浅析电力电子技术与发展前景

2011-08-15王青林黄曼霞

山东电力高等专科学校学报 2011年3期

王青林黄曼霞

1.商丘技师学院河南商丘 476000；2.商丘职业技术学院河南商丘 476000

0 引言

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行交换和控制的技术。电力电子技术与信息电子技术合成为电子技术，二者本质上的不同在于信息电子技术主要用于信息处理；而电力电子技术则主要用于电力变换，它是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为支撑的技术平台。

1 电力电子技术的发展历程

电力电子技术早在20世纪中期就已出现，在50年代末60年代初，电力电子才真正成为一门学科。随着大功率晶闸管和GTO（门极可关断晶体管）的出现，电力电子技术开始登上现代电气技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气技术领域的一次革命，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，这标志着电力电子技术的诞生。

电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为电力电子技术的诞生奠定了基础。晶闸管自诞生以来，电力电子器件已经走过了五十多年的概念更新、性能换代的发展历程。

1.1 第一代电力电子器件

以电力二极管和晶闸管（SCR）为代表的第一代电力电子器件，以其体积小、功耗低等优势首先在大功率整流电路中迅速取代老式的汞弧整流器，取得了明显的节能效果，并奠定了现代电力电子技术的基础。电力二极管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。

晶闸管诞生后，由晶闸管及其派生器件构成的各种电力电子系统在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重等问题，因而大大提高电能的利用率，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。

1.2 第二代电力电子器件

自20世纪70年代中期起，电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、电力场控晶体管（功率MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）、MOS 控制晶闸管（MCT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等通断两态双可控器件相继问世，电力电子器件日趋成熟。一般将这类具有自关断能力的器件称为第二代电力电子器件。全控型器件的开关速度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。

1.3 第三代电力电子器件

进入20世纪90年代以后，为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减少，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），也就是说，电力电子器件的研究和开发已进入高频化、标准模块化、集成化和智能化时代。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化是电力电子器件发展的必然趋势。

2 电源技术的发展概况

2.1 电源技术简介

电力电子技术的研发归根结底还是电源技术。由于电力电子技术主要用于变流，也即各种电流源。它提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频变流电源及变频交流电源，为用电设备提供不同种类的电源需求。

2.2 整流电路

整流电路的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。按组成器件可分为不可控、半控、全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可分为单相电路和多相电路。

典型的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单向整流电路、单相全波整流电路及单相桥式半控整流电路等。

三相可控整流电路用于整流负载容量较大或要求直流电压脉冲较小易滤波的场合，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路有三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路及十二脉波可控整流电路等。

2.3 逆变电路

逆变电路与整流相对，把直流电变为交流电称为逆变，当交流侧接上电网，即交流侧接有电源时称有源逆变；当交流侧直接和负载连接时称无源逆变。

逆变电路主要用于各种电路电源的换流，故其换流方式很重要，已有的换流放式有器件换流、电网换流、负载换流、强迫换流等。利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流；由电网提供换流电压称为电网换流；由负载提供电压称为负载换流。

2.4 直流——直流变流电路

直流——直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定的电压或可调电压的直流电，包括直流变流电路和间接直流变流电路。这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。

直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，前两种是最基本电路。

2.5 交流——交流变流电路

交流——交流变流电路即把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。

交流——交流变流电流电路可以分为直接方式和间接方式两种，交流——交流变流电路中只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。

3 电力电子技术的应用

3.1 在发电环节中的应用

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

3.1.1 大型发电机的静止励磁控制

静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有快速性调节、结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。

3.1.2 水力、风力发电机的变速恒频励磁

当水头的变化幅度较大时，机组的最佳转速便随之发生变化。风叶捕捉最大风能的转速也会随风速而变化。为了获得最大有效功率，可通过调整转子励磁电流的频率，使其保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

3.2 在输电环节中的应用

3.2.1 直流输电（HVDC）和轻型直流输电（HVDC Light）技术

直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970年世界上第一项晶闸管换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。

3.2.2 柔性交流输电（FACTS）技术

FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，能大幅度提高电力系统的稳定水平。

3.3 在配电环节中的应用

配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。

电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电力（Custom Power）技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。

3.4 在节能环节的运用

目前，交流变频调速在冶金、矿山等部门及社会生活中得到了广泛的应用。首先是风机、泵类等变负荷机械中采用变频调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量和水流量具有显著的节能效果。国外变负荷的风机、水泵大多采用了交流变频调速，我国正在推广应用中。

变频调速的优点是调速范围广，精度高，效率高，能实现连续无级调速。在调速过程中转差损耗小，定子、转子的铜耗也不大，节电率一般可达30%左右。其缺点主要为：成本高，产生高次谐波污染电网。

4 电力电子技术发展前景

4.1 国际电力电子技术发展状况

电力电子技术的渗透力和创新表现十分突出，生命力格外旺盛，处于阳光产业地位，并与其它学科相互融合和发展产生新的机遇。电力电子技术还有其自身一些独具特色的地方，如高电压、大容量及控制功率范围大。因此，技术的创新难度在于必须跨越高电压大功率这一关卡，如材料工业和制造工艺、电力电子器件工作的可靠性等。

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，这些国家正朝着电力电子技术高频化、大功率方向发展，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前景。

4.2 我国电力电子技术发展前景

我国开发研制电力电子技术的综合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，并形成产业化规模，就必须牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。

我们要及时跟踪国外先进技术，逐步走上自主创新之路，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，从器件制造工艺技术引导上创新，从新材料科学的应用上创新，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，加快科技创新的自我强化的循环，使我国电力电子技术及器件制造工艺技术有长足的发展，并形成一个全新的朝阳产业，快速转化为巨大的生产力。