电力电子技术的应用和国内外发展动态(江苏大学电气专业课程设计)

电力电子技术的应用及国内外发展动态
1.0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？电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术，包括器件制造、电路拓扑、控制方法等内容。

它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。

它是介于电力、电子和控制三大领域之间的交叉学科。

目前，电力电子技术的应用已遍及电力、汽车、现代通信、机械、石化、纺织、家用电器、灯光照明、冶金、铁路、医疗设备、航空、航海等领域。

进入21世纪，随着新的理论、器件、技术的不断出现，特别是与微控制器技术的日益融合，电力电子技术的应用领域也必将不断地得以拓展，随之而来的必将是智能电力电子时代。

1.1 电力电子技术概述：
1.1.1 电力电子技术是一门交叉学科：
电子学：制造技术的理论基础和工艺大致相同，许多电路的分析方法也相同，应用目的不同
电力学：电力电子技术广泛应用于电气工程中，是电气工程活跃的领域之一；
控制理论：控制理论提高了电力电子装置和系统的性能，电力电子技术也为控制理论的进一步发展带来新的挑战。

1.1.2 电力电子学的两个重要方面：
器件制造技术：
是电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。

IGBT、MOSFET 已经成为电力电子应用中主流的器件。

变换技术（AC-DC DC-DC DC-AC AC-AC）：
是电力电子技术的核心，PWM、空间矢量控制等技术发展和其他新技术出现为电力电子系统性能提高提供了有效的、可靠的途径。

1.1.3 面临的机遇和挑战：
现在电力电子技术的发展走到了十字路口,电力电子装置的复杂性与其应用的广泛性间的矛盾越来越尖锐。

电力电子集成技术和新半导体材料的探索,被认为是国际业界研究的热点，是解决电力电子技术发展面临的障碍, 进一步拓展电力电子技术应用领域的最有希望的出路。

1.2 电力电子技术应用概况：
如下图：
1.2.1 用电领域中:
（1）电动机的优化运行。

全世界的用电量中约有60％左右是通过电动机来消耗的。

采用计算机—电力电子技术结合的智能变频控制技术，使电动机经常处于高效状态，可以节约大量电能，具有巨大的效益。

（2）高能量密度电源。

电化学电源广泛应用在作为国民经济的铜、铝、锌、镍等有色金属以及氯碱等电解产业中；体积小、重量轻、效率高的各种开关电源应用也是十分广泛；新世纪中，随着电力电子技术的发展，变频电源应用也日益广泛；另外还有不间断电源(UPS)、稳压稳流电源、高精度洁净电源等特种电源，采用电力电子技术后，各方面指标均大大改善。

1.2.2 信息领域中:
先进的电源和运动控制系统。

在信息产品的主电路中，正在用MOS场效应管取代双极晶体管来完成各种变换，其用量越来越多。

FAX机、计算机、VCD、DVD等许多整机中都装备着多种电动机。

尤其在各种打印机中，离开对电动机运动的高精度控制，其打印效果是不可想象的。

信息产品和其他产品中用VDMOS、IGBT做无触点开关的市场更大，程控交换机的每条线都至少用1个VDMOS管。

为此，我国目前每年要进口几千万只。

1.2.3 发电领域中:
（1）发电机的直流励磁。

常规发电机中励磁的建立已经由传统的直流磁励机转变为由中频交流励磁机加电力电子整流的方法，并已取得良好的经济效益，可靠性较高。

（2）水轮发电机的变频励磁。

水轮发电机的发电频率取决于发电机的转速。

采用了电力电子技术后，将水轮发电机直流励磁转变为低频交流变频励磁。

当水流量减少时，提高励磁频率，可以把发电频率补偿到额定，延长水轮发电机的发电周期，解决了水力发电中发电机工作时间受季节性水流量影响而导致的频率无法调节、浪费较多水能的问题。

这对大型水力发电设施来说，可带来巨大的经济效益。

（3）环保型能源发电。

利用太阳能、风能、潮汐能、地热能等新能源发电，是解决一次能源危机（煤、石油、天然气等石化类能源日趋匮乏）的重要途径，它们是可再生的绿色能源。

但是这些能源转换的电能，其电压、频率难免波动，无法很好的并网应用。

只有通过电力电子变换装置，才能使这些波动的电能以恒压恒频方式输出，实现这些新能源的实用化。

（4）风光发电系统。

风光互补发电是一种将光能和风能转化为电能的装置。

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的间断不平衡、不稳定。

可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置。

既可保证风光系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。

同时，风光互补系统是一套独立的分散式供电系统，可不依赖电网独立供电，不消耗市电，不受地域限制，既环保又节能，还可作为一道典雅的风景为城市景观增姿添彩。

1.2.4 储能领域中:
如果能把发电机夜间的多余电能储存起来，调度到白天再送到电网应用，其经济价值应该是相当可观的。

（1）蓄电池与电容器组储能。

夜间，把电网提供的多余交流电整流成直流电，储存在建筑物地下室内的“蓄电池—电容器组”；白天，再把这些储存的电能逆变成交流电供给整个建筑物内的用电，这已经成为某些地方的时尚。

（2）抽水储能发电。

白天，水库泄水发电；晚间，利用多余的电网电能使发电机转变成电动机运行，驱动水泵把下游水库的水抽进上游水库，增加上游水库蓄水，使白天可以更多地发电。

但这种电能量变换过程效率较低。

（3）超导线圈的磁场储能。

在超导体线圈中，数十万安培的直流电流在其中流动是不会损耗的，这种储能器体积小，转换效率高。

但当前还没有妥善解决如何实现交流电能同该低电压超大电流的直流电能的互相转换的问题。

1.2.5 交通运输中:
(1)轨道交通变流技术
到了1 980年代初，以地铁为代表的直流供电的主传动系统主要采用了GTO 斩波器，以干线铁路为代表的交流供电的主传动系统主要采用多段桥的可控硅整流装置。

1985年研制成功的我国韶山4型8轴电力机车就是其中的典型代表。

1983年开始应用的电牵引交流传动系统，其主电路主要是电机侧的三相逆变器和电源侧的四象限变流器(仅对交流供电的电力机车而言)。

电力电子器件开始采用快速晶闸管(KK)强迫关断器件。

为简化系统电路，1980年代中后期，牵引变流器开始采用门极可关断晶闸管(GTO)。

1990年代中后期，随着IGBT器件的发展，单机容量相对较小的内燃机车和动车组的牵引变流机组已开始采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

IGBT器件是电压型控制的自关断器件，开关频率高，器件本身dv／dt和di／dt的承受力大。

这就使得IGBT变流器结构设计可以采用低感复合母排(10w inductance laminated bus bar)，降低回路电感，从而简化甚至取消吸收电路。

另外，IGBT器件模块内部集成了反并联续流二极管，装置体积和重量进一步减小；同时开发了具有矩形安全工作区的牵引用IGBT模块，使得传动系统IGBT牵引变流器可靠性与GTo 牵引变流器相比，可靠性大大提高。

(2)电传动系统性能的优化
在电力电子技术的带动下，电传动系统由直流传动走向了现代交流传动。

交流传动与直流传动相比，主要有以下优点：
(1)优异的运行性能：
A．大持续功率。

异步电动机体积小、重量轻，在转向架有限安装空间内可以设置更大的功率。

电机重量／功率之比由直流传动的
3．17降低到交流传动的1．7；
B．高起动力。

能在静止状态下任意的时间内发出满转矩，利于复杂条件及重载的启动；
C．宽恒功率区。

恒功区的最高速度／额定速度之比由直流传动的1．4．1．67增加到交流传动的2．5．3；
D．粘着系数高。

比直流传动高1 0％，干燥轨面可大于0．4。

(2)显著的节能效果：
A．与内燃直流传动相比，节约燃料10％-25％；
B．电机效率和机车效率均提高；
C．再生制动可反馈能量10％，在峰谷交错地段可达40％。

(3)优良的可靠性和维修性：
A．采用鼠笼式异步电机，几乎免维护；
B．减少了磨耗件的种类和数量；
C．广泛采用模块结构和诊断装置，提高了无故障运行的公里数。

1.2.6 输电领域中:
（1）动态无功功率补偿（SVC）技术。

电厂生产的电能，一部分可有效地做功，对应功率称为有功功率；另一部分称为无功功率。

无功的存在使发电机功率因数降低，谐波污染电网，增加发电机和其它电气设备发热，无功的波动使电网电压波动。

因此，必须对无功功率进行补偿。

采用电力电子技术的动态无功功率补偿装置起着重要作用。

（2）高压直流输电（HVDCT）技术。

在远距离输电、跨海输电、非同期（非同步）的电力系统实现联网等方面，高压直流输电优于高压交流输电。

发电机发出的交流电能经过变压器变换后，再整流为直流电能，跨过几百、上千公里后，再经逆变器变换为工频交流电能，供终端用户使用。

必须采用几十、乃至数百万千伏安的超大功率电力电子装置才可以实现上述功能。

（3）柔性交流输电(FACTS)技术。

FACTS技术的概念问世于20世纪80年代后期，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。

20世纪90年代以来，国外在研究开发的基础上开始将FACTS技术用于实际电力系统工程。

其输出无功的大小，设备结构简单，控制方便，成本较低，所以较早得到应用。

（4）消除谐波改善电网供电品质。

相位控制型电力电子设备—谐波发生器，其大量的采用严重污染了公用电网，导致电力品质下降，危及电网安全运行；它产生的电磁干扰(EMI)也危及通信、金融、航空、交通、医疗等行业的安全运行。

采用电力电子技术，特别是有源滤波技术，抑制谐波发生，实现绿色电源，是21世纪必须要解决的问题。

近年来，电力电子的环境及产业都有了很大的变化。

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)技术或称DFACTS技术，是在FACTS各项成熟技术的基础上发展起来的电能质量控制新技术。

可以将DFACTS设备理解为FACTS设备的缩小版，其原理、结构均相同，功能也相似。

1.2.7 节能领域中：
应用电力电子技术改造传统设备，单台节电率平均可达20 ％左右。

如在全国推广，节电量将达500 亿千瓦时，相当于全国总发电量的1/10。

（1）采用巨型晶体管（GTR ）等功率集成器件的交流高效调速装置，可使风机和泵类设备调速运行的耗电量比传统的节流方式要少30 ％左右。

我国现有风机和水泵2000 多万台，总耗电量占全国发电量的30 ％以上，其中70 ％靠调节挡板或阀门变流量运行。

如有1/3 改造为调速运行，即可节电150 亿千瓦时。

如果交流电力机车也采用变频调速，可节电近30 亿千瓦时。

（2）用栅极可关断晶闸管（GTO ）开发的直流高效调速方式的载波调波装置，以取代电阻器，用于城市电车、工矿电机车和电瓶车调速运行，可节电
20 ％左右。

沈阳市改造了500 辆无轨电车，年节电400 多万千瓦时。

如将GTO 载波技术推广到全国，则可节电10 ～30 亿千瓦时。

（3）采用静电感应晶闸管（SITH ）或功率MOS 场效应晶体管（MOSFET 开发的）、能可靠地工作于50kHz 的高频镇流器替代工频电感镇流器，可节电20 ％以上；若用稀土三基色高效荧光灯和电感镇流器则可节电50 ％。

我国照明用电占全国总发电量的8.0％以上，如能改造2/3，则可节电130 亿千瓦时。

采用MOSFET 开发的逆变式电焊机，电工频交流和直流弧焊机节电30 ％～40 ％，省材3/4。

改造1 万台直流弧焊机则可节电1 亿千瓦时。

若使工频电炉高频化，则效率将由50 ％提高到70 ％以上。

（4）采用不对称晶闸管（ASCR ）或MOSFET、SITH，使中频电源高频化，不仅可提高电热转换效率，而且可扩大应用领域。

我国正在运行的12000 台标准高频电炉（以100 千瓦为基准），由于高频振荡器仍沿用电子管，因此，整机效率只有50 ％左右。

（5）若用静电感应晶体管（SIT ）代替电子管，则效率可达80 ％左右（其中高频功率转换效率可达90 ％左右），微观节电30 ％～40 ％，宏观节电量达10 亿千瓦时左右。

1.2.8 在智能电网中的应用：
（1）SVC 技术在智能电网的应用
SVC是一种典型的灵活交流输电装置，其主要作用如下：调节系统电压，保持电压稳定；控制无功潮流，增加输送能力；为直流换流器提供无功功率；提高系统的静态和暂态稳定性；加强对系统低频振荡的阻尼[10]。

它是解决我国电网输电瓶颈的一个重要技术手段。

我国20 世纪80 年代从国外引进了6 套SVC装备电网，2004 年在国家电网公司主持下，由中国电力科学研究院自主研发的辽宁鞍山红一变100 Mvar SVC示范工程顺利投运，标志着我国完全掌握了SVC的系统设计制造技术。

随后，川渝电网3 套SVC装置的顺利投运标志着SVC在我国电力系统中的推广应用。

SVC具有无功补偿和潮流优化功能，能够提高电网的输电能力和电能输送效率、改善电网的安全稳定性和电能质量，并且适用于各等级电网。

SVC为我国电网向着坚强、安全、智能化发展发挥了重要作用。

截至2009 年，我国电网总计投运近20 套SVC ，单套最大容量达180 Mvar，发挥了巨大的社会经济效益，仅红一变SVC一项就年节约电能25.976 GW ⋅h，年增收节支总和达1149 千万元。

（2）TCSC 技术在智能电网的应用
可控串补技术是在常规串补技术发展起来的一种灵活交流输电技术，主要由晶闸管阀、金属氧化物限压器(metal oxide varistor，MOV)、电容器组和阻尼器构成。

它不仅可以提高现有线路的输送能力，提高系统稳定性，还可以有效阻尼系统低频振荡、抑制次同步谐振、优化系统运行方式和降低输电损耗。

我国自20 世纪90 年代开始系统地研究可控串补技术，并于2004 年底建成投运我国第一个国产化TCSC工程——甘肃碧成220 kV可控串补工程，使我国成为世界上第4 个完全掌握可控串补设计制造技术的国家，2007 年10 月伊冯500 kV可synchronous 控串补投运，这是目前世界上容量最大、额定电压最高的可控串补装置。

以可控串补技术为代表的灵活交流输电技术，代表世界先进输电技术的发展方向，它利用先进电力电子技术提高电网输电能力、提升电网安全稳定水平，
适用于超/特高压各等级电网，有力推动了我国交流输电技术的创新进程和产业升级。

1.3 电力电子技术的发展历史及展望：
1.3.1 电力电子技术的发展与半导体技术:
§.电力电子技术和微电子技术
1947年晶体管发明之后，到50年代末开始向两个方向发展。

一个是以1958年集成电路的诞生为标志的微电子技术，它面向处理，其特点是加工线条越来越细，集成度越来越高，功能越来越全。

目前生产水平典型线宽为0．5-0．6微米，典型产品为16Mb的动态随机存储器(DRAM)和Power PC及Pentium(奔腾) 微处理器。

研制水平还远高于此。

微电子技术的发展带动了一系列高新技术的兴起，标志着第一次电子技术革命的开始，其应用几乎遍及所有领域。

1957年晶闸管的问世标志着电力电子技术的开端，它面向电力处理，其特点是功率越来越大，性能越来越高，派生器件越来越多。

到70年代末期80年代初为传统电力电子技术已经衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、不对称晶闸管、光控晶闸管等整个家族。

80年代以来，微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上，又逐渐走向结合。

电力电子器件在工艺和结构上，大量采用微电子微细加工技术的工艺方法和加工设备，使传统电力电子器件的高电压、大电流、深注入技术与微细加工技术有机结合，统一在一块芯片上。

目前，典型电力电子器件的最细线条可达
2-3微米。

从此产生现代电力电子技术，开始了第二次电子技术革命。

电力电子技术与微电子技术结合，首先出现了多种全控型器件。

它们的功能
特点是实现了自关断，从而避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换流电路。

其结构特点是，一个器件由多个元胞并联，大面积集成。

例如，1000A的门极关断晶闸管(GTO)含有近千个单元(GTO)。

一个40A／IOOV的电力MOS场效应管(VDMOS)，有3．5万个元胞并联，最小间距3微米，整个制造过程共i00多道工序，全部利用微电子MOS集成电路制造技术。

其中关键工艺为离子注入、细线光刻、外延、自对准双扩散、薄栅氧化、表面钝化及背面金属化等。

一个300A的静电感应晶闸管(SITH)含有5万个元胞，而一个50A／500V的MOS控制晶闸管(McT)则含有10万个元胞并联。

功率集成电路(Power IC，PIC)是电力电子技术与微电子技术结合的另一种形式。

它将MOS型功率器件与低压逻辑电路或模拟电路制作在一块芯片上。

这种器件一般包括MOS型功率器件，电平转换电路、保护和驱动电路。

有人将它分成高压集成电路(High Voltage IC，HVIC)和智能功率集成电路(Smart Power，SPIC)。

前者为低输出电流(例如几百毫安)高输出电压(例如几百伏)的横向器件，目前典型水平为600mA／500V。

后者为输出电流多在几十安以下输出电流多在几百伏以下的纵向器件，目前水平为5A／550V。

从总体上看，电力电子技术包括三个方面：电力电子器件，功率变换技术和自动控制技术。

任何电力电子装置均以电力电子器件为核心，应用集成电路，微处理器或微型计算机和自动控制技术(经典的、现代的和模糊控制)对电压、电流、频率、相数和相位进行变换，以实现功率处理。

从这个意义上理解，电力电子技术和微电子技术也是相辅相成，紧密结合的。

1.3.2 电力电子技术的发展趋势：
高功率密度
由于加工工艺的不断进步，各类电力电子器件的容量日益增大，表1列出电力电子器件最大电流电压水平，为了便于比较，表中同时列出国际和国内水平。

高效率
高频化
全控型器件正向高频化发展。

以几种典型器件为例，其最大开关频率(赫)分别为GTO，lOk；IGBT，50k：VDMOS，20M：SIT，200M，SITH，lOOk。

高频化器件出现，将使变流装置中磁性元件的尺寸减小，重量减轻，有利于
装置的小型轻量化。

高可靠性
高智能化
将功率器件和低压逻辑电路集成在一块芯片上，制成智能集成电路，它将信息处理与电力变换统一在一起，可使体积减小，重量减轻，可靠性提高，因而降低装置成本，是今后的重要发展方向。

另外一种途径是的士模块智能化，形成智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)。

在这类模块中的将功率器件，接口电路、过热、过流保护电路，上、下支路的信号分配电路，PVOvt控制电路，电路电源，过载和过压保护电路装在同一外壳内。

实际上这种模块已相当于一个功能完整的小型变流装置。

高集成化（IPEM）
模块就是把各种电力电子器件的芯片按一定的电路联成二单元、四单元或六单元，装在导热的绝缘衬底上，封装在一个外壳内而成，模块与同等容量的分立器件相比，具有体积小，使用简单，维修方便，重量轻，结构紧凑，可靠性高等优点，受到各国的普遍重视和大力开发，已被广泛应用。

1.3.3 四个极具潜力的发展方向（由美国电力电子研究中心提出）：
功率半导体器件和集成电路技术
Semiconductor Power Devices and ICs (SPDIC)
硅和宽能带隙（主要指SiC和GaN）半导体材料的探索；
功率电子集成技术（材料，结构、集成工艺
Power Electronics Integration Technology (PEIT)
功率电子集成模块的发展促进了功率电子在能源中的应用；
集成的电动机驱动系统
Integrated Motor Drive Systems (IMDS)
在不影响体积、重量和鲁棒性的情况下将各种必要的技术（如可调速技术等）集成到未来的电动机中；
集成的功率变换系统
Integrated Power Conversion Systems (IPCS)
1.3.4 电力电子技术在各方面的重要成果与发展动态:
（1）CPES的一些最新成果：
Three-Dimensional Integration of Power Supply Module（电源模块的三维集成）
High-V oltage Reverse Blocking Integrated GaN MOSFET/Schottky Rectifier （MOSFET/Schottky整流器的高电压反向阻断集成沟道）
（2）风力分频发电系统：
分频输电技术是我国学者王锡凡教授于1994 年提出的一种新型输电技术，又在实践中不断改进和完善。

众所周知，一条所能传输的电能是有一定限制的。

限制输电线路传输电能能力的因素主要有3 个，即机械极限、热极限和稳定极限。

机械极限就是说输电线路必需有一定的机械强度，也就是说，如果输电线过细、电线的支撑体（如铁塔）很弱，其输电能力必将受限，甚至稍遇风雨即倒，就无法应用。

热极限在低压配电是考虑的主要因素，如导线过细，则可能导致导线无法承受过大的电流而被烧毁。

但在电压相对较高的输电系统中，由于散热条件较好，即使由于机械原因导线也不能太细，热极限根本不用考虑。

因此，决定一条输电线路的输电能力的主要是稳定极限。

我们知道，电能在导线中是以电波的形式传输电能的，起始端和终端之间有一定的相位差。

分频是依靠依靠低转速的发电机发出分频电力（如50/3Hz）实现的，然后经过低频升压压器升压，通过输电线路将电力输送至远方。

因此把这种输电方式称之为分频输电。

分频电力输送至末端，再经倍频器将分频电力转为工频电力向受端电力系统供电。

分频输电系统的关键设备是倍频器，过去设想采用铁磁型三倍频压器，因此将分频频率定为50/3Hz。

这样线路输送容量大致可以提高三倍，接近于线路得热极限。

随着电力电子技术的不断发展，改频率不再是那么困难，不一定要把分频设为1/3工频，可以把分频输电改成为低频输电。

但是，1/3工频是一个合适的分频频率，即使用电力电子装置，通常仍维持50/3Hz，因此这种新型输电方式常常仍被成为分频输电。