现代电力电子技术概述

现代电力电子技术学习报告

姓名：csu

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专业：电气工程

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目录

第一章现代电力电子技术的形成与发展 (1)

1.1 电力电子技术的定义 (1)

1.2 电力电子技术的历史 (1)

1.3 电力电子技术的发展 (2)

1.3.1 整流器时代 (2)

1.3.2 逆变器时代 (2)

1.3.3 变频器时代 (2)

1.3.4 现代电力时代 (3)

第二章现代电力电子计时研究的主要类容和控制技术 (4)

2.1 直流输电技术 (4)

2.2 灵活交流输电技术（FACTS） (4)

2.3 定制电力技术（DFACTS） (5)

2.4 高压变频技术 (5)

2.5 仿真分析与试验手段 (5)

第三章现在电力电子的应用领域 (6)

3.1 工业领域 (6)

3.2 交通运输 (6)

3.3 传统产业 (6)

3.4 家用电器 (7)

3.5 电力系统 (7)

第四章现代电力电子技术的发展趋势及其目前研究的热点问题 (8)

4.1 国内发展趋势 (8)

4.2 国外发展趋势 (8)

4.3 热点问题 (8)

第一章现代电力电子技术的形成与发展

1.1 电力电子技术的定义

电力电子技术，又称“功率电子学”（英文：Power Electronics），简称PE，是应用于电力领域，使用电力电子元件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术分为电力电子元件制造技术和变流技术。一般认为，1957年美国美国通用电气公司研制出第一个晶体管是电力电子技术诞生的标志。

1974年，美国的W. Newell提出：电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而行成。这一观点被全世界普遍接受。

1.2 电力电子技术的历史

随着1902年第一个整流器的问世,进而引入了功率电子学这个概念。原始整流器是一个内含液态汞的阴极放电管。这个汞蒸气型的整流器,可以将数千安培的交流电转换为直流电,其容忍电压也高达一万伏特以上。从1930年开始,这种原始的整流器开始匹配一个类似于通管技术的点阵式(或晶格结构)类比控制器,从而实现了直流电流的可控制性(引燃管,闸流管)。由于正向可通过的电压约为20伏特,进而乘于正向可通过的电流就产生了可观的电功率损失,由此而来的投资和运营成本等等也会相应的增加。因而这种整流器在现今的功率电子技术方面并不会得到广泛的应用。

随着半导体在整流方面的应用,第一个半导体整流器(硒和氧化亚铜整流器)被发明出来。

1957年,通用电气研发出第一种可控式功率型半导体,后来命名为晶闸管。之后进一步地研发出多种类型的可控式功率型半导体。这些半导体如今也在驱动技术方面得到广泛应用。

1.3 电力电子技术的发展

传统电力电子技术是以低频技术处理的，现代电力电子的发展向着高频技术处理发展。其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，在不断的发展中促进了现代电力电子技术的广泛应用。电力电子技术在1947年晶体管诞生开始形成，接着1956的晶闸管的出现标志电力电子技术逐渐形成一门学科开始发展，以功率MOS-FET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出现，表明已经进入现代电子电力技术发展时代。

1.3.1 整流器时代

在60年代到70年代被称为电力电子技术的整流时代。该期间主要是大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用。1948年的晶体管的出现引发了电子工业革命，半导体器件开始应用与通信领域，1957年，晶闸管的诞生扩展了半导体器件功率控制范围，属于第一代电力电子器件。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，当地办硅整流器厂逐渐增多，大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机提供，其中电解、牵引、和直流传动是以直流形式消费。

1.3.2 逆变器时代

20世纪70年到80年代期间成为逆变器时代，该期间的电力电子技术已经能够实现逆变，但是仅局限在中低频范围内。当时变频调速装置因为能节能大量普及，巨型功率晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）和大功率逆变用的晶闸管成为当时电力电子器件的主流。它们属于第二代电力电子器件。

1.3.3 变频器时代

进入80年代，功率MOSFET和绝缘栅极双极晶体管（IGBT）的问世，电力电子技术开始向高频化发展，高压、高频和大电流的功率半导体复合器件为第三代电器元件的大规模集成电路技术迅速发展，他们的性能更进一步得到了完善，具有小、轻和高效节能的特点。

1.3.4 现代电力时代

20世纪以来，电力电子作为自动化、节材、节能、机电一体化、智能化的基础，正朝着应用技术高频化、产品性能绿色化、硬件结构模块化的现代化方向发展。在1995年，功率MOSFET和GTR在功率半导体器件出现并广泛被人们应用，功率器件和电源单元的模块化，使用方便，缩小整机体积，器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。电子电力技术具有全控化、电路形式弱电化、集成化、高频化和数字化的特点。更能带来节能、节省材料和减少污染的经济效益和生态效益，能控制精度高、避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰，改善了工作条件。

第二章现代电力电子计时研究的主要类容和控制技术

2.1 直流输电技术

直流输电技术自1882年问世以来，已从汞弧换流器逐步发展到以可控硅阀换流器为核心的现代直流输电系统。直流输电有两端（也称端对端）直流工程、多端直流工程和背靠背直流工程等类型。直流输电核心技术目前只有ABB和西门子等少数大公司掌握。直流输电技术主要有两种技术形式：以相控换流器（PCC）技术为核心的传统高压直流输电技术（HVDC）和以电压源换流器（VSC）技术为核心的轻型直流技术（HVDC Light）。

传统高压直流输电技术主要应用于远距离大容量输电、不同电网间的非同步互联、远距离海底电缆送电等。轻型直流输电应用于向孤立的远方负荷区送电、小型水电或风力发电与主干网的连接以及小容量远距离送电等。

2.2 灵活交流输电技术（FACTS）

FCTS技术是80年代末美国电力研究院（EPRI）的Narain G.Hingorani 博士提出的概念，是基于电力电子技术和控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位实施灵活快速调节的一种交流输电技术。通过利用大功率电力电子器件的快速响应能力，实现对电压、有功潮流、无功潮流等的平滑控制，以达到大幅度提高线路输送能力、阻尼系统振荡、提高系统稳定水平的目的。FACTS技术改变了传统交流输电的概念，将使未来的电力系统发生重大变化。

目前，FACTS家族的成员已超过二十种，其原理、性能、与系统结合方式等也多种多样，一些已进入实际应用阶段，一些正处于工业示范阶段，另一些尚处于设计测试阶段，还有许多现在尚未提及的技术和装置需要根据生产需要去研制和开发。

2.3 定制电力技术（DFACTS）

定制电力技术（Custom Power），又称为DFACTS技术，即将柔性交流输电技术应用于1kV到35kV配电系统，主要解决配电系统电能质量问题。

2.4 高压变频技术

变频技术可用于发电厂大量水泵和风机的调速以及风力和水力发电的变速恒频励磁，最大限度地提高电气设备的运行效率。

2.5 仿真分析与试验手段

第三章现在电力电子的应用领域

3.1 工业领域

在工业中，大部分都使用的是交直流电动机。例如数控机床的伺服电机、轧钢机和矿山牵引、大型鼓风机等等都采用电子交直流技术。在大量的冶金工业中的高频和中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源也大量的采用电力电子技术。在水里电厂蓄能机组中，大型机组工作状态的调速好改变也采用现代电力电子技术的变流装置，当负荷降低时，将下游的水抽到水库，储存能量，以调节电力系统的供电量。

3.2 交通运输

交通业的发展也离不开电子电力技术，电气机车中的交流机车和直流机车分别采用变频装置和整流装置，车辆中的各种辅助电源都离不开电力电子技术。特别是飞机、船舶需要更多不同种类的电源，他们的运输就更需要电力电子技术的支持。电梯也开始使用交流变频调速，铁道车辆运用了直流斩波器，火车将由PWM逆变交流牵引系统取代原来的直流系统。磁悬浮列车也是同样采用电机传动，超导磁浮铁道系统为各先进国家关注的热点。一旦成功，将使火车时速高达500km。这将大大提高运力，缓解交通运输对国民经济发展的制约。地铁、轻轨车及机车牵引，已是电力电子技术的应用领域。

3.3 传统产业

通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，据预测，以后绝大部分电源都要经过电力电子技术处理后使用，为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件。在现代电力电子技术的支撑下，改善了劳动的恶劣环境，把工人带入到现代化的智能工作室，使得传统产业的劳动力强度有所降低，工作效率提高，进而改造了传统产业。特别当应用于化石燃料电站和核电站中的时候，电力电子技术的能良好的控制其存在的安全隐患与环境污染。

3.4 家用电器

现代化电力电子技术以全控型新器件及各种PWM电路为代表，广泛应用于交流调速系统，交流电气牵引及家用电器等领域。人们开始享受到了电力电子技术带来的恩惠。电视机、电冰箱、微波炉、电子计算机、洗衣机、电热水器等都是应用电力电子技术发展而来的。例如高频荧光灯比白炽灯效率高2倍~3倍，变频空调器的使用就能节约30%的电能。电力电子技术使得家用电器日益向智能化发展，使人们享受科学技术带来的美好享受。

3.5 电力系统

电力系统中的半导体装置很多，大到直流输电用的换流器，小到家用电器中的开关电源、电池充电器, 还包括工业中广泛应用的变频器、整流器、调压

器等，其应用遍布于电力系统各个电压等级。

第四章现代电力电子技术的发展趋势及其目前研究的热点问题4.1 国内发展趋势

基本完成了电力电子技术的研究、开发与应用的总体规划和战略布局。掌握了电力电子装置制造的核心技术，并与世界水平基本同步。国内电力电子技术的研究重点将是降低造价、完善工艺、提高可靠性以及扩大工程应用。掌握了电力电子装置制造的核心技术，并与世界水平基本同步。国内电力电子技术的研究重点将是降低造价、完善工艺、提高可靠性以及扩大工程应用。仿真研究手段完备，装置试验手段初步建立，基本能够满足电力电子应用与发展的需要，其中正在建设的大功率电力电子实验室的某些性能指标参数高于国外水平。虽然取得了一些成就，但与国外的先进技术比起来还存在着较大的差距。

4.2 国外发展趋势

（1）电力电子技术由初级研究阶段过渡到全面应用阶段。初期以半控型器件（晶闸管）为基础的技术发展成熟，进入工业化应用，FACTS、DFACTS的概念先后提出，新的装置不断研制。目前，SVC、HVDC在发达国家渐趋饱和，以全控型器件（GTO/IGBT/IGCT）构成的换流器技术发展成熟，进入工业化应用，例如：STATCOM在输电系统进入工程应用阶段，轻型直流的工业应用日益广泛，DSTATCOM、DVR等用户定制电力装置成为工业化产品被用户普遍接受。

（2）由单一的装置或技术过渡到基于共性技术的综合性、系统化技术。早期针对器件、电路结构、控制方法等开展单一技术或装置的研究，同时结合示范工程进行初步研制、前期推广；由于共性的关键技术被认识、发展，正逐步趋于成熟，现在主要针对具体应用，将不同装置、不同技术融合，实现综合性、系统化应用，以解决复杂的实际问题。

（3）工程应用明显加快，产业化步伐加速。早期主要由美国EPRI等倡导，大学、科研机构、少数国际大公司为主要研究力量，大部分装置或技术停留在实验室或示范工程阶段；现在应用市场日趋成熟，用户的认可程度提高，更多的传统电力设备制造商、新兴企业进入，同时电力公司、电力设备供应商成为推动技术发展的主要力量，已经逐步从样机、示范工程过渡到多功能、实用化、系列化的工业产品，技术基本成熟。

4.3 热点问题

直流换流阀关键技术研究。

轻型直流技术的研究和示范大容量、更高电压等级SVC装置的研究。

大容量、更高电压等级STATCOM装置的研究。

静态同步串联补偿器（SSSC）的研究故障电流限制器（SCCL）的研究。高压变频技术的研究。