淺析電力電子技術(shù)與發(fā)展前景

王青林 黃曼霞

1.商丘技師學(xué)院 河南 商丘 476000；2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 商丘 476000

0 引言

電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行交換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)合成為電子技術(shù)，二者本質(zhì)上的不同在于信息電子技術(shù)主要用于信息處理；而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換，它是一個(gè)以功率半導(dǎo)體器件、電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐的技術(shù)平臺(tái)。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程

電力電子技術(shù)早在20世紀(jì)中期就已出現(xiàn)，在50年代末60年代初，電力電子才真正成為一門(mén)學(xué)科。隨著大功率晶閘管和GTO（門(mén)極可關(guān)斷晶體管）的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)開(kāi)始登上現(xiàn)代電氣技術(shù)舞臺(tái)，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。

電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為電力電子技術(shù)的誕生奠定了基礎(chǔ)。晶閘管自誕生以來(lái)，電力電子器件已經(jīng)走過(guò)了五十多年的概念更新、性能換代的發(fā)展歷程。

1.1 第一代電力電子器件

以電力二極管和晶閘管（SCR）為代表的第一代電力電子器件，以其體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)首先在大功率整流電路中迅速取代老式的汞弧整流器，取得了明顯的節(jié)能效果，并奠定了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力二極管對(duì)改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電源使用效率等方面都具有非常重要的作用。

晶閘管誕生后，由晶閘管及其派生器件構(gòu)成的各種電力電子系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中主要解決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重等問(wèn)題，因而大大提高電能的利用率，同時(shí)也使工業(yè)噪聲得到一定程度的控制。

1.2 第二代電力電子器件

自20世紀(jì)70年代中期起，電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管 （GTO）、電力場(chǎng)控晶體管 （功率MOSFET）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、MOS 控制晶閘管（MCT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等通斷兩態(tài)雙可控器件相繼問(wèn)世，電力電子器件日趨成熟。一般將這類具有自關(guān)斷能力的器件稱為第二代電力電子器件。全控型器件的開(kāi)關(guān)速度普遍高于晶閘管，可用于開(kāi)關(guān)頻率較高的電路。

1.3 第三代電力電子器件

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減少，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。后來(lái)，又把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC），也就是說(shuō)，電力電子器件的研究和開(kāi)發(fā)已進(jìn)入高頻化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、集成化和智能化時(shí)代。電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術(shù)創(chuàng)新的主導(dǎo)方向，而硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊化是電力電子器件發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 電源技術(shù)的發(fā)展概況

2.1 電源技術(shù)簡(jiǎn)介

電力電子技術(shù)的研發(fā)歸根結(jié)底還是電源技術(shù)。由于電力電子技術(shù)主要用于變流，也即各種電流源。它提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻變流電源及變頻交流電源，為用電設(shè)備提供不同種類的電源需求。

2.2 整流電路

整流電路的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。按組成器件可分為不可控、半控、全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路和多相電路。

典型的單相可控整流電路包括單相半波可控整流電路、單向整流電路、單相全波整流電路及單相橋式半控整流電路等。

三相可控整流電路用于整流負(fù)載容量較大或要求直流電壓脈沖較小易濾波的場(chǎng)合，其交流側(cè)由三相電源供電。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路、三相橋式全控整流電路、雙反星形可控整流電路及十二脈波可控整流電路等。

2.3 逆變電路

逆變電路與整流相對(duì)，把直流電變?yōu)榻涣麟姺Q為逆變，當(dāng)交流側(cè)接上電網(wǎng)，即交流側(cè)接有電源時(shí)稱有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)稱無(wú)源逆變。

逆變電路主要用于各種電路電源的換流，故其換流方式很重要，已有的換流放式有器件換流、電網(wǎng)換流、負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流等。利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流；由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流；由負(fù)載提供電壓稱為負(fù)載換流。

2.4 直流——直流變流電路

直流——直流變流電路的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭ǖ碾妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直流變流電路和間接直流變流電路。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無(wú)級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。

直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。

2.5 交流——交流變流電路

交流——交流變流電路即把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。

交流——交流變流電流電路可以分為直接方式和間接方式兩種，交流——交流變流電路中只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路稱為交流電力控制電路，改變頻率的電路稱為變頻電路。

3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。

3.1.1 大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制

靜止勵(lì)磁采用晶閘管整流自并勵(lì)方式，具有快速性調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。

3.1.2 水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁

當(dāng)水頭的變化幅度較大時(shí)，機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速便隨之發(fā)生變化。風(fēng)葉捕捉最大風(fēng)能的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速而變化。為了獲得最大有效功率，可通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項(xiàng)應(yīng)用的技術(shù)核心是變頻電源。

3.2 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

3.2.1 直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術(shù)

直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1970年世界上第一項(xiàng)晶閘管換流器，標(biāo)志著電力電子技術(shù)正式應(yīng)用于直流輸電。

3.2.2 柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)

FACTS技術(shù)的概念問(wèn)世于20世紀(jì)80年代后期，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電功率潮流的靈活控制，能大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。

3.3 在配電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

配電系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。

電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力 （Custom Power）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的電能質(zhì)量控制新技術(shù)。

3.4 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用

目前，交流變頻調(diào)速在冶金、礦山等部門(mén)及社會(huì)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。首先是風(fēng)機(jī)、泵類等變負(fù)荷機(jī)械中采用變頻調(diào)速控制代替擋風(fēng)板或節(jié)流閥控制風(fēng)流量和水流量具有顯著的節(jié)能效果。國(guó)外變負(fù)荷的風(fēng)機(jī)、水泵大多采用了交流變頻調(diào)速，我國(guó)正在推廣應(yīng)用中。

變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速范圍廣，精度高，效率高，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)速。在調(diào)速過(guò)程中轉(zhuǎn)差損耗小，定子、轉(zhuǎn)子的銅耗也不大，節(jié)電率一般可達(dá)30%左右。其缺點(diǎn)主要為：成本高，產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)。

4 電力電子技術(shù)發(fā)展前景

4.1 國(guó)際電力電子技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

電力電子技術(shù)的滲透力和創(chuàng)新表現(xiàn)十分突出，生命力格外旺盛，處于陽(yáng)光產(chǎn)業(yè)地位，并與其它學(xué)科相互融合和發(fā)展產(chǎn)生新的機(jī)遇。電力電子技術(shù)還有其自身一些獨(dú)具特色的地方，如高電壓、大容量及控制功率范圍大。因此，技術(shù)的創(chuàng)新難度在于必須跨越高電壓大功率這一關(guān)卡，如材料工業(yè)和制造工藝、電力電子器件工作的可靠性等。

電力電子技術(shù)的創(chuàng)新與電力電子器件制造工藝，已成為世界各國(guó)工業(yè)自動(dòng)化控制和機(jī)電一體化領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)最激烈的陣地，各發(fā)達(dá)國(guó)家均在這一領(lǐng)域注入極大的人力，物力和財(cái)力，使之進(jìn)入高科技行業(yè)。就電力電子技術(shù)的理論研究而言，目前日本、美國(guó)及法國(guó)、荷蘭、丹麥等西歐國(guó)家可以說(shuō)是齊頭并進(jìn)，這些國(guó)家正朝著電力電子技術(shù)高頻化、大功率方向發(fā)展，為真正實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備的小型化、輕量化、智能化奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，也為21世紀(jì)電力電子技術(shù)的不斷拓展創(chuàng)新描繪了廣闊前景。

4.2 我國(guó)電力電子技術(shù)發(fā)展前景

我國(guó)開(kāi)發(fā)研制電力電子技術(shù)的綜合能力與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有較大的差距。要發(fā)展和創(chuàng)新我國(guó)電力電子技術(shù)，并形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，就必須牢牢堅(jiān)持和掌握產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的方法走共同發(fā)展之路。

我們要及時(shí)跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，逐步走上自主創(chuàng)新之路，從交叉學(xué)科的相互滲透中創(chuàng)新，從器件開(kāi)發(fā)選擇及電路結(jié)構(gòu)變換上創(chuàng)新，從器件制造工藝技術(shù)引導(dǎo)上創(chuàng)新，從新材料科學(xué)的應(yīng)用上創(chuàng)新，由此形成基礎(chǔ)積累型的創(chuàng)新之路。并要把技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品應(yīng)用及市場(chǎng)推廣有機(jī)結(jié)合，加快科技創(chuàng)新的自我強(qiáng)化的循環(huán)，使我國(guó)電力電子技術(shù)及器件制造工藝技術(shù)有長(zhǎng)足的發(fā)展，并形成一個(gè)全新的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，快速轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電力電子技術(shù)的發(fā)展是從低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子技術(shù)向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子技術(shù)方向發(fā)展。目前，電力電子技術(shù)作為節(jié)能、環(huán)保、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。

［1］陳堅(jiān)，趙玲.電力電子技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

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［4］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第5版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］季幼章.迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，發(fā)展電源技術(shù)應(yīng)用［J］.電源技術(shù)應(yīng)用.1998，（02）.

［6］葉治正，葉靖國(guó)編.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［7］趙可斌，陳國(guó)雄編.電力電子變流技術(shù)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1993.