电力电子技术发展的新技术与新趋势

电力电子技术发展的新技术与新趋势电力电子技术发展的新技术与新趋势 摘要：随着计算机应用技术在电力系统中不断发展和普及化，对于电力电 子技术的重视程度也越发增加。面对我国电力系统的不断建设和庞大的用电量， 电力电子技术为我国当代电力生产供应系统提供了良好的技术平台，为电力系 统的发电、配电、输电功能给予了支持。 关键词：电力电子技术；电力系统；应用分析 电力电子技术是计算技术在电力系统中的具体实现，随着电力系统计算机 化和信息化的水平不断提高，电力电子技术在电力系统中的作用也越发明显。 简单的说，电力电子技术就是通过计算机技术将强电和弱电进行有效的组合， 它是计算机应用技术、电子技术、电路技术还有电力控制技术为一体的服务性 的技术。笔者就电力电子技术在我国电力系统中的应用和发展进行了重点阐述， 说明电力电子技术在电力系统中的重要性。 电力电子器件的发展：电力电子技术产生自以后在电力系统中有了十足的 发展。第一代的电力电子器件主要以电力二极管和晶闸管为代表。第一代电力 电子器件的特点是体积小、耗能低。在电力电子技术产生以后其迅速的取代了 原有电力系统中的老式汞弧整流器，为电力电子技术的推广和发展奠定了良好 的基础。同时，电力二极管对于电路系统中电路性能的改善作用十分明显，它 在降低电路损耗和提高电源使用率方面也各有建树。 电力电子技术发展到现在，整流二极管的种类各式各样，功能也各不相同。 随着电力系统的不断发展，第二代电力电子器件在上世纪 79 年代产生，第二代 电子电力器件的特点是具有自动关断能力（例如可关断晶闸管和静电感应晶体 管等） 。第二代全自动可控型的电力电子器件较第一代晶闸管相比，开关速度有 了明显的提升，可以用于开关频率较高的电路中。 第三代电力电子器件的产生是在上世纪末 90 年代，随着电力系统的不断建设 和发展，电力电子装置的结构和体积得到了进一步的改良，第三代电力器件的 体积更小，结构也更为紧凑。并且出现了将几种电力器件相结合的电子模块形 式，为电力器的发展和使用创造了很大的方便。后来，又在集成模块的基础上， 把应用于控制电力技术中的多中国电力器件相组合，构成了集成电路。功率集 成电路的出现，标示着电力电子技术迈向了高频化和标准模块化以及集成化和 智能化的新时代。 电力电子技术的产生至现在，以电力电子器件的变革为历程，经历了以上三 个阶段。目前，电力电子技术正向着以高频技术处理问题为主的现代电力电子 技术方向发展。在实现高频技术的基础上，更增加了节能、环保、自动化、自 能化等特点。 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电 子器件（如晶闸管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电 子技术所变换的“电力”功率可大到数百 MW 甚至 GW，也可以小到数 W 甚 至 1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电 力变换。电力电子技术因其突出的节能效果和能够适应各种用途变换的功能， 加上它使得电脑技术应用于强点领域的接口低位，已经强有力的渗透到电气设 备的制造和应用领域由于 IGBT 和 MOSFET 等新器件的推广和以开关电源为代 表的电路技术的发展，电力电子技术将在 21 世纪继续以强劲势头渗透进电气技 术的各行各业，电力电子的发展已经引起相关机电行业技术人员的关注。 班级：10 电 51 学号：10285011 姓名：孙文杰 电力电子技术的主要任务为实现电能的转换，它的主要研究目标是节能， 努力挖掘一切潜在的提高效率的途径，实现节能和保护人类生存环境。功率变 换技术正是实现这一目标的重要手段。经过多年的发展这一技术已经成熟现代 电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和 电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起 关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。 近年来的发展主要集中在软开关高压，大功率和低压，大电流变换技术方 面。 1. 高电压，大功率的逆变技术 当前电力电子技术的一个最新发展动向是中高压功率逆变技术。它们主 要应用于大功率电机传动系统和电力系统各类电力电子应用装置。这方面的 前沿课题有高功率开关容量，高耐压，高电流的新型大功率器件；新型多电 平逆变器；大功率逆变器的串并联及动态投切；新型灵活交流输电系统等 2低电压，大电流 DC/DC 逆变技术 现代微处理器和一些超高速的超大规模继承电路芯片要求运行在低电压 （2.43.3V） ，大电流状态（13A)，而它们的直流母线电压通常为 5 12V。这样就需要对直流母线进行 DC/DC 的变换，通常用 VRM 的电压调整 模块来实现。显然，随着芯片继承密度，运行速度的提高对 VRM 的要求必 然提高。为了使 VRM 具有负载电流的动态响应，采用传统办法（并电容， 串电感）存在体积较大的缺陷。为此一种交错叠加行标准方波抵消文波的变 换拓扑结构被提出来。 3. 电磁兼容和谐波抑制 随着各种电力电子装置和电力电子设备在家庭工厂交通国防等方面日益 广泛的应用，电磁干扰，和谐波干扰已经成为电气工程设计和研究人员在设 计过程中必须考虑的问题。谐波抑制技术：有两种之力谐波的方法及主动型 和被动型。主动型是设法使接入电网的 电子装置不产生谐波；被动型是采 用补偿的方法使电子装置网侧入端电子为正弦波。电磁兼容技术由于某些特 殊性和对功率电力电子装置进行 EMC 测量上的具体困难，为此专门针对店 里电子系统电磁兼容的研究工作还处于发展阶段。 4. 分布式开关电源供电系统 分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利 用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与 弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产 效率。 八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并 联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种 变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率 装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。 自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量 逐年增加，应用领域不断扩大。 分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大 型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集 成电路的低电压电源(3.3V)的最 为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、 电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域 也有广阔的应用前景。当然电力电子新技术还有很多。 在电力电子新技术发展的同时电力电子的发展也呈现出新的趋势。硅器件 在今后已经没有什么可以突破的空间了。目前研究的方向是碳化硅等下一代半 导体材料。这些材料做成的器件导通损耗很小，而承受的电压会提高很多，承 受的温度会达到 150 度，250 度，300 度等。这种新器件将在未来的 5 到 10 年 出现，并将产生革命性影响。电力电子技术的核心是电源变换技术。由于能源 短缺和环境问题，现在发展火热的电动汽车和各种新能源发电技术等方向都需 要大量新型高效的电力电子变换器。其在电气工程领域应该是最具有发展潜力 的。其发展趋势不外乎在原有的基本变换器基础之上追求更高的电能转换效率、 更低廉的生产成本以及可靠性更高的拓扑和控制方法。 1 高频化 理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供 电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频 50Hz 提高到 20kHz,提高 400 倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5l0%。无论是逆变式整流 焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业“ 的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根 据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源“,其主要材料可以节约 90%或更高, 还可节电 30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原 来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效 益,更可体现技术含量的价值。 2 模块化 模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模 块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关 器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准“功率模块(SPM)。近年,有 些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化“功率模 块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的 不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应 力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用 户专用“功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到 一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的 热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专 用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模 块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的 目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降 到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。这样,不但提高 了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增 加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一 出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。 3. 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约, 而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些 电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准, 如 IEC555、IEC917、IECl000 等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成 对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电 压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20 世纪末,各种有源滤波器和有源 补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。 总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现 又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、 模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和 高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信 用开关电源,仅国内有 20 多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员 对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具 有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。 还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去 开发。 结束语： 电力电子技术在电力系统中的应用和发展对于电力系统的建设和发展起到了 里程碑的作用。随着计算机技术和电力技术的不断发展，电力电子技术也在不 断的吸收新的技术不断的发展。然而，作为一种处在发展过程中的电力控制技 术。电力电子技术在电力系统中的应用和稳定性还远远不能够达到电力电子技 术的设计要求。