90年代国际电力电子技术的发展和进步.pdf

9 0 年代国际电力电 子技术的发展和进步 蔡宣三 清华大学电 机工程系 北京 1 0 0 0 8 4 摘共 电力电子是传统的节能技术和绿色环保技术 工业经济正 被知识经济取代 电力电子是知识密集型 基于高科技的产业 应从全球经济竞争考虑国 家电力电 子的发展 s i c是2 1 世纪电力电子 器件的理想材料 臾成电力电子 模块的开发要开展跨学科联合 研究 应加强软开关技术 高频磁技术 电网谐波治理 E M C 和变 频控制技术的研究 高 压大功率电力电子 促使现代电力系统F A C T S和 用户电力 技术的发展 基于仿真的 电力电子 器件 变流器和系统 的专家系统是2 1 世纪的发展方向之一 关 甸 电力电子 技术进步电力半导 体器件电力电子应用 电力电子器件的 参数额定值范围 约为 电 压 5 5 0 0 0 V 电 流 0 5 5 0 0 0 A 频率 5 0 H z 3 G H z o 8 0 年代末期 预测9 0 年代国际电 力电 子技术的发展时 不少专家认为 电力电子 器件的发展方向是 高频化 大功率 化和易于驱动 使用 到2 0 0 0 年 各种电力电 子器 件的使用频率将提高一个数量级 例如 功率M O S F E T 的 频率 以k H z 计 下同 从1 0 1 提高 到1 0 3 IG B T则 从1 0 提高到1 0 0 而 器 件功率也 将有所 提高 IG B T 的 功率 以 M V A计 一 同 从0 1 提高到1 G T O则从1 0 以下提高到1 0 电 力电子应用的发展方向是 小型轻量 化 高 精度快速响 应 并 进一步系统化 认为到公元2 0 0 0 年 以下几方面将 逐步由计划变为现实 无直流环节的变频器 新型电力补偿器 应用自 关断器件的高压直流 输电 装置 磁悬浮运载工具 超导磁铁储能 卡片式开关电 源 高频链U P S 自 动驾驶的电 动汽车 等 1 0 9 0 年代 电力电 子器件和应用技术实际上有很大的发展和变化 某些方面的成就已 超出 了十年前专家们的预测 本文从以下 几方面综述过去1 0 年电 力电 子技术在国际上的发展 变 化和成就 并讨论电力电 子与知识型经济 绿色能源以 及现代电 力系统等的关系 1 电力电 子技术与知识经济 经济学家认为2 1 世纪的经济将发生巨大变革 富有生命力的 新型的 知识经济 开始 替代传统的一 业经济 对世界经济的发展将有很大推动力 知识经济的主要特征表现为高 新 技术推动产业结构和信息技术的广泛应用 因而信息产业是知识经济的基础 电力电子是一 种能量处理技术 以 信息流控制能量流的技术 电力电子技术与 信息处理技术 一微电子技 术的结合己成为当 今技术发展的主流 例如电力电 子器件要用微电子电路实现控制 大规模 高 速微处理器需要电力电子电 源供电 电力电子也是知识密集型 以高新科技知识为基础的 产业 如果缺乏对电力电子国际科技前沿动态的了解 将使国家失去国际市场的竞争力 失 2 0 7 去 知识经济带来的新机遇 1 9 9 8 年日 本电 气学会预测 到1 9 9 9 年电 力电子器件的 世界市场为9 5 亿美元 比1 9 9 5 年增加2 1 亿美元 平均年增长1 5 M i c ro t e c h 1 9 年估计 电 力电 子设备的世界市 场为3 0 0 亿美元 能源电子产品 包括电 力电 子装置 电 容器和电 池 的日 本市场规模约为2 0 0 亿美 元 2 美国V ir g in ia 电 力电 子中 心 V P E C 报导 电 力电 子 市场 有3 0 0 亿美元 直接产品 销售 并支持5 7 0 0 亿美元电子工业 这些数据表明 应当从全球经济竞争来考虑一 个国家的电 力 电 子技术的发展 与现代电 力电子学相关的学科十分广泛 包括 基础理论 固体物理 电 磁学 电路理 论 专业理论 电 力系统 电 子学 系统与控制 电 机学及电传动 通信理论 信号处理 微电子技术 以 及专门技术 电 磁侧量 计算机仿真 C A D 等 复盖 材料 器件 电 路 与控制 磁学 热设计 封装 C A D集成 制造 电力及电 工应用等 迫切需要跨学科 应 用多 种 专 业 技 术 进 行联 合 研 究 为 此 美国 国 家 科 学 基 金 会 批 准V ir g i n i a P o ly t e c h 等院 校 联 合 建立电 力电 子 系统工程研究中 心 C P ES 投资 近百 万美 元 这是极有 远见的 创举 日 本熊本工业大学创立了国际独一无二的能源电 子研究所 多学科合作研究的学术领域 包括 节 能技术 新能源的开发 风力发电 太阳能电池 燃料电 池等 高质食的可靠能 源研究 大气 环境 保护 新 材料与新器 件的 开 发与 应用 微电 子 技术等 2 1 在2 1 世纪即将到来的时候 我国若要加速从工 业经济转变为知识经济 大力发展电力电 子学 开展跨学科联合研究是非常重要的 2 电力电子与绿色能 源 电 力电子技术的广泛应用 对大气环境保护有积极作用 还涉及到电网 环境保护和电 磁 环境保护等问 题 电 力电子技术是一种传统的节能技术 在社会环境保护意识己 大大加强的 今天 人们认识到 电 力电子技术既是有巨 大经济效益的节能技术 又是一种极为重要的绿 色环保技术 当 今电 力生 产主要依靠火力 发电 厂 它 所排放的 废气是造 成空 气污染 酸雨 烟雾 温 室效 应乃 至使全球 气侯变化的重 要因 素 据 统计 火力发电 厂效率每 提高l 可减少2 5 的二 氧化碳 排放量 2 1 因 此发 达国 家都在寻 求新的 清洁 的 发电 方 式 如风力 太阳能 等 需要 大量电 力电 子 逆变器 同时 采取 措施力 求节约能 源 相当 于提高 发电 效率 美国 环境保 护署 E P A 1 9 9 1 年提出 一项 绿色照明 计划 目 的 是 使美国 照明 用电 量 占 关总 发电 f 2 0 一 3 0 节 约一半 大约可节电1 2 2亿度 合电费8 9 亿美元 达到这一目 标后 可降低二氧 化 碳 排 放 量 相 当 于4 3 0 0 万 辆 燃 油 汽 车 排出 的 废 气 总 量 从 而 大 大 减 少 对 空 气 的 污 染 3 1 绿 色 照明计划的内容 除改革灯具 如用高压钠灯 高频荧光灯管等 外 主要是推广高频逆 变器式电子镇流器 约三千万台 1 年 2 0 8 美国1 9 9 2 年通过法案 要求2 1 世纪初达到下述节能指标 2 0 0 年 能耗减少2 0 2 0 0 5 年 能耗减少3 0 使绿 色照明 计划 意义更 大 执 行绿色照明 计划的 第一个五 年 1 9 9 1 9 5 节能效果显著 据估计 用电量下降2 3 亿度 年 大约相当于减少了温室效应气体的排放量 1 6 0 万吨 1 年 并且还减少用户操作费1 9 亿美元 提高了 社 会的 环保意 识 3 e 此外 如 不间断电 源U P S 太阳能及风力发电 系统均为绿色能源系统 绿色汽车 即电 动汽车E V 也是改善大气环境的重要新兴产业 受到世人目目 E V的充电 装置 电 机传动 以 及电子控制电 路的电 源和固体继电 器等均大量使用电 力电 子技术 1 9 9 7 年1 0 月日 本丰田公司研制成混合电 动汽车 废气排放减少9 0 节能5 0 美 国已 提出 新一 代E V 计 划 加 州 要 求 无 公 害 汽车 所占 比 例 逐 年 增 加 2 1 9 9 8 年为2 2 0 0 1 年为5 2 0 0 3 年为1 0 日 本要求2 0 0 0 年前有2 0 万辆E V e 德国希望在2 0 0 0 年生 产节省燃料的高效率E V 其平均电负荷为8 5 0 W 4 据统计 公路上行驶的燃油汽车每减 少3 0 0 万辆 相当于减少空气污染1 我国已 将E V的发展列入 九五 重大攻关项目 从环境保护愈义上说 电力电 子技术在电网环境保护 如改善电网电 压质t 防止电网 谐波污染等 方面起了 积极作用 如各种有源功率因数校正和有源滤波装置 动态无功补偿 装置等 但另一方面 电力电子技术的大量 应用造成电 磁环境污染 有负面效应 大电 流的 开 和关 谐波产生的电 磁千 扰 E M I 通过幅 射 产生空间电 磁波 影响电 子 电 工设备的 正 常 运行 保护电磁环境 减少E M I 提高可靠性是现代电 力电 子应用技术必需考虑的问 题 3 电力电 子器件 9 0 年代分立 D i s c r e te 电力电 子器 件的 主要进展 是 5 1 双极晶体管 B J T 被功率M O S F E T 和I G B T 替代 2 各种电力电 子器件的主要性能指标 电 压 电 流额定 值 有很大提高 己开发的中 大功率 器件最大电 流 电 压为 6英寸G T O 6 0 0 0 A 6 0 0 0 V IG B T 1 2 0 0 A 3 3 0 0 V 光 触 发晶闸 管 4 0 0 0 A 8 0 0 0 V 各类器件的正向 压降也有所降低 3 开发了 新型 高 性能 大功率 器件 如M O s 门 极晶闸 管 M G T 以 及新 器件 绝缘门 极换向 关断晶闸管 I G C T 或称G C T 4 研制出 1 7 5 0 V 碳化硅 S ic 萧 特基整流管 1 0 0 0 V晶 闸管及7 5 0 V功率M O S F E T S i c将是2 1 世纪的功率器件新材料 5 P o w e r I C有了 发展 它可与微处理器接口 在故障情况下实现自 保护 4 集成电力电子模块 I P E M 8 0 年代发展的智能功率模块实际上是一种小规模的集成电力电 子模块I P E M 它将驱动 自 保护 自 诊断功能的I C 与电 力电 子器件集成在一个 模块中 并可用于1 0 1 0 0 W电 传动系 统 进入9 0 年代 大功率I P E M已 成为电力电 子科技领域的一个研究重点 美国海军研究所 2 的 提出了 集成电力电 子模块P E B B计划 以 设计舰艇的分布式电 源系统 采用标准电力电子模 块封装 将很多元器件组装在一起 从而将电路设计工程提高到系统级 6 其中包括 功率 开关器件 集成无源元件 表面贴装元件 驱动 控制 检测 保护等电 路 母线 散热 器等 甚至将功率变换器 逆变器的 标准电 路与马达控制电 路 电 源 电路开关等集成为一 个 模块 由于不同的元器件 电 路 集成片的封装或相互联接产生的寄生参数己 成为影响电 力电子系统性能的关键问 题 所以 采用I P E M方法可以 减少设计工作量 使生产自 动化 提 高 系 统质量 可靠性和可维 护性 设计周期短 成 本下降 6 1 I P E M与I P M或P I C 不同 之处 在于 后者是单层单片集成 一维封装 而前者电压高 电 流大 多层多片集成 三维封装 结构更复杂 多方向 散热 热设计也更重要 I P E M研究课题中 特解决的 基本问 题有 结构的 确定和通用性问 题 新型电 力电子器件的评估 开关单 元拓扑 高 压功率器件单片集成并与 检测 控制电路集成在同一基片上的问 题 大功率无源元件集成 I P E M三维封装 控制寄生 参数和寄生影晌 使它们极小 热管理 I P E M的设计软件 接口 与系统兼容性 I P E M性 能预测 可靠性 冗余和容错等 这些都需要跨学科联合研究 美国V i r g in ia 电 力电 子中 心己 开 发了 两套I P E M样品 6 0 k W整 流健变器 2 5 0 k W超导 磁铁储能系统 S M E S 的功率处理单元 用于美国阿拉斯加州电 力网 现正为美国 海军建造 三 相1 0 0 k W Z C S 整 加逆 变器 用于2 1 世 纪 初的 电 动 舰 艇 上 6 1 0 5软开关技术 为缩小功率变换器的体积 提高其功率密度 并改善动态响应 高频化是功率变流技术 发 展的必然趋势 但高频化又会产生新的问 题 如开关损耗及无源元件的损耗增大 高 频寄 生参数及高频E M I 问 题等 应用各种软开关技术 包括无源无损软开关 技术 有源软开关技 术 可以 减 少开关 损耗 u l 提高 效率 美国V i c o r 公 司生 产的4 8 V 6 0 0 W输出 D C D C开关 变 换器 模块 由于 采 用高 频软开 关技术 功率 密 度已 达到1 2 0 W in 3 效率 为9 0 3 M H z 低电 压 I V 输出的便携式D C D C 变换器也在研究中 美国E T M公司 开发了 为 行波瞥配 套的L C C 谐振式Z C S 高 压开 关电 源 输出1 1 k V 1 5 k W 开 关频率1 0 0 k H z 效率9 2 8 e 1 9 9 4 年2 月 I E E E电 力电 子学会组织 功率变换技术2 0 0 0 年展望专题研讨合就D C D C 及A C D C 功率 变换器的 发 展 趋势与 需求 进行探讨1 9 1 指出 高 功率 密度D C D C Z V S 开关变换器 与器件性能 无源元 件 封装技术等有很大关系 与1 9 9 4 对比 到2 0 0 0 年 在保证可靠性增加一倍的基础上 这种变换器成本将降 低一半 功率密度可提高一 倍 现在 有的产品已 达到这一目 标 进入9 0 年代 各种软开关技术加 Z V S Z C S P WM Z V T Z C T P W M 移相全桥Z V S P WM 有源箱位Z V S P WM等的开发和应用 都有较大发展 国内 学者也做出了 许多贡献 2 1 0 7 1 如针 对中 等功率移 相全桥Z V S P W M技术的固 有缺点以 及应用I G B T 后的 特点 人 们又 做了许多改进研究 提出了混合Z V Z C S P W M移相全桥软开关技术 在Z C T P WM B o o s t 电 路基础上的改 进研究 得到Z C T Z V T P WM大功率软开关变换器新拓扑 使整流管和辅助开 关也实现了 软开关 提高了电 路效率 大功率软开关逆变器的研究开发 虽有很大进展 但实际应用还不多见 在感应加热等工业应用方面 2 0 k H z 2 M H z 高 频大功率谐振逆变器也有发展 如汽车工 业表面淬火用S I T电 流源并联谐振逆变器的频率和功率分别达到2 0 0 k H z 2 0 0 k W 焊管用 M O S F E T 电 压源串 联谐 振逆变器的 频率 和功率则分别 达到3 5 0 k H 7 6 0 0 k W 1 0 6 谐 波治理技术 由于电网中有许多非线性负载 以及系统中许多电磁 电子设备的非线性特性 使电网 产生谐波电 压和电流 这些谐 波分量会导致在某一频率谐振 使电 力电 容器或电力变压器爆 炸等恶性事故 而许多电子电路 如U P S 离线式开关变换器 荧光灯镇流器 传动装置等 输入级为A C D C整流一 平波电 容组合电 路 输入电 流波形呈尖脉冲状 因此交流网 侧功率因 数只有 6 0 7 电 流的总 谐 波崎 变 T H D 很大 有可能 达到1 0 0 为了防止电网的谐波污染 或限制电 子设备对电网 发射谐波电 流 国际上已 经制定了许 多电 磁兼容标准 利用电 力电 子变流技术构造有源电 力滤波器A P F 静止无功功率发生器 S V G 有源功率因数校正器A P F C等 可治理电网的谐波 显著改善谐波污染程度 9 0 年代功率因数 校正技术 有了 极大 发展 在输入 整流 器之后加一 级A P F C电 路 D C D C 开关变换器 利用P F C 控制集成电 路片使输入端电 流波形接近正弦 从而有可能 使输入端 功率因数近于1 但成本要增加1 5 9 6 2 0 国内 外均己 将软开关技 术应用于A P F C电 路 从而 提高了 效率 对于小 功率 1 0 0 W以 下 A C D C开关电 源 现在国内 外正在开发研究单级高 功率因数开关电 源 功率因数可达0 9 成本只增加5 相对而言 实现三相A P F C要比实现单相A P F C更困 难些 9 0 年代中 期已 开发出 一些三 相A P F C电 路 如 单开关三相A P F C 三相全桥P W M整流器 在三相电 路中 采用高次谐波 注入P WM控制 Fl 本在电 网上已 安装一 批I O k V A 6 0 M V A 有源滤波器 A P F 如1 9 9 5 年东 海道 新干 线 安 装二台 东芝 造G T O并联A P F 总 功率3 x 1 6 M V A 采 用P 9 理论时 域控 制策略 补偿 无功 及 负 序电 流 目 前这条新干 线还安 装了几台4 0 6 0 M V A的A P F 1 0 o 南 非1 D V a n W y k 认 为A P F 的 发 展 方向 应是 降 低 安 装 和 运 行费 尤 其是 小 功率A P F 的 成本 将P WM动态A P F 扩大到1 0 M v a r 以上 澄清功率理论的混乱现象 建立损耗模型 开芳白 话应 学习索统俘干A P F 动杰运行 应用现代模糊 神经控制系统等使A P F 的费用一 2 1 1 效益 C o s t e f f e c t i v e 最优 7 7 高频磁技术 随着电力电子电路与系统的高频化 几十 几百千赫或兆赫不等 在低频下可以忽略 的某些寄生参数 在高频下将对某些电路性能 如开关尖峰能量 噪声水平等 产生重要影 响 尤其是磁元件的涡流 漏电 感 绕组交流电阻R 和分布电 容等在低频和高频下的 表现有 很大 不同 川 9 0 年代 电 力电 子的高 频 磁技术理论作为 学科前沿问 题 受 到人 们的 广 泛重 视 如 磁心损耗的数学建模 磁滞回 线的仿真建模 高频磁元件的计算机仿真建模和C A D 高 频变压器一维和二维仿真模型等 适用于 兆赫级频率的 磁性 材料为 人 们所 关注 如5 6 W m超薄 钻基非晶 态磁带 1 M H z B m 0 1 T 时 比 损 耗 仅 为0 7 1 W c m 3 是M n Z n 高 频 铁 氧 体 的1 3 1 4 0 铁 基 非 晶 态 磁 粉型 压磁心及纳 米结晶 软磁薄 膜 F i l m 也 在研究 高频磁元件 如储能电感等 的设计决定了高效率电力电子电路的性能 损耗分布和波 形等 人们希望给出高 频磁元件的设计准则 方法 参数关系 磁参数和结构参数与电 路性 能的 依 赖关系 明 确设 计的自 由 度与 约 束条件等也是 近期高 频磁技术 研究内 容之一 1 2 1 9 0 年代高频磁技术研究的另一项成果是开发适用于薄型高频开关变换器的薄型平面变压 器 其厚度小于1 c m 呈扁平状 绕组采用铜箔或板型印刷电 路 省去绕组骨架犷 有利于散 热 漏感L 小 集肤效应损耗小 薄型平面变压器的 性能与诸多因素有关 如绕组结构与 布 置 端部设 计 铜片厚 度 磁 心几何尺寸等 研究 方法有 用两 维有限 元法研究丸 和L 均 最 小的 绕 组结 构 7 开 发 薄 型 平面 变压 器的 优 化设 计软 件 如 输出 功 率 及电 压 一定 时 满 足温升要求的体积最小设计等 1 3 到2 0 0 0 年 磁性材料有如下问 题要研究 9 a 高 温超导将得到应用 并影响磁性材料 b 将铁级体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上 或硅材料集成在铁氧体上 c 研究录音磁头所用薄膜合金和其它薄膜磁性材料 微加工 M ic r o F a b r ic a t io n 技术开 始 用于 研制兆赫级高 频变换 器的 磁元 件 所谓微加 是 指F in e P a t t e rn in g 和薄 膜 制 作 技 术 可 减 少 磁 心 和 绕组 中 的 损 耗 使 变压 器 面 积 1 O m m 还 有可能象V L S I 那样制造功率电 路 将陇元件 功率电 路 控制电路集成在硅片上 借用录音 磁 带的 薄膜 合金材料 可使高 频 磁元 件磁密 增高 美 加州 大学B e r k e ly 分 校微 加工 试验室 研制 成1 0 M H z 变压器 开发了 最 优设计 软件 变压 器单 位面积功率为2 0 W c 时 效率可达9 0 以 上 1 4 0 将变压器和电 感集成可缩小磁元件体积 应用混合功率封装技术和集成磁技术使航空用 0 5 M H z 薄 型1 0 0 W半 桥 式D C D C 变 换 器 的 厚 度 仅0 2 1 in 功 率 密 度 达1 5 0 W in 3 1 5 压 电 P ie z o e le c t r ic 变压器 以 下简 称P E T 的 应用也可使功率 变换电 路小型 化 是9 0 年代国 外磁 2 1 2 元件研究的热点之一 内容包括 P i e z o C e r a m i c 材料的损耗评估 设计计算方法 仿真 参 数分析 有限 元分析 振动速度极限 P E T的高 频性能等 P E T 在高频功率变换器中的应用 研究也 有报导 1 6 1 如输出2 4 W 1 2 V的2 M H z D C D C 变换器 P E T 变比 为5 1 输出2 W 1 2 0 0 V a c 的 日 光灯电 源 P E T 变比 为1 2 0 冷阴 极荧光灯和霓 虹灯逆 变器等 8 变频技术 现代变频技术是重要的节能和环保技术 在各种工业生产 交通运物和家用电器中应用 十 分广 泛 工 业发 达国 家电 传动系 统几乎消 耗一 半电 能 4 1 从欧 洲市 场分析可 看出 现代变 频 技术的 发展 趋势 据统计 到2 0 0 2 年欧洲 变频器 产t为5 8 5 5 x 1 0 台 市场 销咨额1 5 1 亿美 元 以1 9 9 5 年为基准 平均年增长7 5 其技术特点包括 E M I 涟波器集成在变频器内 有储存参数的记忆卡 有串 行通信功能 有基于W i n d o w s 的软件 有的变频器集成在电动机 内 8 0 年代 变频技术只提供可变频 变压的电 源 以 后发展了 矢量控制技术 到90年代 应用正弦变频 空间矢量P WM变频 无 速度传感变频等新技术构成了 一批新型变频器 9 0 年代变频技术的主要研究成果是 1 0 0 k V A以下变频调速系统 包括洗衣机 空调 应用I P M或功率M O S 管可快速准确控制功率流 进一步降低嗓声 源侧谐波电流以 及E M I 中 等功率I G B T 交流传动系统的功率已 达1 5 0 0 3 0 0 0 k W 用于电 牵引子 城市 轻轨机车以 及钢 材轧制装置等 大功率变频调速系统 电 机车 牵引 轧机主传动 超导储能系统 F A C T S 等 需 要大电流高电 压G T O或光控晶闸管 现已 有芯片直径达6英寸 的G T O 从而使轧机主传 动系 统每桥臂可只 用一 个G T O 系 统大为 简 化 6英寸4 k A 8 k V的 光控晶闸 管 l 关断时 间 为儿白 娜 和5英寸 4 k A 6 k V 5 0 0 H z G T O也在开 发 大功率 器件的 研制成功为1 0 M V A 级交一 交变频传动系统创造了 条 件 如A B B I n d u s tr i e A G公司1 9 年用新型器件G C T 制造 I O O M W的5 0 H z 1 6 6 6 H z 电 压为1 1 2 k V 1 2 1 k V 变 频装置 1 9 9 2 年东芝公司 开发了1 1 2 5 M V A轧机主传动装置 日 本O h k a w a c h i 抽水蓄能电站4 0 O MW机组的V V V F 传动系统 1 9 9 3 年底投入运行 由日 立公司制造7 2 MV A 5 2 k V直接变频器 应用3 k A1 4 k V光控晶闸管 1 9 9 7 年东芝公司制造的4 0 MW P WM整流器及三电平电压源逆变器 应用4 5 k V 3 k A S O O H z G T O E 用于3 0 0 MW抽水蓄能机组 1 9 9 6 年日本人预测到2 0 0 及2 0 0 6 年 应用G T O和I G B T 制造的大功率逆变器容量将分 别为 G T O 3 0 0 到1 0 0 0 M V A I G B T 5到2 0 M V A 1 0 e 电力电子传动系统进一步要研究的内容有 减少吸收网络损耗 开发高频驱动电路 多 桥联接 多电平电压型逆变器及其控制 P WM开关器件的直接并联 故障自 诊断 自 整定和 自 测试 开发灵活的 便于用户使用的软件包 以 及最新控制理论的应用 自 适应控制 负载 扰动观测器控制 2自 由 度控制 加速度控制 H 控制 带反馈补偿协调控制 模糊逻辑控 制 神经网 络自 整定控制等 1 7 1 8 1 2 1 3 9 电力电子与现代电 力系统 电力电子技术在现代电 力系统中的 应用有其特殊性 早期电力电 子技术在电 力系统中的 应用领域主要有发电 机自 励磁系统 高压直流输电 H V D C T 静止无功补偿器S V C以 及 电动机传动等 为了改善电网 供电 质量 国内外均在现代电力系统中设置功率处理装置 如 无 功功率及负 序电流补偿 谐波补偿 谐波阻尼 F l i c k e r 补偿和 或电 压调节 等 静止同 步补 偿器S T A T C O M是 提高电 力系统 供电 质量十分有力的工具 注 日 本 和美国已 分别开 发了 容 量为8 0 和1 0 0 M V A的S T A T C O M 清华大学与河南电 力局合作研制2 0 M V A的S T A T C O M 3 0 0 k V A中间试验装置正在试运行 注 S T A T C O M国 内 外 也 曾 称 为 静 止 无 功 发 生 器S V G 或 静 止电 容 器 8 0 年 代末期 美 国电 力 研究院 E P R I 提出了 灵活 交流输电 系 统F A C T S 的 设 想 1 9 以 控制功率流输送 并保证输电 系统的 稳定性 9 0 年代初投资1 亿美元进行F A C T S 的试验 研究 并陆续开发出F A C T S 的 专用电力电子设备和相应的计算机软件 在美国一些电 力系 统中示范运行 如 用于5 0 0 k V输电系统的晶师 詹控制串联补偿T C S C 士1 0 0 M V a r 的 S T A T C O M 土 1 6 0 M W统一潮流控制器U P F C等 9 0 年代中 美国E P R I 又 提出了 用于 配电 系 统的 用户电 力 C u s t o m P o w e r 新技术 1 9 以保证向 用户提供增值 V a l u e a d d e d 的 高可靠 高质量的 电力 主要利用G T O I G B T 或 M C T 等电 力电子控制设备 提高供电 可靠性 降 低中断供电 次数 减少电网 波形变动 保 证功率流质量 减少谐波 脉冲和波形畸变等 这些设 备除了 配电系统专用的A P F S V C S T A T C O M外 还有动态电压恢复器D V R和固态开关S S B 等 D V R实际上是直流侧接电 容 的D C A C 变流器 交流侧接变压器的副边 变压器的原边绕组则串 接于 配电网 母线中 当电 网电压有任何扰动 D V R将提供一补偿电 压 从而使供电电 压得到恢复 用户电力技术在美 国还处于试验阶段 己 有一些装置投入电网试运行 高压直流输电 H V D C T 是F A C T S 的重要 组成部分 通过大容量 以M W计 A C D C 和D C A C 变换器以 及输电 线路和相应设备 可将两个不同 频率 甚至不同步的交流电力系统 连接起来 当今世界上已 投入使用和在建的H V D C T共6 8 条 1 9 9 3 年日 本北海道一 本洲3 0 0 M V A 2 5 0 k V海 底电 缆H V D C T 应 用6 k V 1 2 5 k A 光 控晶 闸 管 7 l 四 国 一 本 洲 部 分 海 底电 缆 2 8 G V A 1 5 0 0 k V H V D C T 将于2 1 世纪 建成 1 0 1 0 电力电子系统的建模 仿真和C A D 电力电 子器件 功率变流系统和电 机传动系统的建模 仿真 和C A D研究愈来愈受到人们 的 重视 2 7 作为 一 种新的 方 便且节省的设 计工 具 必 将会 得到广泛使用 现在已 有大量的 专用或通用电力电子 包括器件 装置和系统 仿真软件 并不断改善 其中有不少己 商品 化 并得到广泛应用 如P S P I C E C 现己有8 0 版本 等 M A T L A B是目前国际上最为流行的 2 1 4 系统C A D软件 可用以求解许多工程数学问题 它可用作某一仿真软件 如S I MU L I N K 的 输出处理器 进行电力电子系统仿真分析 香港理 L 大学开发了M A T S P I C E 用以仿真D C D C 开关变换器 7 0 为了 进行仿真 首先必需建立电力电子系统或传动系统的仿真模型 其中包括电力电子 器件 变换器电路 数字和模拟控制电路 乃至电 机 负 载等 由于电力电子系统的设 计不 仅是电 路设计 还有热设计 可靠性设计和电 磁兼容设计等 因 此仿真建模不仅包括电路分 布参数模型 也要考虑系统的热模型 可靠性模型和E M C模型 各种模型差别很人 故建模 的发展方向是 数字一 模拟混合建模法 混合层次 Mix e d l e v e l 建模法 以及多层次建模法 M u lt i le v e l 将各 种 模型 组 成一 个 统一 的多 层次 模型 它 类似 一 个电 路 模型 有 方 块图 等 建模的另一发展方向是自 动生成模型 使仿真软件具有自 动建模功能 以节约用户时间 在 此基础上 建立模型库 电 力电子系统的C A D包括主电 路和控制电 路设计 器件选择 参数最优化 热 E M I 和可靠性预估等 计算机辅助综合和优化设计是C A D发展方向之一 用基丁 仿真的专家系统进行电 力电 子系统的C A D 可使所设 计的系统性能最优 减少设 计 制造费用 井可做出可制造性分析 是2 1 世纪仿真和C A D技术的发展方向 之一 现在己 开发出设 计U P S D C D C开关变换器以 及电力传动的专家系统 2 1 2 4 参考文献 川 N i s h i h a r a P o w e r E le c t r o n i c s D i v e r s i ty I P E C一 T o k y o P ro c 1 9 9 0 p 2 1 2 K o o s u k e H a r a d a E n e r g y E le c tr o n ic s 一 A N e w F e i ld o f T e c h n o lo g y 讲 演 稿 B e ij i n g 1 9 9 7 5 J I E E T e c h n i c a l R e p o rt N o 6 6 6 1 9 9 8 3林尽良 等 结合节能与 环保的绿色照明 电力电子 技术双月刊 新竹 台湾 N o 3 7 3 8 1 9 9 7 4 J o h n G K a s s a k ia n T h e F u t u r e o f P E L in A d v a n c e d A u t o m o t i v e E le c tr ic S y s t e m s P E S C 9 7 P r o c 5 B J a y a n t B a lig a P o w e r IC s in th e s a d d le I E E E S p e c tr u m J u ly 1 9 9 5 3 4 4 9 6 G a n d i K a p la n A n a l y s is F o r e c a s t I n d u s t r i a l E le c tr o n i c s I E E E S p e c tr u m J a n 1 9 9 8 7 3 7 8 7 P r o c e e d in g s o f I P E M C 9 4 B e ij i n g J u n e 1 9 9 4 I P E M C 9 7 H a n g Z h o u N o v 1 9 9 7 8 1 1 力电了 学会理事 会学术报告论文集 1 9 9 8 6 1 海 9 D o n a l d T S t a f i e r e P o w e r i n t h e Y e a r 2 0 0 0 I E E E A P E C P r o c 6 一 1 1 1 9 9 5 I O H A k a g i T h e S t a t e o f t h e A rt o f P E L in J a p a n I E E E T r a n s o n P E L M a r c h 1 9 9 8 3 4 5 I l A p p l ie d E L L a b o r a to ry R e c o r d K u m a m o t o I n s t it u t e o f T e c h n o l o g y J a p a n V o l 1 N o 1 1 9 9 5 1 2 T h o m a s G Wi ls o n e t a l C o u p li n g o f M a g n e t ic D e s i g n C h o ic e s t o D C t o D c C o n v e rt e r E le c t r ic a l P e r f o r m a n c e I E E E T r a n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s V o 1 1 3 N o 1 J a n 1 9 9 8 1 1 1 21 5 1 3 N in g D a i A S o ft w a r e f o r H i g h D e n s ity L o w P r o f i le T r a n s f o r m e r O p t i m i za t io n C u r r e n t V o l l l N o 1 S p r i n g 1 9 9 7 V ir g i n ia P o l y t e c h U S A 1 4 C R S u l l iv s n S R S a n d e rs D e s i g n o f M i c ro f a b r ic a t e d T r a n s f o r m e r s I n d u c t o r s f o r H ig h fr e q u e n c y P o w e r C o n v e rt e rs I E E E T r a n s o n P o w e r e l e c t r o n i c s V o l 1 1 泪o 2 Ma r c h 1 9 9 6 2 2 8 2 3 8 1 5 W e i C h e n e t a l D e s ig n o f H i沙E f ti c e n c y L o w P ro f il e L o w V o lt a g e C o n v e rt e r w i t h I n t e g r a t e d M a g n e t ic s 1 9 9 7 V P E C S e m in a r P r o c e e d i n g s V i r g i n i a P o ly te c h S e p t 1 9 9 7 1 5 2 1 1 6 C Y L in e t a l 1 9 9 5 a n d 1 9 9 6 V P E C S e m i n a r P ro c e e d i n g s V i r g in ia P o ly t e c h 1 7 P o w e r E l e c t ro n