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浅析电力电子新技术的发展趋势
摘要:
电力电子技术应用广泛,近几年,电力电子技术在应用上又出现了一些新的进展和发展趋势。
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?
电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、控制和优化利用的技术,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、电力电子技术简介
电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
具体地说,电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。
电力电子技术中所变换的“电力”和“电力系统”所指的“电力”是有一定差别的。
两者都只“电能”,但后者更具体些,特指电力网的“电力”,前者则更一般些。
电子电力技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路3部分,是以电力为处理对象并集电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的综合性学科。
3、电力电子技术的发展历程回顾
(1)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第一个晶闸管为标志的。
(2)晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
(3)1904年出现了电子管,它能在真空中对电子流进行控制,并应用于通信和无线电,从而开启了电子技术用于电力领域的先河。
(4)20世纪30年代到50年代,水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动,甚至用于直流输电。
这一时期,各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。
在这一时期,也应用直流发电机组来变流。
(5)1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,引发了电子技术的一场革命。
(6)晶闸管时代
晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能,使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组,并且其应用范围也迅速扩大。
电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。
晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件,属于半控型器件。
对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式,简称相控方式。
晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。
这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
(7)全控型器件和电力电子集成电路(PIC)70年代后期,以门极可关断晶闸管(GTO)、电力极型晶体管(BJT)和电力场效应晶体管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展。
全控型器件的特点是,通过对门极(基极、栅极)的控制既可使其开通又可使其关断。
采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制(PWM)方式。
相对于相位控制方式,可称之为斩波控制方式,简称斩控方式。
在80年代后期,以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。
它是MOSFET和BJT的复合,综合了两者的优点。
与此相对,MOS控制晶闸管(MCT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)复合了MOSFET和GTO。
把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起,构成电力电子集成电路(PIC),这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。
电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。
随着全控型电力电子器件的不断进步,电力电子电路的工作频率也不断提高。
与此同时,软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零,从而提高了电力电子装置的功率密度。
4、 电力电子技术在电力系统中的应用
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。
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臵, 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。
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。
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臵起着重要作用。
(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臵才可以实现上述
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。
5、电力电子技术的应用
电力电子技术的应用范围十分广泛。
它不仅用于一般工业,也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等,在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。
(1)一般工业工业中大量应用各种交直流电动机,都是用电力电子装置进行调速的。
一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置,以达到节能的目的。
有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置,这种软起动装置也是电力电子装置。
电化学工业大量使用直流电源,电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。
电镀装置也需要整流电源。
电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。
(2)交通运输
电气化铁道中广泛采用电力电子技术。
电气机车中的直流机车中采用整流装置,交流机车采用变频装置。
直流斩波器也广泛用于铁道车辆。
在未来的磁悬浮列车中,电力电子技术更是一项关键技术。
除牵引电机传动外,车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。
电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制,其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。
一台高级汽车中需要许多控制电机,它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。
飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。
(3)电力系统
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力电子变流装置的处理。
直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势,其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置,而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。
近年发展起来的柔性交流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。
晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。
在配电网系统,电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等,以进行电能质量控制,改善供电质量。
在变电所中,给操作系统提供可靠的交直流操作电源,给蓄电池充电等都需要电力电子装置。
(4)电子装置用电源
各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。
通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源,现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。
大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。
在大型计算机等场合,常常需要不间断电源(UninterruptiblePowerSupply__UPS)供电,不间断电源实际就是典型的电力电子装置。
(5)家用电器
电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源,正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。
空调、电视机、音响设备、家用计算机,不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。
(6)其它
航天飞行器中的各种电子仪器需要电源,载人航天器也离不开各种电源,这些都必需采用电力电子技术。
抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。
超导储能是未来的一种储能方式,它需要强大的直流电源供电,这也离不开电力电子技术
新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电,需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。
当需要和电力系统联网时,更离不开电力电子技术。
核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时,需要大容量的脉冲电源,这种电源就是电力电子装置。
科学实验或某些特殊场合,常常需要一些特种电源,这也是电力电子技术的用武之地。
总之,电力电子技术的应用越来越广,其地位也越来越重要。
6、电力电子新技术的发展趋势
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
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