电力电子的应用和发展

电力电子的发展与应用摘要：本文首先通过对电力电子的内容和范畴的描述，使读者正确理解何为电力电子技术；进一步讲述了电力电子技术的发展过程及主要阶段；接着阐述了当今世界电力电子方面的一些前沿性研究问题，如分布式发电。最后说明了我国在电力电子方面的发展水平以及良好的发展前景。关键词：电力电子；发展；应用；水平；前景；1、引言作为电子电气工程的学生，我们有必要对专业课程电力电子技术做个全面的了解。我们先对电力电子做个定义和应用范围的了解，再对国际前沿研究和应用做个大致介绍，最后对国内的发展水平和形式做个综述。2、电力电子的范畴电力电子技术是一门自20世纪50年代兴起的学科，可以说是由电气工程与技术、电子科学与技术和控制理论三大学科交叉形成的，如图1倒三角所示[1]。电力电子技术的目的是实现对电能的高效率的转换和控制。从科学的角度讲，电力电子的主要任务是研究电力电子（功率半导体）器件，变流器拓扑及其控制和电力电子应用系统，实现对电、磁能量的变换、控制、传输和存贮，以达到合理、高效地使用各种形式的电能，为人类提供高质量电、磁能量[2]。电力电子的研究范围与研究内容主要包括[3]：2.1、电力电子元器件及其功率集成电路。2.2、电力电子变流技术，其研究内容主要包括新型的或适用于电源、节能及电力电子新能源利用、军用和太空等特种应用中的电力电子变流技术；电力电子变流器智能化技术；电力电子系统中的控制和计算机仿真、建模等。2.3、电力电子应用技术，其研究内容主要包括超大功率变流器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、电力、电力牵引、舰船推进中的应用;电力电子系统信息与网络化；电力电子系统故障分析和可靠性；复杂电力电子系统稳定性和适应性等。2.4、电力电子系统集成，其研究内容主要包括电力电子模块标准化;单芯片和多芯片系统设计；电力电子集成系统的稳定性、可靠性等。3、电力电子的回顾电力电子技术的发展与功率器件的发展密切相关，一个新的器件的产生，就可能引起电力电子技术的一场变革，带来电力电子技术的一个新的高峰。1948年普通晶体管（transistor）的发明引起了电子工业革命，1957年第一只晶闸管(thyristor)的问世，为电力电子技术的诞生奠定了基础。电力电子技术发展至今，先后经历了整流器时代、变频器时代、现代电力电子时代。3.1、整流器时代大功率的工业用电由工频（50HZ）交流发电机提供，其中大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解、牵引和直流传动三大领域。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，因此在六七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。3.2、逆变器时代[4]70年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GTO）成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。3.3现代电力电子时代[5]80年代末期和90年代初期发展起来的功率MOSFET和以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，为以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学的转变创造了条件，表明传统电力电子技术已经进人现代电力电子时代。这一时期，各种新型器件应用大规模集成电路技术，向复合化、模块化的方向发展，使得器件及结构紧凑、体积缩小，并且能够综合不同器件的优点。在性能上，器件的容量不断增大，工作频率不断提高。4、电力电子的发展趋势由2008年国际应用电力电子年会（Ap-pliedPowerElectronicsConference，简称APEC2008）的报表可以知道当今电力电子的应用焦点和发展趋势。国际应用电力电子年会的交流论文涉及电力电子技术的众多方面：功率因数校正、UPS、直流变换、逆变、整流、电机驱动与控制、再生能源与分布式发电、PWM变换控制、电力系统FACTS、有源滤波、VRM、EMC和损耗分析、电能质量、电力电子器件制造工艺及技术，散热材料与技术，电网安全运行等。[6]下面以分布式发电及可再生能源发电为例，进一步具体说明电力电子技术在此领域中的广泛应用及其重要性。分布式发电技术分布式发电(DistributedGeneration,DG)是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施,能够经济、高效、可靠地发电。分布式电源(DistributedGenerationResources,DGRs)通常指主要利用可再生新能源且发电功率为几kW至50MW小型模块式、与环境兼容的独立电源,可以满足电力系统和用户特定要求[7]。目前，分布式发电使得发电设备更加靠近用户，不但减小了人们对远距离输电的依赖，而且提高了人们使用可再生能源发电的兴趣，提高了用户用电的独立性、可靠性、安全性和灾变应变能力。风能发电、太阳能发电、燃料电池发电和小型高速涡轮发电机(MicroTurbineGenerator)发电等分布式发电系统都有赖于电力电子技术，以实现安全、可靠、高效的运行。图2为分布式发电系统的示意方框图。根据Darnell公司的报告，从2003年到2008年，全球用于分布式与混合式发电设备(DCG)的电力电子产品(包括逆变器、频率变流器、静态传输开关，直流—直流变流器、交流—直流电源和集成大功率电机驱动器等)将以年均12.2%的速度增长，即将从18.550MVA增加到32.981MVA。由此可见，分布式与混合式发电设备(DCG)涉及到的电力电子技术是未来分布式发电系统中关键技术之一[8]。大部分可再生能源和其他分布式发电系统产生的电能通常都是不稳定的。以风能为例，并网型的风力发电都要用到大容量的风力发电机，为了尽可能多的利用风能资源，通常多台大容量的风力发电机并联，由于风场风力的不稳定性，它们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成严重的冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送人电网，风力发电系统还必须有储能环节，并需解决存储能量再次转化的问题。上述这些过程都需要利用电力电子技术对其进行控制[8]。5、电力电子技术在中国目前，我国国产晶闸管和功率二极管基本能满足国内经济发展的需要，在小功率电源和中小功率变流器制造和应用方面已经基本与国际水平同步。例如西电所于2006年4月开发出了6英寸晶闸管，6英寸晶闸管是特高压直流输电的关键性元件，是世界上最大功率的电力电子器件[9]。但是以IGBT、功率MOSFET为代表的全控、场控型等主流功率器件，以及大功率/超大功率、高性能变流装置制造、应用技术方面几乎全部依赖进口，我们尚不掌握这些关系到国家经济命脉和安全的核心技术。[8]我国生产的大多数电力电子产品和装置还主要基于晶闸管是有其客观历史原因的。首先，虽然我国电力电子的开发研究已有50年历史，过去已经取得了长足的进步，但是与超大规模集成电路的发展一样，该领域科技发展速度太快，加之我国财力和原有基础薄弱等因素，当前还面临着国外高科技冲击等；其次，例如IGBT、MOSFET等一些器件的生产制造是需要电力电子技术于微电子技术紧密结合的。然而，由于历史和认识的原因，我国两方面的技术和产业分属不同部门，不便于组织和缺乏有力的协调和支持，这造成了我国在电力电子高端器件事实上的弱化。正因为我国在电力电子高端器件上的不足，以及我国要真正建立实现自主创新，我国要真正实现构建自主创新、资源节约型、环境友好型社会主义和谐社会这一目标，迫切需要建立一个自主创新的、强大的、达到世界先进水平的电力电子产业。为此，我国为此，我国政府相关职能部门已经采取了一系列有力措施，将发展电力电子技术作为在相当长的一段时间里的重点发展的关键技术。在国家政策强有力的推动下，电力电子技术正迎来其发展的大好时机。6、总结本文主要从横向和纵向两个方面介绍了电力电子技术。横向：即阐述了电力电子技术的发展历史及主要阶段；纵向：即叙述了电力电子技术的主要应用及研究前沿，国内与国外的比较。在本文最后，在说明了现在国内电力电子技术不足的情况下，表达了电力电子良好发展机遇的到来。参考文献（1）徐德鸿，马皓，汪槱生.电力电子技术.科学出版社.2007年8月（2）钱照明.我国电力电子与电力传动发展的大好机遇.变频器世界.2008年07期（3）王锋，华胜，万浩平.我国电力电子技术发展展望.科技广场.2008年08期（4）崔晶，张丽娜.现代电力电子及电源技术的发展趋势.科技信息（科学教研）.2008年09期（5）朱磊，侯振义，张开.电力电子技术的发展及应用.电源世界.2008年06期（6）于玮.参加2008年国际应用电力电子年会的情况汇报.电力电子技术.2008年04期（7）涂有庆，吴政球，黄庆云.新能源的利用与分布式发电.大众用电.2008年03期（8）钱照明.钱照明:发展电力电子产业,现在是时候了.电气技术.2008年06期（9）西安电力电子技术研究所:弹奏出国产化最强音——本刊专访西安电力电子技术研究所副所长白继彬.电气技术.2008年11期（10）王正元.电力电子及其应用的十年展望（上）.电力电子.2003年01期（11）王正元.电力电子及其应用的十年展望（下）.电力电子.2003年02期