业成熟，能满足国内的需求。

5 英寸（lin ＝0.0254m）7200V/3000A、6 英寸 8500V/4000A ～ 4750A 电控晶闸管（技术水平居世界前列）和 5 英寸 7500V/3125A 光控晶闸管实现了产业化，已经用于高压直流输电和无功补偿等领域。

在国产门极可关断晶闸管（GTO）器件的基础上，研制成功 4500V/4000A 的 IGCT 器件。

一些国内企业在 IGBT 产业化中已经有所突破，从芯片设计到芯片封装、测试的完整产业链正在形成。

600V 及1200V/100A的IGBT 芯片在多家企业进入量产阶段，1 700V/100A 的 IGBT 芯片已研发成功[6]。

在国家 863 计划支持下及前期工作的基础上，我国已经着手研制产品级的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件[7] ，正在研制的 SiC 器件容量等级为 1 200V/20A 和 1200V/50A 两种型号的二极管芯片和场效应管单芯片，正在研制的 GaN 器件容量等级为200V/25A 和 600V/10A 两种型号的二极管芯片和场效应模块及1200V/5A 场效应单管芯片等。

2.6 大容量电力电子技术基础理论研究大容量电力电子技术是电力电子器件、电子电路及其控制等多门学科的结合，长期以来，“理想开关、集中参数和信号脉宽调制（PWM）”一直是其主要的设计、分析和控制方法，实际应用中存在“器件模型理想化、拓扑结构线性化、瞬态过程不清、分析方法欠缺、失效机理模糊”等基础理论和分析方法中的问题[8]。

近年来，国家自然科学基金、国家 863 计划及国家支撑项目都给予了极大的支持，在电力电子学科的基础理论和分析方法研究方面取得了有意义的进展。

近年来，国内深入研究了“大容量电力电子系统电磁瞬态过程及其对可靠性的影响”和“大容量特种高性能电力电子系统理论和关键共性技术研究，从电磁能量变换、瞬态换流回路以及系统可靠性的新视角提出了有效的大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法；比较深入地研究了大功率器件开关瞬态建模与应用特性、分布杂散参数的提取及影响、不同时间尺度的电磁脉冲过渡过程和系统瞬态能量平衡关系等问题；建立了器件与装置、集中参数与分布参数、以及控制与主回路之间的定量关系，建立了系统安全工作区的概念，提出了大容量电力电子变换系统设计、分析和控制的新思路。