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电力电子技术的应用综述摘要: 作为电工技术中的新技术，电力电子技术已受到学术界、工程界的广泛关注，并在国民经济众多领域取得了许多成功应用。为此，围绕电力电子技术的应用展开全面综述，重点介绍了针对电源、镇流器设计、电力系统的应用。关键词: 电力电子技术，应用Applications of Power Electronics Abstract: As novel evolutionary electric techniques, power electronics are paid wide attention and researches in both academic and industry fields and achieve many successful applications in economy of nation. A complete survey on power electronics is presented in aspect of its applications.the applications aiming at power source,ballast resistor and electric power system are especially introduced.Key Words: Power electronics，application- 5 -【引言】电力电子技术是以电能的电压、电流、频率、相位等为转换形式，尤其是以大功率的频率转换为主要对象，向所有用电领域扩展。当今，电力电子技术已成为包括材料、器件、电路、装置、系统、控制在内的一体化有机整体。 电力电子技术在国民经济的各个部门，包括工业生产、交通运输、电力系统、通信工程和家用电器等发挥着重要作用，涉及千家万户。以下将对电力电子技术的各种应用进行归纳。【应用分类】一、电源 人们最常用电力电子技术来制造不同电力系统和用电设备的电源，通常有以下归纳：（一）直流开关电源直流开关电源的定义是用通过电路控制开关管进行高速的导通和截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，由此能把直流电转化为不同频率的交流电。直流开关电源的工作原理如下：交流电源输入经整流滤波成直流，通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,使整流滤波后的直流加到开关变压器初级上，开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 另外，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的. 直流开关电源主要用于工业控制、电力、通信和计算机设备等。（2） 不间断供电电源（UPS） UPS是一种高可靠、高性能的电源，适用于不能间断供电、对可靠性要求较高的重要设备。交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一路备用电源通过电源转换开关来实现。现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。（3） 高频逆变式整流焊机电源。 高频逆变式整流焊机电源代表了当今焊机电源的发展方向，是一种效率高、性能优良、体型小巧的新型焊机电源。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流（AC-DC-AC-DC）变换的方法。该过程是：50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制（PWM）的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。（四）直流-直流（DC/DC）变换器DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，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。用直流斩波器代替变阻器可节约电能（2030）%。直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源），同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W20W/in3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。二、变频器 变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期，日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调，96年引进生产线生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外，还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略，精选功能组件，是空调变频电源研制的进一步发展方向。三、电子镇流器 关于照明技术，电力电子最突出的贡献是电子镇流器（Electricalballast）。它是镇流器的一种，采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。与之对应的是电感式镇流器(或镇流器)。现代日光灯越来越多的使用电子镇流器，轻便小巧，甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起，同时，电子镇流器通常可以兼具起辉器功能，故此又可省去单独的起辉器。电子镇流器还可以具有更多功能，比如可以通过提高电流频率或者电流波形(如变成方波)改善或消除日光灯的闪烁现象；也可通过电源逆变过程使得日光灯可以使用直流电源。 四、用于电力系统目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能环节等等。（一）发电环节电力电子技术可用于改善电力系统发电设备的运行特性，有以下分类。（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。由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。（2）水力、风力发电机的变速恒频励磁。水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后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）太阳能发电控制系统。开发利用无穷尽的洁净新能源太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。日本实施的阳光计划以34kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以1015kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂（7.2MW）等。 （4）分布式开关电源发电供电系统分布式电源发电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。（二）输电环节 （1）柔性交流输电技术（FACTS）柔性的交流输电技术是上世纪八十年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数（如线路阻抗）、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。到目前，FACTS控制器已有数十种，按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类，但共同的功能都是通过快速、精确、有效地控制电力系统中一个或几个变量（如电压、功率、阻抗、短路电流、励磁电流等），从而增强交流输电或电网的运行性能。已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器（SVC）、静止调相机（STATCON）、静止快速励磁器（PSS）、串联补偿器（SSSC）等。近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。 （2）高压直流输电技术（HVDC）1970年世界上第一项晶闸管换流阀试验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。新一代HVDC技术采用GTO、IGBT等可关断器件，以及脉宽调制（PWM）等技术。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力。此外，可关断器件组成的换流器，由于采用了可关断的电力电子器件，可避免换相失败，对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统（海上石油平台、海岛） 供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程于1997年投入运行。（3）静止无功补偿器（SVC）SVC是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。SVC可以有不同的回路结构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管投切电抗器（TSR）或晶闸管控制电抗器（TCR）。我国输电系统五个500kV变电站用的SVC容量在105170Mvar，均为进口设备，型式为TCR加TSC或机械投切电容器组。国内工业应用的TCR装置大约有20套，容量在1055Mvar，其中一小半为国产设备。低压380V供电系统有各类TSC型国产无功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的SVC在我国的输变电系统运行。（三）配电环节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（CustomPower）技术。用户电力技术（CP）技术和FACTS技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用FACTS的核心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力;发展CP的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。CP和FACTS的共同基础技术是电力电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值不同，目前二者已逐渐融合于一体，即所谓的DFACTS技术。具有代表性的用户电力技术产品有:动态电压恢复器（DVR），固态断路器（SSCB），故障电流限制器（FCL），统一电能质量调节器（PQC）等。（4） 谐波抑制与电能质量控制传统的交流-直流（AC-DC）变换器在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓“电力公害”，例如，不可控整流加电容滤波时，网侧三次谐波含量可达