关键词：电力电子技术发展过程应用方向
一、引言
自上世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气控制技术舞台，标志着电力电子技术的诞生。
究竟什么是电力电子技术呢？以电力为处理对象的电子技术称为电力电子技术，它是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，是一门多学科相互渗透的综合性学科。图1所示的倒三角形表征了电力电子技术学科的构成：电力技术(发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络)、电子技术(各种电子器件和处理信息的电子电路)和控制技术(连续系统和离散系统控制理论)。
1.1电力技术
电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。其理论基础是电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，利用电磁学基本原理处理发电、输电、配电及电力应用的技术统称为电力技术。电力技术所研究的内容是发电机、变压器、电动机、输配电线路等动力用电设备，以及利用电力设备来处理电力电路中电能的产生、传输、分配和应用问题。电力技术的发展依赖于发电机、变压器
、电动机、输配电系统。
1.2电子技术
电子技术是一门涉及电子器件(最早期的电子器件是电子管，随后发展到晶体管、晶体管集成电路和微处理器)、电子电路(在L.C.R电路中引入电子器件的电路)和由各种电子电路所组成的电子设备和系统的科学技术。与电力技术一样，电子技术的理论基础也是电磁学。电子技术所研究的内容是电子器件，以及利用电子器件来处理信息电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。电子技术的发展依赖于电子器件。
1.3控制技术
控制技术是指利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器设备或生产过程(统称被控
对象)的某个工作状态或参数(即被控量)按照预定的规律运行。控制技术是一门研究各种控制过程共同规律的科学技术。主要研究的内容是控制系统中的信息分析、变换、传送等问题。控制技术的发展期依赖于以反馈为基础的自动调节理论，随着科学技术的进步，计算机技术的应用，控制技术的发展依赖于控制理论的发展。
二、电力电子技术的发展
作为一门学科，其发展始于1956年贝尔实验室发明晶闸管，其后经历了上世纪六七十年代的整流器时代(工频)，七八十年代的以0~100Hz的GTR、GTO为主角的变频调速、高压直流输出、静止或无功补偿等中低频范围应用的逆变器、变频器时代，至八九十年代以功率MOSFET和IGBT为代表，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的出现，表明以低频技术处理问题为主的传统电力电子技术已进入以高频技术处理问题为主的现代电力电子时代。
2.1整流器时代
1948年普通晶体管的发明引起了电子工业革命。半导体器件首先应用于小功率领域，如通信、信息处理的计算机。1957年，从美国通用电气公司研制第一个工业用的普通晶闸管开始，大大扩展了半导体器件功率控制的范围。电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入到以电力半导体器件组成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生，晶闸管为电力电子学科的建立立下了汗马功劳。大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约有20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电。因此，在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。晶闸管是半控型器件，不能自关断，属于第一代电力电子器件。
2.2逆变器时代依维柯
埃文塔多
七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为100Hz的交流电。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GTO)成为当时电力电子器件的主角这些器件是可控制关断(即自关断的)电力电子器件(全控型器件)，属于第二代电力电子器件。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。
2.3变频器时代
进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合起来，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，导致了电力电子应用技术(中小型功率)向高频化发展，而后绝缘栅极双极晶体管(IGBT)的出现，又为电力电子应用技术(大中型功率)向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年底，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域已成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电力电子技术不断向高频化、集成化、全控化、电路形式弱电化和控制技术数字化发展，为用电设备的高效节材、节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
三、电力电子技术的应用
电力电子技术已经成为国民经济建设中的关键基础性技术之一近几年里，随着我国社会经济的快
速发展，电力电子技术在应用上呈现出快速发展趋势。当前，面对全球性的能源危机和环境问题，电力电子技术更是利用其独有的特点，发挥出不可替代的作用。在电气工程领域呈现四大应用热点：电气节能、新能源发电、电力牵引和智能电网，下面分别予以简要介绍。
1.电气节能
电气节能包括变频调速、电能质量、有源滤波等，尤其以变频调速为主要内容。2001年，受当时的国家经委节能处委托，一批国内电机系统节能学者经过两年的调研分析，写出了一份分析报告5中国电机系统能源效率与市场潜力分析。2006年国家发改委启动规划，提出十大重点节能工程，其中第五项为电机系统节能。自2006年以来，每年国家资助约100多个电机系统节能项目，在该项目中，电机系统十一五节能规划目标为：电机系统运行效率提高2个百分点，年节电200亿千瓦时(相当于两个三峡电站发电量)。而其中主要以改善风机、泵类电机系统调节方式为主要内容，采用变频调速方式，改变风机、水泵、压缩机等驱动电机运行速度，效率提高15%—30%。
这种变频调速节能方式涉及到我国主要基础工业行业，如冶金系统，其中的焦化、烧结、炼铁、轧钢
中的鼓风机、除尘风机、冷却水泵等变频调速改造，有金属冶炼炉风机调速改造，电力系统中的20万千瓦以上火力发电机组低效运行的风机、水泵系统进行变频调速改造，石油、石化工艺流程泵进行变频调速改造，煤炭、矿井通风机、排水泵实施调速改造，轻工行业中的注塑机、液压油泵实施变频调速改造等。据统计在这些工业应用中，各类电动机总装机容量约为4.2亿千瓦，年耗电1万亿千瓦时以上，约占全国工业用电量的60%以上，其节能量是相当可观的。
变频调速系统主要是采用了电力电子变频器作为电机驱动电源，变频调速技术已经比较成熟，市场量大面广，并且可持续发展(设备需要更新换代周期约为10年)。目前在低压电机系统中，约有30%采用了变频调速技术，高压电机系统中亦有约巧%采用了变频调速技术发展的空间仍然很大。但主要的问题仍然是：变频器可靠性需进一步提高，价格还是偏贵，操作复杂，现场操作人员掌握程度参差不齐。今后进一步的发展主要集中在：
制动踏板总成进口马自达3三厢(l)专用型：主要为专门的应用进行专门的设计和制作，以提高性能简化功能，减低成本为主要目的。
(2)集成型：越来越多的电力传动系统将电机、变频器及其控制集成于一体，形成一个系统产品，如图2所示：图2(a)为集成式无线通讯的风机系统，图2(b)为集成式水泵。
(3)高性能：包括高效率，主要在精细化入手，高精度，增加闭环控制，高容错性能，充分利用电力电子装置可调可控的的特点，来达到系统容错的目的。
2.新能源发电
gto汽车全球范围内能源环境正面临巨大危机，石油储量、煤储量均在减少，环境污染日趋严重，生态平衡严重破坏。新能源的应用正受到世界各国的普遍关注，新能源发电主要包括太阳能、风能、生物质能发电等。2008年美国奥巴马政府一上台就启动了21世纪新能源振兴计划，欧盟各国也相继启动了绿能源计划。2009年10月日本政府又重新开始了屋顶阳光工程。一些典型的发展中国家，如印度也开启了太阳能计划，我国政府于2009年分别启动了屋顶阳光工程和金太阳工程等。正是为了应对这种发展的需要，据统计，截止到2008年底，全国高校电力电子与电力传动学科95%以上都开展了有关新能源发电中的电力电子应用技术的研究，新能源发电已经成为电力电子技术的主要应用领域。
图3所示为一个典型的太阳能光伏发电系统，它包括IX一AC逆变、IX->X、直流变换、AC->X二整流等多个电电子变换环节。显然，除了光伏阵列之外，其他部分都与电力电子有关。图4为一典型的双馈式风力发电系统，它包括发电机侧PWM变换器、网侧PWM变换器、系统控制器、变桨控制器等多个电力电子变换环节。由此可见，新能源发电系统与电力电子应用技术密切相关。
新能源发电中的电力电子技术应用特点为一次能源供给随机性大，风能、太阳能都随天气情况而有很大变化，并网发电要求高，电网侧要求输入电能波动小，电能质量高等。而目前我国的现状为并网变换器以进口产品为主，普遍运行经验不够，国产产品仍在摸索中前进，其中主要的问题是装备可靠性差，有关功能和性能还满足不了要求，标准不统一进一步的发展包括:
(l)向大容量发展。风机发电系统单机容量已经达到5兆瓦，且正在向更大容量发展，光伏并网发电系统也已经开始向兆瓦级方向发展。
（2）直接变换。如双馈式风机系统正在向直驱式或混合式系统方向发展。
北京 丹东(3)高性能。主要体现在高效率、高可靠性，以及为适应电网需求的低电压穿越和孤岛保护等。
3.电力牵引
电力牵引正成为世界各国交通发展重点。电力牵引主要包括高铁、地铁、城市轻轨、电动汽车等。2008年底国家发改委启动4万亿元拉动内需的经济振兴规划，其中主要部分将用于发展高速列车、地铁、城际列车等电力牵引项目之中。我国计划到2011年将形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能。美国也把电动汽车作为国家战略的重要组成部分，计划到20年普及100万辆插入式电动汽车。
电力牵引的核心部分是电力电子与电力传动。如图5所示的串联式混合动力电动汽车结构图，其主要组成部分包括:AC一DC整流器、控制器,DC一DC直流变换等多个电力电子变换环节。图6所示的为混联式混合动力电动汽车，其主要组成部分同样也是为电力电子及其电力传动环节，包括:DC一AC逆变器、控制器、AC一DC充放电器等。
电力牵引的主要特点为：蓄电池供电，四象限运行，恒力矩控制，高温、强振动环境等。这些特点对电力电子设备要求较高，目前我国用在电力牵引的电力电子变换器仍以进口产品为主，国产产品也正在快
速成长之中。但主要问题仍然是适应性差，动态性能不够，可靠性差。当前在电力牵引中的电力电子技术主要发展方向包括:
(l)提高电力电子变换器装置的效率和功率密度，主要发展集成技术和冷却技术；
(2)实施精确控制，应用高性能的闭环控制，特别是针对低速和高速下的矢量控制和直接转矩控制一直是热点研究课题；
(3)保证可靠运行，采用冗余控制以及能量综合管技术等。
图5串联式混合动力电动汽车结构图图6混联式混合动力电动汽车结构图
4.智能电网
智能电网是最近几年新起来的一个概念，目前定义很多，说法不一，但一般共识都认为智能电网在技术上的驱动力应该主要源于电力电子技术、新能源发电技术、传感技术、通讯技术(尤其是无线通讯技术)以及相应的电网控制技术等。在电力电子技术方面，包括新型储能、灵活输电、先进的信息、控制、传感等技术，承载大规模可再生能源并网发电，最终实现电网高效、稳定、安全运行。美国政府于2008年提出的智能电网计划，将逐步实现太阳能、风能和地热能统一入网管理，全面推进分布式能
源管理，试图创造世界上最高的能源使用效率。我国于2007年10月，也正式启动了智能电网可行性研究项目并规划了三步走战略即：在2010年初步建成电网高级调度中心,2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网,2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。
智能电网中的电力电子应用系统包括：以SVC为代表的柔性交流输电技术、以高压直流输电为代表的新型超高压输电技术、以智能开关为代表的同步开断技术，以静止无功发生器、动态电压恢复器为代表的用户电力技术，以及以用户端分布式发电系统为代表的终端电能变换技术等。图7为一典型的采用电力电子技术的高压直流输电网络。
智能电网中的电力电子技术特点是：容量大、电压高、组合结构、分布广。目前正在发展之中，有个别样机运行，主要作为示范工程，大部分要与变压器组合。存在的主要问题为：功率半导体器件能力需要提升，主要在承压和通流能力方面期待有新的功率半导体器件的出现，现有器件和装置的功能和性能还满足不了要求。目前正在向更大容量、直接变换、可靠性、保证电能质量等方面发展。
四、结束语
当前我国正处在各方面高速发展的关键时期，祖国的建设和发展离不开新技术的创新及应用。电力电子技术应用系统是当今高新技术系统中不可缺少的关键支撑设备，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，也是当前国际竞争最为激烈的领域。我国电力电子技术应用领域正面临空前的机遇和
挑战，抓住机遇，勇于挑战，我国电力电子应用技术领域将展现广阔的前景。
发布评论