2015电力电子技术研究热点探索

电力电子技术研究热点探索在当今工业自动化社会中,电能起着十分重要的作用,人均消耗的电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。为了高质量,有效地使用电能,生产总电能中越来越多的比例必须经过电力电子技术实行能量变换,然后再用于工业和军事的需要。因为它对节能、减小环境污染,改善工作条件,节省原材料,降低成本和提高产量等方面均起着十分重要的作用。所以,电力电子技术无论对改造传统工业还是对新建高技术产业,均至关重要,从而迅速发展成为一个独立的技术和学科领域。它已经或正在显示出,对一个国家工业的发展,和对一个国家在国际市场激烈竞争中的地位,起着重要的影响。毫无疑问,电力电子技术将成为本世纪乃重要关键技术之一。电力电子应用领域广泛，是电力技术、电子技术、控制技术的结合，其研究大体上可以分为两类：功率器件的发展和功率变换技术的发展。功率器件毫无疑问是现代电力电子装置的核心，虽然它的价值仅占总价值的20%-30%，但是其尺寸性能是衡量一个装置的重要指标，围绕功率半导体的研究一直是热门领域。功率变换技术就是实现从一种幅值、相位、频率的电能向另一种幅值、相位、频率的电能变换的技术，其一直是电力电子技术中最为基本也最为共性的技术。功率变换技术研究的目标主要是:节约能源,提高效率同时应减小变换器的大小和重量,降低谐波失真和成本。围绕功率变换技术的研究中重点是四大变换结构，即直流-直流、直流-交流、交流-交流、交流-直流变换器。回顾这些年结构特性，可以得到两个趋势：减少元件数的结构和增加元件数的结构。减少开关元件的结构研究已经持续很长时间，这是因为开关器件成本比较高导致的，但是随着开关器件的发展，这种趋势也在改变，从效率、稳定性、改善畸变程度来说，增加开关器件数量具有一定优势。值得注意的是对电力电子变换器的状态监测和保护越来越受到重视。首先考虑到电力半导体设备是至关重要的元件，为了系统可靠性必须去实时监测（conditionmonitoring)它；其次热机械疲劳是现代IGBT变换电路的主要磨损因素，故开关器件热保护问题也是值得关注的；再次之电热的变换器和可靠封装模型正在发展中，为工程师提供了实体基础，但是他们需要更加深入的研究这些方案才能直接用于电路中。状态监测技术在很早就存在了，相比需要嵌入在系统模型中的感应器来说是比较可行的方案，但是，仍需要对故障机理进行更加深入的研究来增强对元器件足够的保护。关于变换器拓扑结构和控制研究在不同应用中有各自的侧重点，这里不一一阐述。本文接下来将从数个热门应用中试图窥探出电力电子未来的发展趋势。1）PowerSupplyonChip--电源芯片片上电源系统或者说电源芯片系统近来引起极大的关注，它包含两个方面的内容，其一是用更小、更高效、更加集成化的DC-DC变换器来取代成本低廉但是低效的线性稳压器；另一方面是集成微型处理器的控制方案，虽然这会让电源芯片具有更加复杂的结构和控制器，但是拥有着最优的输出和最小的能耗。电源芯片需要解决的一个最主要的问题是减少电感元件的尺寸，虽然可以通过提高开关频率的方式来解决，但是这样一来就增加了开关和线圈损耗。这就需要在开关硅和氮化镓元件的发展。电源芯片未来的研究热点可能有以下几个方面：1.减少芯片封装尺寸，增加电流密度，减少控制器（ASIC、FPGA等）的驱动电压等级。2.提高效率或者是在相同效率下提高功率密度，提高开关频率到10MHz且不改变器件功能。3.减少成本和更加先进的集成封装技术（倒装芯片技术、超压膜封装等等）。电源芯片系统是学科结合型研究方向，需要多领域的投入。高集成度的电源管理系统未来商业前景显著，这需要半导体制造商和电源制造商之间的合作才能实现。鉴于电源芯片有着更大的输出电压和更宽的输出电流，相信不久的未来其会替代传统的印刷电路板（PCB）。2）Adjustable-SpeedDrive--调速系统自从发明了电机，机械加工便广泛采用这种电能转换装置。工程师们发明出各种各样的控制技术来操控电机的转速和转矩来增强其实用性。电力电子装置的出现对于电机来说至关重要，它使得电能利率变得更加高效，电机控制变得更加多样，可以说今日之世界经济很大一部分程度要归功于电力电子学科的发展。对于二者共同的近期研究问题有：长导线效应对电机控制的影响以及消除方法，电机高速控制技术，在高危区域安装电机的挑战等。就分类来说，异步电机的研究热点如中压电机的保护问题，包括热保护和温度消除、定子绝缘检测和故障保护、轴断裂检测、转子铜条\铜环损坏检测、气隙偏心度检测等，还有减少异步电机运行损耗的问题。同步电机中的研究热点是永磁同步电机（PMSM）。永磁同步电机优势很多，比如高可控性，高效率，高功率密度，对环境耐受能力强等等。一些问题如：永磁同步电机的设计，直接转矩控制（DTC）研究，无传感器控制研究，短路模型研究等等。永磁同步电机的制造材料是稀土元素，由于稀土元素产量较低，价格昂贵，未来的发展趋势是制造非稀土或者少稀土的永磁同步电机。3）Light-Emitting-Diode--发光二极管发光二极管（LED）主要应用于车灯、家用照明和装饰、路灯、LCD背景光源、交通信号灯。它被认为是替代传统光源的最佳选择是因为它具有以下的优点：1.在合适工况下使用寿命长达十万小时；2.制造材料无汞，半导体材料可回收，对环境友好；3.发光效率非常高，超过150lm/W；4.可以有不同种的颜色，应用场合多样化。最新的研究热点是对LED整流器的设计，包含以下几个方面：1.在考虑LED效率、寿命、温度、应用场合的条件下设计它的驱动方式；2.整流器必须具有鲁棒性和耐用的特点；3.整流器必须提供一个控制严格的高效电流源，来应对系统可能出现的各种问题，比如LED等效电阻的变化、周围环境温度变化、不可预测的短路故障等等；4.输入电流THD值必须满足要求；5.针对色温和色品的控制要求。4）SustainableEnergy--可持续能源人类的能源来自化石燃料，其能量释放的后果是产生大量二氧化碳，使得温室效应加剧，全球变暖现象凸显。因此人类不得不寻找替代的可持续的清洁能源。可持续能源的内容不仅仅包含可再生能源，如太阳能、风能、潮汐、地热、氢能、生物能等等、还包括它们的转化效率、传输、储存等问题。在这之中电力电子变换装置将扮演一个举足轻重的角色。比如太阳能发电系统就需要一个低压逆变器来将电能传输给电网，或者是用直流—直流变换器将其储存在电池中；又比如海上风力发电系统，需要一个高压直流传输系统来将电能传输至岸上的变电站，与此同时还要求电能传输系统的电能质量高，稳定性好，效率更高。因此就需要由电力电子装置构成的滤波器和潮流调节器等等。就光伏发电系统而言，近期的研究热点有：1.光伏逆变电网的故障自诊断和低电压穿越技术，虽然智能电网的发展要求其发生故障时运行在孤岛模式下，但是故障发生时电力设备仍趋向于损坏或者是不稳定，故发展自诊断技术有利于实时监控功率单元，达到提前知晓故障发生的目的。2.光伏微型逆变器的电容解耦技术，以提高可靠性；3.有关光伏逆变器装置拓扑结构的研究等等。就风力发电系统而言，近期研究热点有：1.中压直流-直流变换器的拓扑结构，控制策略；2.三相PWM调制方法；3.最大功率点跟踪策略；4.次同步谐振问题；5.高效无刷双馈电机的设计和控制。就能量储存系统而言，近期研究热点：1.微型光化学电池的制造、建模、测试；2.车载蓄电池的回收再利用；3.动能收集系统，包括收集器的复杂程度、最大化提取能量的效率的研究等。5）ElectricVehicle--电动汽车交通工具正在朝着对环境更加友好，更加可持续的方向发展，电动车因为其环境污染小和经济效应高的特点成为了未来交通工具最佳研究方向。电动车不仅更智能，更高效，更可靠而且更安全，其包含的技术有：电力电子技术、电力传动技术、电机设计、电化学系统、能量储存技术、传感器技术和嵌入式软件技术等等。电动车目前可分为：多电汽车，混合动力车，插电式混合动力车和全电动车。电动车的研究方向包括：车载电力电子设备和电力拖动设备，电力或者混合动力总成及其控制，传动装置，电池和电能储存技术，车载或者非车载充电技术，电动车能量馈入电网技术和针对电动车元器件的技术。目前主要的研究热点是：电动车的充电技术，包括其充电器拓扑结构、充电速度、能量流动的方向（单向或者双向）等。电动车充电设施的充电等级可分为I、II、III等，对应经济（1.5kW)、基本(3.3kW)、快速(50+kW)的充电方式。充电器可分为车载和非车载，能量流动可分为双向和单向。单向无需复杂的设备，简化了连接问题，而双向充电器则可以让电动车多余的能量回馈给电网，或者是在紧急时刻让电动车充当电源的作用。未来电动车能否成为大众交通工具的要素有以下几点：1.是否有足够的充电基座或者相应的基础设施；2.充电过程的可靠性、效率、安全性；3.充电系统和充电时间的综合成本是否能被消费者所接受。6）WirelessPowerTransfer--无线能量传输无线能量传输是指不需要导体就可以实现电能在空间内的传输。其不仅包含能量发射的问题，也包括能量接收和储存的问题。根据其传输的方式可分为辐射式和非辐射式。辐射式就是通过天线将电能以电磁波的形式传输至很远的距离，但是由于电磁波是全方位的传输方式，其传输效率非常低；非辐射式无线能量传输是通过两个近磁场相互耦合的导体线圈产生磁共振来传输能量，根据其传输的距离可分为短距和中距。短距无线传输应用在许多场合，交流电机就是典型的应用，它通过定转子线圈的耦合将电能传输给转子并转换成为机械能。又比如一些生活中的应用如，给手机和给电动牙刷充电的无线充电器等等。短距无线能量传输在家庭和工业应用如今已经发展的比较成熟，中距无线能量传输开始成为研究热点。中距无线传输是指发射源和负载之间的距离大于线圈谐振器的尺寸。其原理仍是特斯拉一个世纪前发现的线圈间互感原理。目前研究表明两线圈系统（应用最大效率传输）适用于短距传输最好，但是随着传输距离增加，效率迅速减少。增加了两个互感耦合线圈的四线圈系统（应用最大功率传输），能灵活地调节阻抗，因此能最大化传输距离，但是会损失效率。如果既增加传输距离又不减少效率，可以使用继电谐振器或者是多米诺谐振器（如图），它们是最新的研究方向。图1.多米诺谐振器示意图(a)直链型；(b)一链分两链型；(c)曲线型;(d)两链合一链型图2.多米诺谐振器实物图无线传输今后的研究热点将会是：低损耗高频率电源，传输效率更高的谐振器设计，动态传输功率和频率的控制策略，对人体的暴露辐射问题。7）DCDistributionSystems--直流配电系统配电系统的研究可分为交流配电系统和直流配电系统。交流配电系统是目前广泛应用的配电方式。目前研究的热点有：1.配电网络故障定位，低中压配电线往往有多个分支，不平衡的负载和测量点的缺少导致故障定位的困难；2.高频交流配电，首先被NASA应用于太空项目上，高频交流输电更加高效、功率密度更高、更加稳定，同时可以减少变压器的连接头；3.固态变压器，传统变压器与AC-AC变换器相结合的新应用；4.基波电压测量和锁相环技术。因为化石能源会逐渐枯竭，可再生能源已经引起了人们极大的关注。但是这些能源有共同的自然特点，就是会随着季节环境的变化而变化，比如风力发电中的风能资源在一年当中的分配是不均匀的，其发出的电能有时是不连续的，如何高效使用这种不稳定的能源是至关重要的问题。直流配电系统被认为是一个不错的方案，它有许多优点：系统整体高效率，易于可再生能源的接入，易于扩展容量，同时没有频率稳定、无功问题、表面效应和交流损耗。直流配电的研究热点是：1.直流输电拓扑结构，能量储存和管理；一个新能源系统包含双向DC-AC变换器，可再生能源处理，负载调节，双向充放电结构等等，其在电动汽车上的应用比较热门；2.直流母线和交流电网接入研究，新能源发出的电能必须能跟现有交流电网连接，故存在接入问题研究，其中双向DC-AC变换器也是研究重点，因为它能调节交流母线和直流母线间的能量流动；3.变换器模组，应用场合很多如充放电、最大