电力电子技术的发展及在电力系统中应用

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，电力电子技术论文[智库|专题]。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。

1. 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。

2. 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

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