现代电力电子技术概述

现代电力电子技术学习报告

姓名：csu

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专业：电气工程

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目录

第一章现代电力电子技术的形成与发展 (1)

1.1 电力电子技术的定义 (1)

1.2 电力电子技术的历史 (1)

1.3 电力电子技术的发展 (2)

1.3.1 整流器时代 (2)

1.3.2 逆变器时代 (2)

1.3.3 变频器时代 (2)

1.3.4 现代电力时代 (3)

第二章现代电力电子计时研究的主要类容和控制技术 (4)

2.1 直流输电技术 (4)

2.2 灵活交流输电技术（FACTS） (4)

2.3 定制电力技术（DFACTS） (5)

2.4 高压变频技术 (5)

2.5 仿真分析与试验手段 (5)

第三章现在电力电子的应用领域 (6)

3.1 工业领域 (6)

3.2 交通运输 (6)

3.3 传统产业 (6)

3.4 家用电器 (7)

3.5 电力系统 (7)

第四章现代电力电子技术的发展趋势及其目前研究的热点问题 (8)

4.1 国内发展趋势 (8)

4.2 国外发展趋势 (8)

4.3 热点问题 (8)

第一章现代电力电子技术的形成与发展

1.1 电力电子技术的定义

电力电子技术，又称“功率电子学”（英文：Power Electronics），简称PE，是应用于电力领域，使用电力电子元件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术分为电力电子元件制造技术和变流技术。一般认为，1957年美国美国通用电气公司研制出第一个晶体管是电力电子技术诞生的标志。

1974年，美国的W. Newell提出：电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而行成。这一观点被全世界普遍接受。

1.2 电力电子技术的历史

随着1902年第一个整流器的问世,进而引入了功率电子学这个概念。原始整流器是一个内含液态汞的阴极放电管。这个汞蒸气型的整流器,可以将数千安培的交流电转换为直流电,其容忍电压也高达一万伏特以上。从1930年开始,这种原始的整流器开始匹配一个类似于通管技术的点阵式(或晶格结构)类比控制器,从而实现了直流电流的可控制性(引燃管,闸流管)。由于正向可通过的电压约为20伏特,进而乘于正向可通过的电流就产生了可观的电功率损失,由此而来的投资和运营成本等等也会相应的增加。因而这种整流器在现今的功率电子技术方面并不会得到广泛的应用。

随着半导体在整流方面的应用,第一个半导体整流器(硒和氧化亚铜整流器)被发明出来。

1957年,通用电气研发出第一种可控式功率型半导体,后来命名为晶闸管。之后进一步地研发出多种类型的可控式功率型半导体。这些半导体如今也在驱动技术方面得到广泛应用。

1.3 电力电子技术的发展

传统电力电子技术是以低频技术处理的，现代电力电子的发展向着高频技术处理发展。其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。电力电子技术在1947年晶体管诞生开始形成，接着1956的晶闸管的出现标志电力电子技术逐渐形成一门学科开始发展，以功率MOS-FET和IGBT为代表的、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，表明已经进入现代电子电力技术发展时代。

1.3.1 整流器时代

在60年代到70年代被称为电力电子技术的整流时代。该期间主要是大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用。1948年的晶体管的出现引发了电子工业革命，半导体器件开始应用与通信领域，1957年，晶闸管的诞生扩展了半导体器件功率控制范围，属于第一代电力电子器件。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，当地办硅整流器厂逐渐增多，大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，其中电解、牵引、和直流传动是以直流形式消费。

1.3.2 逆变器时代

20世纪70年到80年代期间成为逆变器时代，该期间的电力电子技术已经能够实现逆变，但是仅局限在中低频范围内。当时变频调速装置因为能节能大量普及，巨型功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）和大功率逆变用的晶闸管成为当时电力电子器件的主流。它们属于第二代电力电子器件。

1.3.3 变频器时代

进入80年代，功率MOSFET和绝缘栅极双极晶体管（IGBT）的问世，电力电子技术开始向高频化发展，高压、高频和大电流的功率半导体复合器件为第三代电器元件的大规模集成电路技术迅速发展，他们的性能更进一步得到了完善，具有小、轻和高效节能的特点。

1.3.4 现代电力时代

20世纪以来，电力电子作为自动化、节材、节能、机电一体化、智能化的基础，正朝着应用技术高频化、产品性能绿色化、硬件结构模块化的现代化方向发展。在1995年，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件出现并广泛被人们应用，功率器件和电源单元的模块化，使用方便，缩小整机体积，器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。电子电力技术具有全控化、电路形式弱电化、集成化、高频化和数字化的特点。更能带来节能、节省材料和减少污染的经济效益和生态效益，能控制精度高、避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰，改善了工作条件。

第二章现代电力电子计时研究的主要类容和控制技术

2.1 直流输电技术

直流输电技术自1882年问世以来，已从汞弧换流器逐步发展到以可控硅阀换流器为核心的现代直流输电系统。直流输电有两端（也称端对端）直流工程、多端直流工程和背靠背直流工程等类型。直流输电核心技术目前只有ABB和西门子等少数大公司掌握。直流输电技术主要有两种技术形式：以相控换流器（PCC）技术为核心的传统高压直流输电技术（HVDC）和以电压源换流器（VSC）技术为核心的轻型直流技术（HVDC Light）。

传统高压直流输电技术主要应用于远距离大容量输电、不同电网间的非同步互联、远距离海底电缆送电等。轻型直流输电应用于向孤立的远方负荷区送电、小型水电或风力发电与主干网的连接以及小容量远距离送电等。

2.2 灵活交流输电技术（FACTS）

FCTS技术是80年代末美国电力研究院（EPRI）的Narain G.Hingorani 博士提出的概念，是基于电力电子技术和控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位实施灵活快速调节的一种交流输电技术。通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无功潮流等的平滑控制，以达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振荡、提高系统稳定水平的目的。FACTS技术改变了传统交流输电的概念，将使未来的电力系统发生重大变化。

目前，FACTS家族的成员已超过二十种，其原理、性能、与系统结合方式等也多种多样，一些已进入实际应用阶段，一些正处于工业示范阶段，另一些尚处于设计测试阶段，还有许多现在尚未提及的技术和装置需要根据生产需要去研制和开发。