浅谈面向21世纪的电力电子技术

核心提示：　　电力电子技术诞生至今己近50年，它对人类的文明起了巨大的推动作用，如今它己无领域不在，无行业不用，以至于离开了电力电子技术，将使人们的生活暗然失色。由于电力电子技术的发展目的是实现电能的产生、调度

　　电力电子技术诞生至今己近50年，它对人类的文明起了巨大的推动作用，如今它己无领域不在，无行业不用，以至于离开了电力电子技术，将使人们的生活暗然失色。由于电力电子技术的发展目的是实现电能的产生、调度及对电网与用电负载之间最佳匹配，完成最佳效率、最优波形用电。实现这些功能的基础是电力半导体器件，而完成这些功能的手段是电力电子成套装置。电力电子技术是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多学科的边缘交叉学科，随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关3.目前，它己逐步发展成为一门包含更多学科的综合性技术学科，并在为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电网优化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的作用。

　　21世纪是知识经济及工业经济并举的时代，人类的文明将进入一个更高的层次，各种高新技术都将得到迅猛发展，这就要求与这些技术密切相关的电力电子技术不落后于时代，因而21世纪中电力电子技术将有更迅猛的发展。21世纪电力电子技术研究领域可从电力半导体器件、电力电子成套装置及控制理论三大方面来探讨，而电力电子成套装置又随行业的不同可分为很多方面。

　　221世纪电力半导体器件的主要研究领域21世纪电力半导体器件的研究领域分为己有器件性能的完善和新型器件的开发两个方面。

　　2.1现有电力半导体器件性能的完善人类第一只硅可控整流器SCR（现统称为晶闸管）发明至今己近50年，如今电力半导体器件己形成了40多个品种的庞大家族，各种器件都己在电力电子成套装置中占领了一席之地，21世纪这些己有器件将在性能方面获得更大的发展，发展的主流是提高电压与电流等级，提高工作频率，减小体积，高度模块化，高工作效率化，其主要研究领域可以从以下几个方面来探讨。

　　2.1.1GTO、晶闸管、GTR的发展速度减缓由于硅单晶的结构决定了以硅为原材料制造的器件的最大容量仅可达到10000A/10000V，因而决定了晶闸管、整流管、GTO、IGCT等器件容量的扩大在向10000A/10000V靠近的同时，其功率等级提高的速度放慢，而GTR由于工作机理决定了大电流与开关频率之间不可调和的矛盾，人们将不会再花很大的精力去提高其功率和频率。

　　2.1.2MOS器件地位显赫MOS场控电力半导体器件成为21世纪电力半导体器件研究的主流。对MOSFET、IGBT、IEGT这些以M0SFET作为控制级，且具有高工作频率的器件，其研究的核心是提高电压和电流容量。经过努力有望使其电压与电流的容量达到接近10000V/10000A水平，工艺上研究的深入和突破将大大提高这些器件的工作频率，同时其压降将大幅度降低，以满足电力电子成套装置越来越苛刻的要求，使用这些器件制作的电力电子成套装置的效率更高，体积更小。

　　SIT、SITH将受到重视变频调速的更新换代和提高性能研究。变频调速技术通过改变定子供电电压的频率实现了交流电动机转速的改变，从而使一大批由变频调速电机拖动的风机和水泵实现了节能。如今以GTR为功率器件的变频调速装置在全世界至少占领了近百亿美元的市场。21世纪电力电子成套装置的一个热门课题是用IGBT功率集成电路等现代电力半导体器件对这些变频器进行更新和改造，伴随着改善输入输波形和提高效率降低成本等研究，同时可望在控制理论和方法上有所突破。

　　扩大变频电源的应用领域。许多原采用电子管的变频电源系统，诸如超声波电源、臭氧离子发生器、荧光灯电子镇流器、感应加热电源、声纳电源、无线电（长、中、短波）发射电源，以至微波电源将被以现代电力半导体器件（诸如IGBT、MOSFET等）为主功率器件的新型变频电源所取代，与这些电源有关的技术（如驱动、保护高压、超高频等）研究将是变频电源在21世纪研究的主要课题。

　　变频电源的控制策略和EMI抑制成为研究重点。提高变频电源性能的各种控制策略及EMI抑制将成为变频器的重点研究领域，研究的重点是改善变频器的输出波形、使之更趋近正弦波，能针对不同的负载具有宽范围的适应性，尽可能地消去谐波，提高功率因数，应用SPWM整流技术，大功率谐振变流技术减少开关损耗，进而提高整套装置的效率。

　　3.1.3应用电力电子技术实现节能是研究的重要方向运动控制的节能。据统计，全世界有60%左右的发电量是通过电动机消耗的，电动机只有在额定负载附近运行效率才最高，但由于对过载、安全系数的考虑，电动机常处于低效运行。为解决人类能源危机，实现大面积节能，21世纪将利用计算机与电力电子技术结合，实现电动机的优化运行，并对诸如车床、冲床、剪床等变负载电动机实现调压节能调速，同时更大范围地实现风机、泵、压缩机等通用机械拖动电动机（占电动机耗电的一半左右）变频调速，对轧钢、有色金属压延、造纸、榨糖、大型机床等的拖动电机按工艺实行变频调速，对运输机械中的电气机车、内燃机、地下铁道、轻轨机车、无轨电车、磁悬浮列车和电动车，以及电梯、自动扶梯、矿井卷扬车和龙门吊等实行变流拖动改造及与之配套的交流调速，开展与这些领域有关的研究是21世纪电力电子成套装置的又一个重要研究领域。

　　照明灯具改造与节能研究。据报道，照明耗电占人类总发电量的20%左右，所以21世纪为节约能源将在照明灯具的改造上投入很大的精力，体现在电子镇流器的研制及升级换代，改造过去传统的镇流器。

　　3.1.4电力系统使用电力电子成套装置的更新换代研究电力系统中电力电子成套装置用于发电、供配电及输变电的所有领域21世纪在以下方面进行新的研究和探索。

　　传统励磁方式的改造。将传统的发电机直流励磁改为变频励磁，以获得更高的可靠性和更大的效益。对水轮发电机采用变频励磁，针对枯水期与富水期中水轮机转速变化保证其发出电的电压恒定，这一技术亦可用于风力发电中。

　　（如跨海输电），非周期（非同步）的电力系统实现联网方面，高压直流输电优于交流输电，同时直流输电节省金属材料的用量（少一根输电线），直流输电需构成特大功率的整流与逆变装置，并要求很高的可靠性，21世纪将在现有技术的基础上开展更进一步的研究，提高可靠性，人类将有更多的直流输电线路投入运行。

　　动态无功功率补偿（SVC）技术。无功的存在使发电机功率因数降低，谐波污染电网，引起电网电压波动，加发电机和其他设备的发热。采用电力电子成套装置进行无功补偿仍将是21世纪电力系统的热门课题，研究的重点是达到最优效果，并尽可能使功率因数接近1.消除谐波改善电网品质。采用电力电子技术对各种电力电子成套装置运行中的副产品EMI进行抑制，其研究的主要课题是有源滤波技术抑制谐波发生，实现电网绿色化。

　　3.2电力电子成套装置将开辟新的研究领域3.2.1储能领域渴望新型电力电子成套装置由于电网的负载是随着季节和昼夜的影响而变化的，从而出现用电高峰和低谷。在用电低谷时，现用的方法是关掉一台到几台发电机，能源浪费相当严重。采用电力电子成套装置在用电低谷时把发电机发出的多余电能储存起来，在用电高峰时，再输送给电网，这种方法相当于多盖了至少三分之一的发电厂，其经济价值是明显的，这方面的研究集中在实现下述三个储能方法的电力电子成套装置。

　　抽水储能发电。白天，上游水库泄水而发电；晚间，利用多余的电网电能拖动电动机运行，驱动水泵把下游水库的水抽进上游水库，加上游水库蓄水，使白天可以更多地发电。当然，这种电能变为机械能，再变成电能的能量变换过程，效率是比较低的。

　　地下室内的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给整个建筑物供电，研究这一变换过程中的电力电子成套装置也是21世纪一个重要的研究领域。

　　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，这种储能器体积大为缩小，转换效率很高。但是，如何实现常规交流电能与这种低电压超大电流的直流电能的互相转换，给电力电子技术提出了更新的课题。

　　2新能源利用向电力电子成套装置提出了新的研究课题利用电力电子成套装置进行污水处理、控制有毒有害气体排放、控制人类气候变暖等方面的研究亦是一个重要的研究领域。

　　4结束语21世纪将是电力电子技术蓬勃发展的时代，上述领域的研究将使人类的文明更加辉煌灿烂，让我们展开双臂，满怀喜悦的迎接这一天早日到来吧丨