淺談電力電子技術(shù)

【摘要】電力電子技術(shù)正在不斷發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)器件的陸續(xù)誕生，計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為現(xiàn)代控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了有力的支持，在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與實(shí)際工程也取得了可喜成績(jī)。

【關(guān)鍵詞】電力電子電路；電力電子；電子元件

電力電子技術(shù)誕生近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，使電氣工程、電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)生了深刻的變化，同時(shí)也給人們的生活帶來(lái)了巨大的影響。目前，電力電子技術(shù)仍以迅猛的速度發(fā)展著，新的電力電子器件層出不窮，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。不論在全世界還是在我國(guó)，電力電子慢慢的被人所熟知，下面我們就電力電子電路和其應(yīng)用、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

1.電力電子電路

1.1 電子電路的概念

電子電路時(shí)利用電力電子器件對(duì)工業(yè)電能進(jìn)行變換和控制的大功率電子電路。因?yàn)殡娐分袩o(wú)旋轉(zhuǎn)元、部件，故又稱靜止式變流電路，以區(qū)別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式變流電路（由電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的變流電路）。電力電子電路始見(jiàn)于20世紀(jì)30年代，包括由氣體閘流管和汞弧整流管組成的低頻變流電路和由高頻電子管組成的變流電路。它們構(gòu)成了第一代電力電子電路。60年代由晶閘管組成了第二代電路，泛稱半導(dǎo)體電力電子電路（又稱半導(dǎo)體變流電路）。80年代，由于可關(guān)斷晶閘管（GTO）和雙極型功率晶體管（GTR）等新型器件的實(shí)用化，又逐漸在不同領(lǐng)域中取代了普通晶閘管并形成第三代電路。由于它們具有控制極關(guān)斷和工作頻帶較寬的優(yōu)點(diǎn)，使電力電子電路具有更佳的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，獲得了更為廣泛的應(yīng)用。

1.2 電力電子電路的特征

電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，電壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（也就是開(kāi)關(guān)特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替

1.3 典型電力電子電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力電子電路的系統(tǒng)包括以下三種：

（1）電力電子器件：如功率二極管、晶閘管、功率MOSFET、IGBT、MCT等，分為不控型、半控型、全控型三種類型。

（2）電力電子電路：包括整流（AC/DC變換）、逆變（DC/AC變換）、直流變換（DC/DC變換）、交流變換（AC/AC變換）四大基本類型的變換電路。

（3）電力電子電路的輔助電路：包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、保護(hù)電路等幾大類電路。

1.4 電力電子電路的分類

按實(shí)現(xiàn)電能變換時(shí)電路功能分類，可分為4種。

①整流電路（AC/DC變換電路）：具有整流功能的電路。凡將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的過(guò)程泛稱為整流。

②逆變電路（DC/AC變換電路）：具有逆變功能的電路。凡將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的過(guò)程稱為逆變。

③交流變換電路（AC/AC變換電路）：能將交流電能的大小和頻率加以改變的電路。前者稱交流調(diào)壓電路；后者稱變頻電路。

④直流變換電路（DC/DC變換電路）：能將直流電能的大小和方向加以改變的電路。由于采用斬波控制方式，故又稱直流斬波電路。

2.電力電子技術(shù)的應(yīng)用

自20世紀(jì)80年代，柔性交流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注，多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻(xiàn)介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。

2.1 在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

電力電子器件應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。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)。可以將DFACTS設(shè)備理解為FACTS設(shè)備的縮小版，其原理、結(jié)構(gòu)均相同，功能也相似。由于潛在需求巨大，市場(chǎng)介入相對(duì)容易，開(kāi)發(fā)投入和生產(chǎn)成本相對(duì)較低，隨著電力電子器件價(jià)格的不斷降低，可以預(yù)期DFACTS設(shè)備產(chǎn)品將進(jìn)入快速發(fā)展期。

2.2 在節(jié)能環(huán)節(jié)的運(yùn)用

在電氣設(shè)備中，變壓器和交流異步電動(dòng)機(jī)等都屬于感性負(fù)載，這些設(shè)備在運(yùn)行時(shí)不僅消耗有功功率，而且還消耗無(wú)功功率。因此，無(wú)功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無(wú)功平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓降低，設(shè)備破壞，功率因數(shù)下降，嚴(yán)懲時(shí)會(huì)引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故。所以，當(dāng)電力網(wǎng)或電氣設(shè)備無(wú)功容量不足時(shí)，應(yīng)增裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，提高設(shè)備功率因數(shù)。

2.3 優(yōu)化電能的使用

通過(guò)電力電子技術(shù)對(duì)電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對(duì)風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等14個(gè)方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當(dāng)于1990年全國(guó)發(fā)電量的16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達(dá)10%-40%。

3.電力電子技術(shù)目前在我國(guó)存在的主要問(wèn)題

雖然我國(guó)電力電子的開(kāi)發(fā)研究已有50年歷史，過(guò)去已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是與超大規(guī)模集成電路的發(fā)展一樣，該領(lǐng)域科技發(fā)展速度太快，加之我國(guó)財(cái)力和原有基礎(chǔ)薄弱等因素的限制，特別是當(dāng)前面臨國(guó)外高科技沖擊等原因，我國(guó)電力電子有種被“邊緣化”的趨勢(shì)：即各行各業(yè)都迫切需要它，但是，各應(yīng)用領(lǐng)域均沒(méi)將其作為研究重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)解決不了的就依靠進(jìn)口！

當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是：目前我國(guó)生產(chǎn)的大多數(shù)電力電子產(chǎn)品和裝置還主要基于晶閘管；雖然也能制造一些高技術(shù)的電力電子產(chǎn)品和裝置，但是它們均是采用國(guó)外生產(chǎn)的電力電子器件和組件多以組裝集成的方式制造的；特別是先進(jìn)的全控型電力電子器件則全部依賴進(jìn)口，而許多關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)、軟、硬件和關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)外均是對(duì)我國(guó)進(jìn)行控制和封鎖的。特別是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距更大，迅速改變這一現(xiàn)狀是我們面臨的挑戰(zhàn)和義不容辭的任務(wù)。

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