电力电子技术的发展及应用趋势.doc

精品文档 你我共享浅析电力电子技术的发展及应用张友均摘要：本文主要简要回顾了电力电子技术的发展史，简述了电力电子在电力系统中的一些应用及发展趋势。关键词：电力电子技术；发展史；电力系统；应用；发展趋势1 引言自上世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气控制技术舞台，标志着电力电子技术的诞生。究竟什么是电力电子技术呢？美国电气与电子工程师协会下设的电力电子学会对“电力电子技术”的阐述是：有效的使用电力半导体器件，应用电路设计理论以及分析开发工具，实现对电能高效能变换和控制的一门技术。对电能的高效能变换和控制包括对电压，电流，频率或波形等方面的变换。它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。它是介于电力、电子和控制三大领域之间的交叉学科。目前，电力电子技术的应用已遍及电力、汽车、现代通信、机械、石化、纺织、家用电器、灯光照明、冶金、铁路、医疗设备、航空、航海等领域。进入21世纪，随着新的理论、器件、技术的不断出现，特别是与微控制器技术的日益融合，电力电子技术的应用领域也必将不断地得以拓展，随之而来的必将是智能电力电子时代。2 电力电子技术的发展史电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和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,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。2.1 整流器时代 大功率的工业用电由工频( 50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解) 、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)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,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。2. 2逆变器时代七十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0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,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。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。2. 3变频器时代进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管( IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。3 电力电子技术在电力系统中的应用 3.1 用电领域中的电力电子技术（1）电动机的优化运行全世界的用电量中约有60左右是通过电动机来消耗的。采用计算机电力电子技术结合的智能变频控制技术， 使电动机经常处于高效状态，可以节约大量电能，具有巨大的效益。（2）高能量密度的电源应用电化学电源广泛应用在作为国民经济的铜、铝、锌、镍等有色金属以及氯碱等电解产业中；体积小、重量轻、效率高的各种开关电源应用也是十分广泛；新世纪中，随着电力电子技术的发展，变频电源应用也日益广泛；另外还有不间断电源(UPS)、稳压稳流电源、高精度洁净电源等特种电源，采用电力电子技术后，各方面指标均大大改善。 3.2发电领域中的电力电子技术（1）发电机的直流励磁常规发电机中励磁的建立已经由传统的直流磁励机转变为由中频交流励磁机加电力电子整流的方法，并已取得良好的经济效益，可靠性较高。（2）水轮发电机的变频励磁发电频率取决于发电机的转速。采用了电力电子技术后，将水轮发电机直流励磁转变为低频交流变频励磁。当水流量减少时，提高励磁频率，可以把发电频率补偿到额定， 延长水轮发电机的发电周期，解决了水力发电中发电机工作时间受季节性水流量影响而导致的频率无法调节、浪费较多水能的问题。这对大型水力发电设施来说，可带来巨大的经济效益。（3）环保型能源发电利用太阳能、风能、潮汐能、地热能等新能源发电，是解决一次能源危机（煤、石油、天然气等石化类能源日趋匮乏）的重要途径，它们是可再生的绿色能源。但是这些能源转换的电能，其电压、频率难免波动，无法并网应用。只有通过电力电子变换装置， 才能使这些波动的电能以恒压恒频方式输出，实现这些新能源的实用化。3.3 储能领域中的电力电子技术（1）蓄电池与电容器组储能把夜间电网提供的多余交流电整流成直流电，储存在建筑物地下室内的“蓄电池电容器组”；白天，再把这些储存的电能逆变成交流电供给整个建筑物内的用电，已经成为某些地方的时尚。（2）抽水储能发电白天，水库泄水发电；晚间，利用多余的电网电能使发电机转变成电动机运行，驱动水泵把下游水库的水抽进上游水库，增加上游水库蓄水，使白天可以更多地发电。这种电能量变换过程效率较低。（3）超导线圈的磁场储能在超导体线圈中，数十万安培的直流电流在其中流动是不会损耗的，这种储能器体积小，转换效率高。但当前还没有妥善解决如何实现交流电能同该低电压超大电流的直流电能的互相转换的问题。3.4 输电领域中的电力电子技术（1）动态无功功率补偿（SVC）技术电厂生产的电能，一部分可有效地做功，对应功率称为有功功率；另一部分称为无功功率。无功的存在使发电机功率因数降低， 谐波污染电网，增加发电机和其它电气设备发热，无功的波动使电网电压波动。因此，必须对无功功率进行补偿。采用电力电子技术的动态无功功率补偿装置起着重要作用。（2）高压直流输电（HVDCT）技术在远距离输电、跨海输电、非同期（非同步）的电力系统实现联网等方面，高压直流输电优于高压交流输电。发电机发出的交流电能经过变压器变换后，再整流为直流电能，跨过几百、上千公里后，再经逆变器变换为工频交流电能， 供终端用户使用。必须采用几十、乃至数百万千伏安的超大功率电力电子装置才可以实现上述功能。（3）消除谐波改善电网供电品质相位控制型电力电子设备是一谐波发生器，其大量的采用严重污染了公用电网，导致电力品质下降，危及电网安全运行；它产生的电磁干扰(EMI)也危及通信、金融、航空、交通、医疗等行业的安全运行。采用电力电子技术，特别是有源滤波技术，抑制谐波发生，实现绿色电源，是21 世纪必须要解决的问题。近年来，电力电子的环境及产业都有了很大的变化。整体而言，电力电子技术的发展在许多应用领域上获得了认同。总而言之，在各种与电相关的地方，凡是要求调节控制以实现自动化、智能化的场合，电力电子技术将同微电子、计算机控制技术相辅相成，发挥巨大作用。4 电力电子技术的发展趋势 4.1 发展领域 当前电力电子技术迅速发展的应用领域有:电力系统如有源滤波，无功补偿，直流输电，灵活输电系统，以及为了克服雪灾造成停电时的融冰装置等等。二是可再生能源如风力发电，光伏发电，燃料电池发电等等。说明电力电子技术正在向“发电”和“供电”的领域发展。 4.2 发展方向 （1）集成化 高度的集成化能是体积更小，重量更轻，功率密度更高，性能更好 （2）智能化 电力传动系统的智能化，使其更具自动调节能力，从而获得更高的性能指标，包括高效率，搞功率因数，宽调速范围，快速准确的动态性能和搞故障容错能力等。 （3）通用化 更有效地扩大应用范围，从而降低生产制造成本。 （4）信息化 现代信息通讯技术渗透到电力传动系统中，使其不但是转换，传送能量的装置，也成为传递和交换信息的通道。这就扩展了电力传动系统的内涵和外延，大大提高了电力传动系统的效用。 与此同时，在电力电子的发展过程中还应该解决其电路理论进展所遇到的问题：对于高电压，大电流的问题关键是要生产出耐高压，能承受大电流的电力电子器件及其串并联技术。电力系统须保证所有用户长期稳定的供电，因此，用以电力系统的电力电子装置的可靠性十分重要。5 结束语 随着科学技术的发展，电力电子技术所起的作用越来越大。在当今高新技术系统中不可或缺，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。但是目前电力电子技术的发展遇到了或多或少的问题急需解决。这就要求我们年轻一代不断地以科学研究的精神去解决这些问题，实现突破。其重点的发展方向在于发展与能源直接相关的一些大功率乃至超大功率电力电子应用系统技术的研究。参考文献：【1】王兆安 黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.第四版 【2】赵争鸣.电力电子技术应用系统的一些新发展.清华大学电机工程与应用电子技术系. 【3】鲁冠华 刘星.浅析电力电子技术的发展.山东水利职业学院. 【4】王艳.论现代电力电子技术的发展.建设有限公司. 【5】陈伯时.浅谈电力电子技术和科学发展问题.电力电子学会第11届学术年会大会报告.上海大学.出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。 亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。臣不胜受恩感激。今当远离，临表涕零，不知所言。腹有诗书气自华