SANY湖南三一工业职业技术学院题 目电力电子技术的发展及在电力系统中应用专 业 机 电 一 体 化班 级 电 气 1102 班名周志邈指导老师刘湘东日 期 2014/4/16摘要：电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。而电力电子技术的不断发展，新材料、 新结构器件的陆续诞生，计算机技术的进步为现代控制技术的实际应用提供了有力的 支持，在各行各业中的应用越来越广泛。电力电子技术在电力系统中的应用研究与实 际工程也取得了可喜成绩。关键词：电力电子技术 电力电子器件 晶闸管 电力系统 直流输电正文： 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子 器件对电能进行变换和控制的技术，主要用于电力变换。目前所用的电力电子器 件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。通常把电力电子技术分为电力电子 器件制造技术（理论基础是半导体物理）和变流技术（理论基础是电路理论）两 个分支。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力 电子技术的核心。一、 电力电子的简介电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频， 变相等）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基 础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子学（Power Electronics）这 一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形 对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉 而形成的。这一观点被全世界普遍接受。电力电子学”和电力电子技术”是分别 从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。一般认为，电力电子技术的诞生是 以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的 概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用 于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或 黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO）,电力双极型晶体管（BJT）, 电力场效应管（Power-MOSFET ）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件 的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使 电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极 双极型晶体管（IGBT可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集 驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为 现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常 常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控 制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的 功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。利用电力电子器件 实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将 一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直 流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源； 在正常交流电源中断时，用逆变器(见电力变流器)将蓄电池的直流电能变换成 工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利 用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电 能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功 率。电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。 因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属 于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电 子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅； 它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力 电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基 础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路 中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围 电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力 电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自 动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。二.电力电子技术的发展史自 20 世纪50 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 电气传动技术舞台，以此为基础开发的可控硅整流装置，是电气传动领域的一次 革命，使电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器 件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。在随后的40 余年里，电 力电子技术在器件、变流电路、控制技术等方面都发生了日新月异的变化，在国 际上，电力电子技术是竞争最激烈的高新技术领域。电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力 电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。1957年美国通用电气公司 研制出第一个晶闸管为电力电子技术的诞生奠定了基础。晶闸管自诞生以来，电 力电子器件已经走过了五十多 年的概念更新、性能换代的发展历程。1.1 第一代电力电子器件以电力二极管和晶闸管(SCR )为代表的第一代电力电子器件，以其体积小、 功耗低等优势首先在大功率整流电路中迅速取代老式的汞弧整流器，取得了明显 的节能效果，并奠定了现代电力电子技术的基础。电力二极管对改善各种电力电 子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作 用。目前，硅整流管已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管三种主要 类型。晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了 条件。由晶闸管及其派生器件构成的各种电力电子系统在工业应用中主要解决了 传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重等问题，因而大大提高电能的 利用率，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。1.2 第二代电力电子器件自20世纪70年代中期起，电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、电力场 控晶体管(功率MOSFET)、静电感应晶体管(SIT)、MOS控制晶闸管(MCT)、绝缘栅 双极晶体管(IGBT)等通断两态双可控器件相继问世，电力电子器件日趋成熟。一 般将这类具有自关断能力的器件称为第二代电力电子器件。全控型器件的开关速 度普遍高于晶闸管，可用于开关频率较高的电路。1.3 第三代电力电子器件进入20 世纪90 年代以后，为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减少，常 常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很 大的方便。后来，又把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率 集成电路（PIC），也就是说，电力电子器件的研究和开发已进入高频化、标准 模块化、集成化和智能化时代。电力电子器件的高频化是今后电力电子技术创新 的主导方向，而硬件结构的标准模块化是电力电子器件发展的必然趋势。电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，变 流电路也经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代到以功率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的现代电力电子时 代；还有电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控 制电路发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着 更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。综上所述，电力电子技术的发展是从低频技术处理问题为主的传统电力电子 技术向以高频技术处理问题为主的现代电力电子技术方向发展。目前，电力电子 技术电力电子技术作为节能、环保、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝 着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。三.电力电子技术在电力系统中的应用电力系统由发电设备、输配电线路和伏在用电设备三大部分组成。电力系统 是历史上逐步扩建，联网发展起来的，是地域分布广、设备众多运行参数相互影 响、瞬变很快的大系统，其安全、经济、高效、优质运行具有重大意义。随着电 力电子技术的发展，电力电子设备已开始进入电力系统并为解决电能质量控制提 供了技术手段。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能 至少经过一次以上电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力 电子技术是关键技术之一。可以毫不夸张地说，如果离开电力电子技术，电力系 统的现代化就是不可想象的。定质电力技术、直流输电（ HVDC ）和轻型直流输电（ HVDC Light ）技术、同 步开关技术、电力有源滤波器等等在电力系统中都是一些耳熟能详的名词，近年 来我国大批的学者和企业在此基础上不断地完善和创新，电力电子技术在电力系 统中的应用研究成果也层出不穷，这大大促进了今后的技术发展。浙江大学童立清、钱照明、彭方正教授撰写的有源电力滤波器电路拓扑研 究综述一文中，分析了降低有源电力滤波器有源部分容量的7种基本对偶型有 源电力滤波器拓扑结构，并对它们的工作原理、滤波特性和容量给出了详尽的分 析比较，该文对有源电力滤波器的电路拓扑研究有重要的参考价值。北京交通大学郑琼林、郝瑞祥和京仪椿树整流器公司郭文杰提交的大功率 电弧加热器电源的设计研究一文，研究了63MW等级大功率电弧加热器AC/DC变 流电源的电路设计和控制策略，提出了一种相移叠桥组合晶闸管整流主电路结 构。浙江大学、华中科技大学刘昌金、徐德鸿、唐跃进、程时杰等人撰写的应 用于超导储能的功率调节系统一文中，研究、设计、试验了一种适用于超导储 能的电流型变流器功率调节系统，主电路采用模块化结构，控制系统采用两级结 构，基于瞬时功率理论的有功和无功功率闭环控制，使功率调节系统实现了四象 内快速独立地调控有功和无功功率。清华大学贺凡波、赵争鸣、袁立强的一种基于优化算法的光伏系统MPPT 方法、中科院电工所曹笃峰等人的30kW光伏并网逆变器的研制和华北电力 大学沈晨、陈晓明的30kW太阳能并网发电系统应用与运行浅析，对中小功率 太阳能发电系统的研制也都有参考价值。在传统的交流输电系统中采用电力电子技术，引入了电力电子变换器和电力 电子补偿控制器，从而能实现灵活、快速、有效控制的交流输电系统，被称为柔 性交流输电系统（FACTS）。在整个电力系统引入各种电力电子变换器和电力电 子补偿控制器，课实现全电力系统工况的灵活、快速、智能化、广域网路化控制， 课称为智能化的柔性电力系统（FPS）。由传统电力系统发展到FPS将是电力系 统百年发展史上的一个革命性变革，将使电力系统的运行更加安全、静寂、高效、 优质，这一发展过程也必将推动电力电子技术在更高水平上的技术发展.参考文献【1】林渭勋.浅谈半导体高频电力电子技术.电力电子技术选编.浙江 大.384-390.1992【2】张国君，工学礼 .现代电力电子及电源技术的发展.烟台东方电子信息 产业集团有限公司 烟台【3】崔振华.浅谈电力电子技术在电力系统中的应用.中国论文下载中心 【4】朱磊，侯振义，张开.电力电子技术的发展与应用.空军工程大学电讯 工程学院 陕西 ，南京理工大学动力工程学院 江苏 南京【5】陈坚.电力电子技术在电力系统中的应用专辑.华中科技大学 湖北 武 汉【6】电力电子技术.中国论文下载中心