电力电子发展之我见

2019-09-10徐齐严嘉豪韩雷文亮力

锦绣·下旬刊 2019年5期

徐齐严嘉豪韩雷文亮力

摘要：电力电子经历了从无到有，从有到广的过程。特别在近20年来，电力电子技术以它的强大生命力迅速发展壮大。说到它的广包括了很多方面：电力变换种类广、主电路拓扑结构广、控制IC种类广、应用领域范围广。在下文中我将针对电力电子发展史、电力变换种类和应用领域谈谈自己的理解。

关键词：电力电子;风力发电;电子器件;PFC

1.电力电子发展史

大家普遍认为，1957年在美国的通用电气公司研制出了世界上第一个晶闸管，这一事件象征着电力电子技术的诞生。而我们把晶闸管出现之前的时期通常称之为电力电子技术的黎明期也可以称为史前期。史前期的电力电子技术的发展比较坎坷大致经历了以下事件：1902年制造出了第一个玻璃的汞弧整流器。1910年制造出了铁壳汞弧整流器。用汞弧整流器来代替传统的机械式开关和换流器这一操作的实现，成为了电力电子技术的发端。1920年经过科学家不懈的努力试制出氧化铜整流器，并在1923年技术进一步突破，出现了硒整流器。

晶闸管属于半控型器件，其关断通常依靠其两端的电压的变化来实现，这是晶闸管的应用受到限制的一大弊端。在20世纪70年代涌现了大量的全控型电力电子器件，如：GTO、BJT、Power-MOSFET。其优越的自关断特性使其可以快速占领电力电子市场而且其优越的控制特性使电力电子技术的运用越来越广泛，把电力电子技术推进到一个全新的发展阶段，具有跨时代的意义。在20世纪80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件在高压大电流领域以极快速度发展起来并取得了巨大成就。

2.电力变换类型

电力变换的种类按其变换的电信号类型可分为四种：交直变换（AC-DC）、直直变换（DC-DC）、直交变换（DC-AC）、交交变换（AC-AC）。下面我就对这四种电力变换谈谈自己的理解和认知。

AC-DC变换器又称整流电路。传统整流电路采用四个二极管将交流电整流成脉动的直流电，再通过大电解电容滤波成纹波较大的直流电，后级加DC-DC变换装置输出就可以变压或横流。但这种做法存在一定的问题，输入的PF值在60%-70%左右，向电网注入大量谐波，这是不被允许的。所以PFC技术应运而生，启用独特的控制方法使输入电流波形跟随输入电压波形，以使输入PF值接近于1。其中BOOST PFC变换器由于电路结构简单、输出电压纹波小、功率因素高且成本低在实际中受到了广泛使用。PFC又包括双级电路结构和单极电路结构：1、双级电路结构指前级为PFC、后级DC-DC变换电路;双级电路结构的优点在于输入PF值较单极电路结构要高，输出的动态稳定性更好，纹波也更小。2单极电路结构指一级PFC直接满足输出要求，其优点在于单极结构效率高，成本低。

DC-DC电路又称直流斩波电路。目前越来越向高功率密度、大电流、模块化发展。传统主电路拓扑有隔离型和非隔离型：1、非隔离型包括：Boost变换器、Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器、电容泵;2、隔离型包括：反激变换器（Flyback）、正激变换器（Forward）、推挽变换器（Push-Pull）、半桥变换器（Half-Bridge）、全桥变换器（Full-Bridge）。新型的主电路拓扑结构有移相控制全桥软开关DC-DC变换器、有源钳位正激变换器等等。

DC-AC电路又称逆变电路。传统的解决办法是采用正弦脉宽调制技术（SPWM），SPWM技术可分为单极性和双极性。工程中多用双极性SPWM，是因为在输出电压过零时，单极性的控制电路要输出占空比接近于零的矩形波，较难实现，而双极性控制电路只需输出占空比为50%的矩形波即可，较容易实现。目前较为前沿的逆变技术是电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）。

AC-AC电路又称交流电力控制。传统的方法是用两组晶闸管整流电路，一组输出正压，一组输出负压，通过调节触发角的大小可以控制输出电压的幅值和频率，但只能用于降压和降频，有很大的局限性且输出电压和电流的波形畸变较大。目前常用的方法是AC-DC+DC-AC两级电路，这种方式可以方便的对电压的幅值和频率进行升降调节。如果外加锁相环的话既可实现两电网间的相互供电，即是直流输电的基本原理。

3.新能源发电于新型电力电子技术

下面我将从新能源并网、UPS电源、家庭常用电源说起。

新能源并网中的风力发电和交流发电采用了大量的电力电子技术。1、在变速恒频风力发电系统中，变频装置对发电机到电网的能量传递起决定性作用。对于交直交变频器来说，它能够有效地解决输入侧功率因数低、交交变频器的输出电压谐波多等缺点，同时它能够减少功率元件的使用数量，易于双向变流和控制策略的实现。变速恒频双馈电机风力发电系统和无刷双馈电机风力发电系统运用交直交变频器效果就十分显著。众所周知，风电机组在变速状态工作可以采集并获得最大的風能而且可以采用机械应力较小的材料以节省成本，减少噪音，所以在海上风电场中，一般采用电力电子变频器来实现有功和无功的控制。2、在光伏发电系统中最为重要的就是太阳能光伏板和电池之间的DC-DC电路和电池与电网之间的DC-AC电路。独立供电的光伏系统包含了上述的两种电路;并网光伏系统采用的是光伏板到电网的一级DC-AC电路，中间不设储能装置。

UPS电源又称不间断电源，主要由整流器（PFC电路）、逆变器、蓄电池组、交流滤波器、静态开关、旁路电源等组成。整流器将市电交流电转换为直流电，经滤波后供给逆变器并且给蓄电池提供充电电压。逆变器是UPS的核心部分，为了能让用户得到所需的恒压恒频的交流电，它主要负责把整流滤波后得到的直流电或蓄电池储存的直流电转化为交流电，从而满足用户需求。静态开关采用的是两个反向并联的晶闸管用于连接和切除负载。

家庭常用电源包括充电器、调功装置。手机充电器一般采用的是反激变换器，电脑充电器一般采用半桥或全桥变换器。常见的调功装置有台灯亮度调节装置、电热炉发热量调节装置，采用的是两晶闸管反向并联通过关断几个整周波再接通几个整周波来起到调节输出功率的目的。

4.结束语

由以上讨论可知，电力电子技术在最近的20年期间有了飞速的发展，并且不断渗透进我们生活的每个方面，它的出现大大加快了工业和社会电气化的脚步，推动了人工智能和大数据的发展。电力电子的的发展赋予了电气工程新的生命，加快了电气工程的自我革新。

参考文献

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[5]姜建国，乔树通，郜登科，电力电子装置在电力系统中的应用[J].电力系统自动化，2014，38（3）：2-6.

作者简介

徐齐（1995—），男，汉族，四川遂宁，西华大学电气与电子信息学院本科，研究方向：电气工程及其自动化。

严嘉豪（1998—），男，汉族，四川乐山，西华大学电气与电子信息学院本科，研究方向：电气工程及其自动化。