现代电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展

浙江大学电气工程学院电气工程及其自动化992班 马玥 （浙江 杭州 310027 E-mail: yeair@cee.zju.edu.cn） 学号：3991001053

摘要：本文简要回顾电力电子技术的发展，阐述了现代电力电子技术发展的趋势，论述了走向信息时代的电力电子技术和器件的创新、应用，将对我国工业尤其是信息产业领域形成巨大的生产力，从而推动国民经济高速、高效可持续发展。 关键词：现代电力电子技术；应用；发展趋势

The Development of Modern Power Electronics Technique

Ma Yue Electrical Engineering College. Zhejiang University. Hangzhou 310027, China E-mail: yeair@cee.zju.edu.cn

Abstract: This paper reviews the development of power electronics technique, as well as its current situation and anticipated trend of development. Keywords: modern power electronics technique, application, development trend.

1、 概述 自本世纪五十年代未第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装臵，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子的诞生。 那么究竟什么是现代电力电子技术呢？[1]麻省理工学院的KASSAKIAN教授的观点是：“目前电子技术的典型应用是信息处理，这些应用都需要电源提供电能；而电力电子技术主要关心的是能量处理，它把电能从一种形式高效地转换成另外一种形式”，这里强调的是电能的转换和利用效率。九州大学的原田耕介先生认为：“电力电子技术是一种借助于半导体功率器件的开关技术”，这里强调的是电力电子器件的开关作用。柏林工业大学的HEUMAN教授认为：“电力电子技术借助于半导体功率器件对电能进行控制”，这里强调的是对电能的控制。综上所述，电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。 从几十年的发展来看，[2]半导体器件确实起了推动电子技术发展的作用。晶闸管等电力半导体器件扮演了电力电子发展中的主要角色。进入70年代，晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品。普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。这些年来的经验表明：[2]当某种关键的半导体器件诞生后，往往会引起电子技术的一个飞跃。可以看到，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展，这又是一个飞跃。而进入90年代，电力电子器件正朝着复杂化、标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，以此为基础形成了电力电子技术的理论研究，器件开发研制，应用的高新技术领域，在国际上竞争颇激烈。 目前，[3]电力电子技术的应用已从机械、石化、纺织、冶金、电力、铁路、航空、航海等领域，进一步扩展到汽车、现代通信、家用电器、医疗设备、灯光照明等领域。进入21世纪，随着新的理论、新的器件、新的技术的不断涌现，特别是与微电子（计算机与信息）技术的日益融合，电力电子技术的应用领域也必将不断地得以拓展，随之而来的必将是智能电力电子时代。

2、 电力电子技术的主要应用概况 电力电子技术以实现功率变换为主，传递的是电能，微电子技术则以实现信号变换为主，传递的是信息。如果说微电子技术是弱电电子的话，电力电子技术则是强电电子，是现代工业电子。电力电子技术的应用贯穿在电能的获取、传输、变换和利用的几乎每个环节，将在新世纪发挥越来越重要的作用。[4]概括地说，电力电子技术就是在采用电力半导体器件实现各种频率变换的基础上，完成运动控制（Motion Control）和功率变换（Power Conversion），提供各种变频器和功率控制电源。 2.1发电领域中的电力电子技术 （1）发电机的直流励磁 现在，常规发电机中励磁的建立，已经从传统的直流磁励机转变为由中频交流励磁机加电力电子整流的方法，并已取得较好的技术经济效益，可靠性大为提高。 （2）水轮发电机的低频交流变频励磁 发电频率取决于发电机的转速。而水力发电受水流量随季节的变化，特别是枯水期水流量明显减少的影响，频率无法调节到额定（50Hz），只好放弃发电，缩短发电机工作时间，浪费了许多水能。现在，采用电力电子技术，把直流励磁转变为低频交流变频励磁：当水流量减少时，提高励磁频率，可以把发电频率补偿到额定，使水轮发电机的发电周期大大延长。这对三峡电站等大型水力发电设施来说，将带来巨大的经济效益。 （3）可再生能源发电中的电力电子技术 利用风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源发电，是克服能源危机（煤、石油、天然气等石化类能源日趋匮乏）的重要措施，它们是可再生的绿色能源，对环境和气候的影响也会得到缓解。但是这些能源转换的电能，其电压、频率难免波动，无法并网应用。通过电力电子变换装臵，使这些波动的电能以恒压恒额方式输出，实现这些新能源的实用化。 2.2储能领域中的电力电子技术 用电受昼夜影响而出现高峰和低谷，如果晚间能把发电机的多余电能储存起来，到白天再送到电网应用，相当于多盖了至少三分之一的发电厂，其经济价值是明显的。 （1）抽水储能发电 白天，上游水库泄水发电；晚间，利用多余的电网电能并使发电机转变成电动机运行，驱动水泵把下游水库的水抽进上游水库，增加上游水库蓄水，使白天可以更多地发电。当然，这种电能变为机械能，再变成电能的能量变换过程，效率是比较低的。 （2）地下室内的蓄电池与电容器组储能 把夜间电网提供的多余交流电整流成直流电，储存在建筑物地下室内的“蓄电池一电容器组”；白天，再把这些储存的电能逆变成交流电供给整个建筑物内的用电，已经成为某些地方的时尚。 （3）超导线圈的磁场储能 上述变换还是有相当能耗的。在超导体线圈中，数十万安培的直流电流在其中流动是不会损耗的，这种储能器体积大为缩小，转换效率很高。但是，如何实现常规交流电能同这种低电压超大电流的直流电能的互相转换，给电力电子技术提出了更新的课题。 2.3输电领域中的电力电子技术 （1）高压直流输电（HVDCT）技术 在远距离输电、跨海输电、非同期（非同步）的电力系统实现联网方面，高压直流输电优于高压交流输电。直流输电是把发电机发出的交流电通过变压器升压，再经过整流器使之变为直流，跨过几百、上千公里后，再通过逆变器变换为工频交流电，供终端使用。这里需要几十、乃至数百万千伏安的超大功率电力电子装臵。 （2）动态无功功率补偿（SVC）技术 发电厂发出的电能，只有一部分能有效地做功，称为有功功率，它占总发电量的比例称功率因数；另一部分能量或者因为电感（储磁能）、电容（储电能）的存在而与电源发生能量交换不做功，或者因为谐波的存在而不做功，这部分称之为无功功率。无功的存在使发电机功率因数降低．谐波污染电网，增加发电机和其他电气设备发热，无功的波动使电网电压波动。因此，对无功功率进行补偿具有明显的经济效益和社会效益。采用电力电子技术的动态无功功率补偿装臵在这方面起着重要作用。 （3）消除谐波改善电网供电品质 相控型电力电子设备是一谐波发生器．其大量的采用严重地污染了公用电网，带来电力品质的恶化。危及电网安全运行，其产生的电磁干扰(EMI)也危及通信、金融、航空、交通、医疗等行业的安全运行。采用电力电子技术，特别是有源滤波技术，抑制谐波发生，实现绿色电源，是新世纪必须要解决的问题。 2.4用电领域中的电力电子技术 （1）电动机的优化运行 全世界的用电量中[4]约有60％左右是通过电动机来消耗的。电动机只是在额定负载附近才是高效率的，但由于对过载、安全系数的考虑，电动机经常是在低效状态下运行。采用计算机——电力电子技术结合，使电动机经常处于高效状态，具有巨大的效益。 ①变负载电动机的调压节能 车床、冲床、剪床等许多机械，作为动力源的电动机是按最大负载功率来选取的。而它们的大部分工况是轻载。根据负载力矩大小的变化，采用电力电子技术自动改变电机的端电压——轻载时降低电压，就能使电动机轻载损耗降低。这就是所谓“马达节能器”。 ②通用机械的节能调速 风机、泵、压缩机等通用机械用电量占电动机用电量的一半左右。采用变频调速调节流体流量，比以往用挡板、阀门之类来调节，可节电 20％～70％。 ③工业应用机械的工艺调速 轧钢、有色金属压延、造纸、榨糖、大型机床等，基于工艺需要，其拖动电动机需要调速。采用变频调速，不仅效率高可节能，而且能使产品产量增加，质量提高。 ④运输机械的牵引调速 电气机车、内燃机车、地下铁道、轻轨机车、无轨电车，乃至磁悬浮列车和电动汽车，以及电梯、自动扶梯、矿井卷扬机和龙门吊等都是电动牵引系统。这些运输工具在运行中要求及时调速。国际上交流电动机变频调速在牵引应用中已占了优势。 ⑤精密调速 数控机床、伺服传动、机器人等各种运动控制，都要求很宽的调速范围和很高的调速精度，在国防上也有很多精密调速的需求。这里，采用[4]永磁无刷电动机达到1:50000到1:100000的宽域高精度调速已经实现。 按照最保守的计算，[4]全国现有电动机需要改造为变频调速的市场总价将是1200亿～1800亿元人民币，目前中国变频器市场的年销售额约为15亿元人民币。依此，需100年才能改造一遍，何况每年还有许多新机组投入。 （2）高能量密度的电源应用 ①电化学电源 铜、铝、锌、镍等有色金属，氯碱等化工原料，都是靠电解来实现的。[4]

现在几十万安培的直流电解装臵早己实现国产化。一般说来，它们都是电老虎，又是国民经济的基础。 ②开关电源 体积小、重量轻、效率高的各种开关电源已经从电视机、计算机、各种仪器仪表上的小功率应用，扩展到通讯电源、电焊电源、X光电源和CT电源、加速器磁铁电源、军用电源等中功率应用。通过适度提高开关频率，电源的体积、重量会成数十倍地减少下来。 ③变频电源 适应各种应用需要的、许多原来采用电子管的高频电源已越来越多的被采用电力电子器件的固态化电源替代。[4]例如：超声波电源、臭氧发生器、负氧离子发生器、荧光灯电子镇流器、热处理电源、声纳电源、无线电（长、中、短波）发射电源，以至微波电源。在新世纪中，随着电力电子技术的发展，更高频率、更大功率的固态化电源将不断开拓出来。 ④特种电源 不间断电源(UPS)、稳压稳流电源、高精度洁净电源等特种电源，采用电力电十技术后，各方面指标均大大改善。 总而言之，在各种与电相关的地方，凡是要求调节控制以实现自动化、智能化的场合，电力电子技术将同微电子——计算机技术相辅相成，发挥巨大作用。