我国电力电子技术与行业的发展

我国电力电子技术与行业的发展

电22 李自帅（2012010916）

一、电力电子技术简介

电力电子技术（Power Electronic），是使用电力电子期间对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子设备和系统及其控制三个方面，设计电力电子器件（上游）、电力电子设备和系统（中游）、电力电子技术在各个行业的应用（下游）三个领域。电力电子技术主要用于功率（电力）变换，其功率的范围小到数瓦（W），大到数百兆（MW）甚至吉瓦（GW）。

电力电子技术应用领域十分广泛，几乎涉及到了国民经济各个工业部门和社会生活的各个方面，电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对战略性新兴产业（航天、激光、通信、告诉轨道交通、机器人、电动汽车、新能源等）和高效利用能源均至关重要，尤其在贯彻“节能减排”、“发展新能源”的基本国策中发挥巨大的作用。

二、电力电子技术的发展背景与历程

电力电子技术的发展背景主要有两个：能源革命和制造业革命。电力电子是能源变换和信息控制的结合，是现代能源变化的核心部件和关键技术。我国电力电子的起步可追溯到上世纪50年代末。50年代末研制出第一只整流管，60年代初研制出第一只晶闸管和晶体管。之后，70年代后期，门极关断晶闸管（GTO）、双极性晶体管（BJT）、功率场效应管（Power MOSFET）等全控型器件研制成功，电力电子技术得到了进一步发展。80年代后，以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体符合器件的相继问世，标志着冲通电力电子向现代电力电子技术的转化。

三、电力电子技术的应用

当前，电力电子技术的应用已经非常普遍。世界上一些先进的国家都开始向信息经济转变，而电力电子技术正是改作传统产业、支持高新技术发展的基础。近年来，随着开发的不断深入，一些高性能的期间出现并被应用于电力电子变流装置中。这大大促进了电力电子技术的发展，同时电力电子技术的发展，也对国民经济和科技的发展起到了非常大的作用。在课上，李崇坚老师从新能源发电、直流输电、电能储存、电机系统节能、工业电机驱动、电能质量控制、智能电网建设、船舶电力推进、现代国防设备、家用电器等十个方面介绍了电力电子设备的应用。

1.电力电子在新能源发电中的应用。

电力电子对节能的作用，主要是体现在电力的斩波调速、风机水泵的交流调速等方面。目前，全国高校电力电子和电力传动学科95%以上都开始有关新能源发电中电子电子的应用。

我国现在已经成功全世界最大的风电制造、使用国，风电的使用比例已经超过水电。采用电力电子技术可以使得风机和泵类设备调速运行，耗电量比传统的节流方式减少30%左右1。目前，对于小容量（2MW以下）风机机组主要是采用双馈异步发电机，大容量（2MW以上）风机机组主要是采用直驱永磁同步发电机。电力电子技术在其中发挥着重大的作用。

此外，在光伏发电方面，电力电子技术也有着重大的应用。太阳能资源丰富，是一种非常廉价并且清洁的新能源。但是如果使用太阳能发电就必须使用功能逆变器，将他养你阵列的直流电转化为交流电，电力电子技术在其中起到了重大的作用，目前我国“十二五”、863等多项科研项目都针对其做出了研究。

2.电力电子技术在电能输送中的应用

以灵活交流输电（FACTS）、高压直流（HVDC）输电技术、轻型高压直流输电技术等为代表的薪金电力电子技术输电已经越来越广泛的应用于我国的新一代坚强智能电网的建设之中了。应用各种基于电力电子期间的系统控制器于HVDC和FACTS，能在不增加输电走廊的前提下充分利用现有输电线路、提高传输容量和稳定性。我国已经是全世界最大容量、最长，规模最大的直流输电国家，现有三峡——上海特高压直流输电线。我国目前正在积极研制针对新能源发电的直流输电系统——模块化多电平换流器型高压直流输电（MMC-HVDC）。未来，基于电力电子技术的输电系统必将在我国电网的建设中起到巨大的作用。

3.电力电子技术在家电中的应用

电力电子技术不但在工厂中广泛应用，在人们的家庭中也有着很多的应用。电力电子控制学可以将人们从繁杂的劳动中解放出来，对人们的生活提供了很大的方便。其中洗衣机是生活中常用的家用电器，在电力电子技术的应用下能够代替人工工作，只需要将衣服放进洗衣机按下按钮，就能够通过电力电子技术的功能支持完成整整个洗衣的过程。还有就是在厨房洗碗机家用电器的电力电子技术的应用上和洗衣机的原理类似，在空调器的电力电子技术的应用上能够起到节能作用，实践证明能够节约30%的电能，而电频荧光灯在工作效率上要比普通的白痴能的效率高很多。

4.电力电子在交通运输中的应用

电力电子技术在交通中应用是比较广泛的，在电气机车中的交流车采用的变频装置、磁悬浮技术等，汽车中的电脑中控系统、轻轨列车的自动控制系统等都离不开电力电子技术。在我国的电力电子技术得到了迅速发展过程中，已经在诸多的领域有了应用，其中在电气化

1Future on Power Electronics for Wind Turbine Systems, IEEE Journal of Emerging and Selected in Power Electronics, vol…1,NO.3,Septemer 2013.

的铁道交通当中就对电力电子技术有了广泛应用，在电气机车当中的直流机车就是对整流装置进行的应用，而交流机车方面就是对变频装置进行的应用。另外，在磁悬浮列车当中的电力电子技术的应用比较关键，有着诸多的地方需要电力电子技术的支持才能够使得磁悬浮列车得以顺利的运行，不仅在牵引电机传动方面，在各种的辅助电源方面也需要这一技术的支持。而在电动汽车的电机方面也是需要电子装置对电力进行转换才能够起到控制驱动的作用。在船舶以及飞机等对电源的使用也有着很大的不同，所以在对电力电子技术的应用上也比较的关键。

5.我国现代国防装备

电力电子在现代化国防中得到越来也多的应用，已成为该领域的核心技术之一。所有现代国防装备的特种供电电源、功率驱动、推进、控制等均涉及到电力电子技术。而在快中子堆、磁约束核聚变、环保等前言科学研究以及激光、航空航天、航母等前言技术中，超大功率、高性能的变流器机器控制系统也是必不可少的核心部件和基础。新一代航母中的电磁弹射技术也离不开电力电子技术，目前我国已经研制出完整的电磁弹射装备，并已经在辽宁省葫芦岛市海军基地安装试验成功。

应用高频电力半导体期间及高频变流技术与航空航天中的动力供电和控制电源，可使体积及重量大幅度下降，从而使得整个航天飞行旗的重量减轻，体积缩小，提高其性能，减小其驱动功率。

四、我国电力电子技术的发展现状

1.电力电子器件

我国传统型晶闸管类电力电子器件的电压等级和电流容量不断扩展，品种也不断增加，产业结构趋向合理，应用面不断扩大。目前，晶闸管类器件产业成熟，种类齐全，质量可靠，能满足国内的需求。目前，5英寸7200V/3000A、6英寸8500V/4000A电控晶闸管和5英寸7500V/3125A光控晶闸管等世界前列技术水平的晶闸管生产已经实现了产业化，在高压直流输电和无功补偿等领域有着较为广泛的应用。

在国家产业政策支持和国民经济发展的推动下，我国高频场控类电力电子器件的研发和产业化也取得了喜人的成就。例如针对IGBT这一新型电力电子器件，我国目前以及实现了从“无”到“有”的突破，在从“有”到“精、好”的努力也有着较大的进展，从芯片设计到封装、测试的完整产业链已经形成。以MOSFET、FRD和IGBT为代表的第三代电力电子器件的生产技术也有着较大的突破，（100、200）V/<20A的功率MOSFET芯片和（600、1200）V/100A的FRD芯片早已进入批量化生产阶段。

2.电力电子设备和系统

目前，我国的高压变频器制造技术水平和应用范围与发达国家的距离正逐步缩小。中低压变频器虽早已规模块生产，但由于技术缺乏优势，市场主要还是为国外公司占有。国产厂商在中小功率的风机水泵节能应用中大显身手，在大功率应用中也取得突破、在电力、水泥