电力电子发展趋势的研究

电力电子发展趋势的研究

半导体的出现成为20世纪现代物理学的一项最重大的突破，标志着电子技术的诞生。而由于不同领域的实际需要，促使半导体器件自此分别向两个分支快速发展，其中一个分支即是以集成电路为代表的微电子器件，而另一类就是电力电子器件，特点是功率大、快速化。自20世纪五十年代末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置，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。

电子电力技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路3部分，是以电力为处理对象并集电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的综合性学科。电力技术涉及发电、输电、配电及电力应用，电子技术涉及电子器件和由各种电子电路所组成的电子设备和系统，控制技术是指利用外加的设备或装置使机器设备或生产过程的某个工作状态或参数按照预定的规律运行。电力电子器件是电力电子技术的基础，电力电子器件对电能进行控制和转换就是电子电力技术的利用。在21世纪已经成为一种高新技术，影响着人们生活的各种领域，因此对对电子电力技术的研究具有时代意义。

传统电力电子技术是以低频技术处理的，现代电力电子的发展向着高频技术处理发展。其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。电力电子技术在1947年晶体管诞生开始形成，接着1956的晶闸管的出现标志电力电子技术逐渐形成一门学科开始发展，以功率MOS-FET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现，表明已经进入现代电子电力技术发展时代。

1.整流器时代

在60年代到70年代被称为电力电子技术的整流时代。该期间主要是大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用。1948年的晶体管的出现引发了电子工业革命，半导体器件开始应用与通信领域，1957年，晶闸管的诞生扩展了半导体器件功率控制范围，属于第一代电力电子器件。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，当地办硅整流器厂逐渐增多，大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，其中电解、牵引、和直流传动是以直流形式消费。

2.逆变器时代

20世纪70年到80年代期间成为逆变器时代，该期间的电力电子技术已经能够实现逆变，但是仅局限在中低频范围内。当时变频调速装置因为能节能大量普及，巨型功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）和大功率逆变用的晶闸管成为当时电力电子器件的主流。它们属于第二代电力电子器件。

3.变频器时代

进入80年代，功率MOSFET和绝缘栅极双极晶体管（IGBT）的问世，电力电子技术开始向高频化发展，高压、高频和大电流的功率半导体复合器件为第三代电器元件的大规模集成电路技术迅速发展，他们的性能更进一步得到了完善，具有小、轻和高效节能的特点。

4.现代电力时代

20世纪以来，电力电子作为自动化、节材、节能、机电一体化、智能化的基础，正朝着应用技术高频化、产品性能绿色化、硬件结构模块化的现代化方向发展。在1995年，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件出现并广泛被人们应用，功率器件和电源单元的模块化，使用方便，缩小整机体积，器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。电子电力技术具有全控化、电路形式弱电化、集成化、高频化和数字化的特点。更能带来节能、节省材料和减少污染的经济效益和生态效益，能控制精度高、避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰，改善了工作条件。

进入90年代电力电子器件的研究和开发，已进入高频化，标准模块化，集成化和智能时代。从理论分析和实验证明电气产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，也就说， 当我们将50Hz的标准二频大幅的提高之后，使用这样工频的电气设备的体积与重量就能大大缩小，使电气设备制造节约材料，运行时节电就更加明显，设备的系统性能亦大为改善，尤其是对航天工业其意义十分深远的。故电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新的主导方向，而硬件结构的标准模块是器件发展的必然趋势，目前先进的模块，已经包括开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并都以标准化和生产出系列产品，并且可以在一致性与可靠性上达到极高的水平。目前世界上许多大公司已开发出IPM智能化功率模块，如日本三菱、东芝及美国的国际整流器公司已有成熟的产品推出。

电力电子技术作为现在不可缺少的一门科学技术，在生活生产的各个方面都得到了广泛的应用：

1.工业领域

在工业中，大部分都使用的是交直流电动机。例如数控机床的伺服电机、轧钢机和矿

山牵引、大型鼓风机等等都采用电子交直流技术。在大量的冶金工业中的高频和中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源也大量的采用电力电子技术。在水里电厂蓄能机组中，大型机组工作状态的调速好改变也采用现代电力电子技术的变流装置，当负荷降低时，将下游的水抽到水库，储存能量，以调节电力系统的供电量。

2.交通运输

交通业的发展也离不开电子电力技术，电气机车中的交流机车和直流机车分别采用变频装置和整流装置，车辆中的各种辅助电源都离不开电力电子技术。特别是飞机、船舶需要更多不同种类的电源，他们的运输就更需要电力电子技术的支持。电梯也开始使用交流变频调速，铁道车辆运用了直流斩波器，火车将由PWM逆变交流牵引系统取代原来的直流系统。磁悬浮列车也是同样采用电机传动，超导磁浮铁道系统为各先进国家关注的热点。一旦成功，将使火车时速高达500km。这将大大提高运力，缓解交通运输对国民经济发展的制约。地铁、轻轨车及机车牵引，已是电力电子技术的应用领域。

3.传统产业

通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，据预测，以后绝大部分电源都要经过电力电子技术处理后使用，为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件。在现代电力电子技术的支撑下，改善了劳动的恶劣环境，把工人带入到现代化的智能工作室，使得传统产业的劳动力强度有所降低，工作效率提高，进而改造了传统产业。特别当应用于化石燃料电站和核电站中的时候，电力电子技术的能良好的控制其存在的安全隐患与环境污染。

4.家用电器

现代化电力电子技术以全控型新器件及各种PWM电路为代表，广泛应用于交流调速系统，交流电气牵引及家用电器等领域。人们开始享受到了电力电子技术带来的恩惠。电视机、电冰箱、微波炉、电子计算机、洗衣机、电热水器等都是应用电力电子技术发展而来的。例如高频荧光灯比白炽灯效率高2倍~3倍，变频空调器的使用就能节约30%的电能。电力电子技术使得家用电器日益向智能化发展，使人们享受科学技术带来的美好享受。

电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化控制和机电一体 化领域竞争最激烈的阵地，各发达国家均在这一领域注入极大的人力，物力和财力，使之进 入高科技行业，就电力电子技术的理论研究而言，目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧 国家可以说是齐头并进，在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善，促进电力电 子技术向着高频化迈进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工控设备的小型化，轻量化 ，智能化奠定了重要的技术基础，也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比，仍有较大的差距，要发展和创新我国电力电子技术，应该牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。从跟踪国外先进技术，逐步走上自主创新，从交叉学科的相互渗透中创新，从器件开发选择及电路结构变换上创新，这对电力技术创新是尤其实用的。也要从器件制造工艺技术引导创新，从新材料科学的应用上创新，以此推动电力电子器制造工艺的技术创新，提高器件的可靠性。由此形成基础积累型的 创新之路。并要把技术创新与产品应用及市场推广有机结合，已加快科技创新的自我强化的 循环，促进和带动技术创新有着稳定的基础，以使我国电力电子技术及器件制造工艺技术有以长足的发展，推动我国工业领域由粗 板型经营走向集型，促进国民经济以高速、高度、可持续发展。

电力电子变压器是一种有发展前途的电力电子设备。它与目前使用的铁芯铜线变压器，

有明显的优点，特别是耐高压（15kV）的碳化硅器件的成熟会给电力电子变压器的发展带来新的机遇。它是未来智能电网的得利电力电子设备。作为一种新型的电力变压器，得到了国内外研究人员越来越多的关注。

1、定义

电力电子变压器，又称为固态变压器——P E T ( P o w e r E l e c t r o n i c T r a n s f o r m e r )， 也有称为EPT。

电力电子变压器是一种含有电力电子变换器，且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递。

2、电子电力变压器的基本组成和工作原理

2、1 基本组成（以单相为例）

基本组成见图2.1

2、2 直接、AC/AC变换的电力电子变压器（以单为例）

2、3 含直流环节的PET

2、4 单相含直流PET的电路结构

2、5 用于风电、光电和小水电单相并网PET

图2.5用于风电、光电和小水电单相并网PET

3、电力电子变压器优点和缺点：

3、1 优点

1）．体积小，重量轻，无环境污染；

2）．运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负载变化；

3）．始终保证原、副方电压电流为正弦波形，并且原、副方功率因数任意可调；

4）．具有高度可控性，变压器原副方电压、电流的幅值和相位均可控：

5）．兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时(微秒级)关断故障大电流，也无需常规变压器的复杂继电保护装置。

将电力电子变压器应用到电力系统后，将会给电力系统带来许多新的特点，有助于解决电力系统中所面临的许多新课题，主要表现在如下几个方面：

第一，PET作为一种高度可控的新型输电设备，其原副方电压的幅值和相位均

可控，且可关断故障大电流。这一特点应用到电力系统后，将有望大幅度提高系统的稳定性。

第二，PET交直流环节兼有，所以可灵活地将各种分布式电源接入电力系统。

第三，PET具有高度的可控性．广泛应用后，将能够在保证系统稳定性的条件下实现对潮流的实时灵活控制。

第四，与PET相联的同步发电机可实现异步化运行。当系统发生故障时，发电机可实现短时异步化运行而不会与系统解列，提高系统的安全稳定性和供电可靠性。

第五，当前电网中如谐波、电压跌落、闪变等电能质量问题日趋严重，将PET用于配电系统后，将能够起到电能质量调节器的作用。

3、2电力电子变压器不足之处：7

(1) 电力电子装置的使用可能会产生谐波，但通过适当的PWM控制可以减小到最低程度。

(2)按理论计算，电力电子变压器效率高于常规变压器，但在目前技术条件下，实际运行效率可能比常规变压器稍低一些。以后随着电力电子器件发展水平的提

高、控制方案的改进优化以及散热方式的改善等，电力电子变压器的运行效率会逐渐提高，一定会超过常规变压器。

(3)由于目前电力电子器件较贵，因此电力电子变压器价格较常规变压器要贵一

些，这将直接影响推广到实际应用。