電力電子技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢分析

王 瑛

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞，721013）

電力電子技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢分析

王 瑛

（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西寶雞，721013）

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航天、電力、制造等各個(gè)領(lǐng)域。本文綜述各種研究資料對電力電子技術(shù)應(yīng)用，并對未來電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

風(fēng)力系統(tǒng)；交流控制；電力電子；應(yīng)用；趨勢分析

隨著科技的進(jìn)步，以電力電子器件、交流電力、電力電子電力的控制為主要研究內(nèi)容的電力電子技術(shù)逐漸成為涵蓋電子、電力和控制技術(shù)的三大電氣工程的交叉學(xué)科，而被廣泛的應(yīng)用到科技的各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)隨著應(yīng)用的深入，使得電力電子技術(shù)成為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。

1 電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容

1.1 電力電子器件

電力電子器件作為電力電子技術(shù)中的核心，對其要求為：一是必須能夠承受高壓電、帶電流的能力；二是必須以開關(guān)的方式運(yùn)行。

1.2 交流電路

交流技術(shù)作為電力電子技術(shù)的核心，其主要的作用是對由電力電子器件構(gòu)成的不同交換電力進(jìn)行控制。其主要包括晶閘管在內(nèi)的由電力電子器件構(gòu)成的主電路，通過不同的電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對電能的變化與控制。該技術(shù)其主要的研究方向是對變換器的主電路進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。換句話說，就是在進(jìn)行變換器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對元件的不同位置進(jìn)行優(yōu)化，從而提升其功能指標(biāo)，以此達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的目的的一門技術(shù)。在設(shè)計(jì)中高頻化、高功率因數(shù)、高效率和低變換損耗是最終的目標(biāo)。

1.3 電力電子電路的控制

該技術(shù)主要是通過電子器件對工業(yè)中的大功率的電能進(jìn)行控制和交換的技術(shù)。其主要的作用是通過器件的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對電能的控制。其中開光的狀態(tài)必須是可控的，并且是可以通過信號來進(jìn)行控制。換句話說，就是通過為變換器中的開關(guān)器件提供信號，然后器件按照相關(guān)的指令，按照設(shè)定的規(guī)律與控制方式進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)對電能的控制?？刂齐娐穭t主要包含時(shí)序控制、保護(hù)電路、電氣隔離和功率放大。

2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

2.1 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

交流技術(shù)的典型應(yīng)用以現(xiàn)在新型三相Z 源逆變器為代表。三相Z 源逆變器被廣泛的應(yīng)用于風(fēng)能發(fā)電，通過對電能的控制和調(diào)節(jié)，改善了風(fēng)能系統(tǒng)運(yùn)行的性能。而起主要的交流電路控制方式則分為兩類：

1）不可控整流后接 Z 源逆變器控制方式

傳統(tǒng)的不可控的整流逆變器控制方式主要包括兩種，一種是以電壓源型逆變器為主的控制方式，該控制方式在在風(fēng)流發(fā)電中沒有考慮到風(fēng)力比較小的時(shí)候，其整流后的電壓往往較小。面對這種情況，往往通過加強(qiáng)調(diào)制的深度來減小逆變部分的運(yùn)行功率；另外一種是以直流側(cè)電壓穩(wěn)定的逆變器為主要控制方式，但是該控制方式的缺點(diǎn)在于不能雙向控制，而只能進(jìn)行簡單的升

壓，同時(shí)在操縱中，受到死區(qū)時(shí)間的影響，導(dǎo)致控制受到限制。

其實(shí)玉敏心里沒有底。姑父不言自威，她平時(shí)都不敢和姑父說話，哪能替許沁說上話呢。后來的事實(shí)證明，玉敏根本幫不上許沁，姑父也根本不相信許沁。玉敏讓姑媽從中周旋，亦無結(jié)果。

與傳統(tǒng)的逆變器控制技術(shù)相比，新型的風(fēng)力發(fā)電中，在Z 源逆變器增加的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)Z 源網(wǎng)絡(luò)，從而允許上下橋臂能夠同時(shí)道統(tǒng)，以此更好的防止因器件損壞而導(dǎo)致直通狀態(tài)改變的事故發(fā)生，從而更好的使得電路具備升降功能。具體的拓?fù)浞治鰣D如圖1所示。

圖1 不可控整流后接Z源逆變器控制方式

通過計(jì)算可以得出Z 源網(wǎng)絡(luò)輸出的直流母線電壓為：

通過計(jì)算可以得出逆變器在交流側(cè)所輸出電壓的峰值：

通過上述的公式，我們可以得出，可以通過對公式中的升壓因子B和調(diào)制比M的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓的目的。

因此，通過三相逆變器的調(diào)節(jié)作用，可以在風(fēng)速比較小的時(shí)候，調(diào)節(jié)占空比，靈活進(jìn)行升降壓，從而達(dá)到電力中的并網(wǎng)要求，高效的捕獲風(fēng)能。

2）Z 源矩陣變換器控制方式

傳統(tǒng)的矩陣變換器的作用是實(shí)現(xiàn)能量的雙向的流動(dòng)，但是其最大的缺點(diǎn)在于其矩陣變換器的電壓傳輸比不高，從而導(dǎo)致可靠性降低。因此，在控制方式中加入Z 源網(wǎng)絡(luò)，以此可很好的而解決上述的問題。具體如圖2和圖3所示。

圖2 Z源矩陣變換器控制方式

2.2 電力電子技術(shù)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在電氣化的鐵道中以DC/DC變換技術(shù)為代表，該變換技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在了地鐵、電動(dòng)車中的無級變速等領(lǐng)域。如現(xiàn)代汽車中，隨著汽車中的用電的不同，其設(shè)備的種類也就不同，對電源的型號的要求也就不同。而這些電源都是采用的是由蓄電池所提供的+12VDC或+24VDC的直流電壓，在經(jīng)過DC-DC變換器轉(zhuǎn)變成+220VDC或+240VDC，后再經(jīng)過DC-AC變換器轉(zhuǎn)變成工頻交流電源或者是變頻調(diào)壓電源。如采用推挽逆變-高頻變壓器-全橋整流方案，設(shè)計(jì)了24VDC輸入-220VDC 輸出、額定輸出功率600W的車載高頻推挽DC-DC變換器。該方案中最重要的是采用AP法設(shè)計(jì)推變變壓器。

圖4 推挽變壓器簡化后的主電路圖

查看經(jīng)過簡化后的變壓器主電路圖，在輸入24V的直流電源之后，經(jīng)過大電容的濾波作用后，被接到了推挽變壓器的原邊的中間抽頭部位。而變壓器的另外的兩個(gè)抽頭則分別接全控型號的電力電子器件IGBT，并在這中間加入RC吸收電路，從而構(gòu)成了推挽逆變電路。變壓器的輸出端在經(jīng)過全橋整流之后，大電容的濾波便得到了220伏的直流電壓，并通過分值得到電壓的反饋信號為UOUT.

而該主電路，主要是以CA3524芯片為核心，從而構(gòu)成了整個(gè)控制電路。通過對圖中的6和7中的管腳間的電阻、電容的大小來調(diào)節(jié)開關(guān)的頻率。在12、13的管腳出輸出PWM的脈沖信號，從而驅(qū)動(dòng)電路，分別對兩全控型開關(guān)進(jìn)行交替控制。反饋信號經(jīng)1管腳，通過P2對2管腳參考，并和9中的COM端、CA3524構(gòu)成調(diào)節(jié)器，從而通過調(diào)節(jié)占空比，以此達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

3 電力電子技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

圖3 三相Z源矩陣變換器拓?fù)鋱D

隨著科技的發(fā)展，材料的創(chuàng)新，未來電力電子技術(shù)的應(yīng)艷紅將凸顯出高頻化（20kHz以上）、硬件結(jié)構(gòu)集成模塊化（單片集成模塊、混合集成模塊）、軟件控制數(shù)字化和產(chǎn)品性能綠色化（無電磁干擾和對電網(wǎng)無污染）四大發(fā)展方向。

3.1 電力電子器件的未來發(fā)展

電力電子器件的發(fā)展在未來的幾年中將凸顯出集成化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、高頻化以及智能化的特點(diǎn)。這主要因?yàn)橐韵滤膫€(gè)原因：

第一，隨著我國與世界的不斷融合，特別是和發(fā)到國家的不斷融合，同時(shí)在技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中，對電子器件的性能和指標(biāo)的要求也越來越嚴(yán)。具體的說未來的電子器件將需要更大的散熱能力、更高的工作的溫度、更大的電流密度等，而對于航空和航天方面的來講，還注重更好的抗輻射和抗振動(dòng)能力，特別是在軍事中的裝甲車、坦克、火箭等。

第二，在未來的幾年發(fā)展中，管以硅為半導(dǎo)體材料的雙極功率器件和場控功率器件的研發(fā)也趨于成熟，同時(shí)各種不同的結(jié)構(gòu)和新的生產(chǎn)工藝的加入，仍可有效的提升其性能，各種不同型號的期間仍然具有市場競爭力。

第三，隨著信息化等方面的提高，智能化的研發(fā)和應(yīng)用也在不斷地成果。在美國、以色列等國家已經(jīng)相繼制造出了結(jié)構(gòu)更簡單，功能更強(qiáng)大的IPM智能化功率模塊，有效的提高了運(yùn)行的效率。

3.2 電力電子設(shè)備與系統(tǒng)的未來發(fā)展

隨著人們未來高效化的要求，電力電子設(shè)備正在朝著全數(shù)字控制、高頻化、系統(tǒng)化、智能化以及低碳化方向發(fā)展。首先是因?yàn)槲磥淼臅r(shí)期，各種電力半導(dǎo)體為主的電子設(shè)別將在未來展開常態(tài)化的競爭和發(fā)展，晶閘管仍見形成壟斷地位；其次以IGBT的整流器與逆變器的應(yīng)用可有效的提高效率、減輕體積和噪音，同時(shí)將別廣泛的應(yīng)用到工業(yè)、家電和新能源領(lǐng)域；第三，以IGCT為主的功率器件將逐步取代晶閘管；第四，MOSFET將在未來的電子設(shè)備和系統(tǒng)低功率中發(fā)揮巨大的作用。

[1] 李春杰.Z 源矩陣式變換器研究[D].青島:山東科技大學(xué),2011.

[2] 無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模糊自適應(yīng)控制,楊俊華1,2 ,李建華1,吳捷2,楊金明 2,電機(jī)與控制學(xué)報(bào),第10 卷第 4期,2006.7,346-350.

[3] 趙爭鳴.電力電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展熱點(diǎn)綜述[J].變頻器世界 ,2010(01).

王瑛（1960.8），女，北京；大學(xué)本科學(xué)歷、工學(xué)學(xué)士；講師。

Analysis of application and development trend of power electronic technology

Wang Ying
(Baoji Vocational Technology College，Shaanxi Baoji，721013)

Along with the progress of modern science and technology,modern power electronic technology has been widely applied in various fields of aerospace,electric power,manufacturing etc..This paper summarizes various studies on the application of power electronic technology,analysed the trend of the future of the power electronic technology.

wind system;communication control;power electronics;application;trend analysis