1、電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用摘要：隨著人們生活水平的提高及科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，電力電子技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)之間橋梁的電力電子技術(shù)，其將在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有主導(dǎo)地位。在此探討電力電子技術(shù)的發(fā)展、作用及現(xiàn)實中的應(yīng)用等主要內(nèi)容，旨在提高電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的社會認識，以與同行共勉。 關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；發(fā)展史；電力系統(tǒng)；應(yīng)用；發(fā)展趨勢1 引言自上世紀五十年代末第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣控制技術(shù)舞臺，標志著電力電子技術(shù)的誕生。究竟什么是電力電子技術(shù)呢？美國電氣與電子工程師協(xié)會下設(shè)的電力電子學(xué)會對“電力電子技術(shù)”的闡述是：有效的使用電力半導(dǎo)體器件，應(yīng)用電路

2、設(shè)計理論以及分析開發(fā)工具，實現(xiàn)對電能高效能變換和控制的一門技術(shù)。對電能的高效能變換和控制包括對電壓，電流，頻率或波形等方面的變換。它廣泛應(yīng)用于電力、電氣自動化及各種電源系統(tǒng)等工業(yè)生產(chǎn)和民用部門。它是介于電力、電子和控制三大領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。目前，電力電子技術(shù)的應(yīng)用已遍及電力、汽車、現(xiàn)代通信、機械、石化、紡織、家用電器、燈光照明、冶金、鐵路、醫(yī)療設(shè)備、航空、航海等領(lǐng)域。進入21世紀，隨著新的理論、器件、技術(shù)的不斷出現(xiàn)，特別是與微控制器技術(shù)的日益融合，電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也必將不斷地得以拓展，隨之而來的必將是智能電力電子時代。2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整

3、流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。電力電子學(xué)的發(fā)展歷程表明，電力電子方面某種新器件的問世，會對整個電力電子技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。1946年晶體管誕生之后，逐步形成了固體電子學(xué)，電力電子學(xué)受此影響逐步發(fā)展建立起來。電力電子技術(shù)相關(guān)裝置和器件的發(fā)展是相輔相成、互相促進的。裝置依賴于器件，新的器件出現(xiàn)能開拓許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，做出新的裝置；應(yīng)用中出現(xiàn)的問題又對器件提出新的要求，推動新器件的研制。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)

4、已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。2.1 整流器時代 大功率的工業(yè)用電由工頻( 50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解) 、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了一股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。2. 2逆變器時代七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻調(diào)速因節(jié)能效果

5、顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管( GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)成為當時電力電子器件的主角。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。2. 3變頻器時代進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管( IGBT)的出現(xiàn)

6、,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。3 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 3.1 用電領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)（1）電動機的優(yōu)化運行全世界的用電量中約有60左右是通過電動機來消耗的。采用計算機電力電子技術(shù)結(jié)合的智能變頻控制技術(shù)， 使電動機經(jīng)常處于高效狀態(tài)，可以節(jié)約大量電能，具有巨大的效益。（2）高能量密度的電源應(yīng)用電化學(xué)電源廣泛應(yīng)

7、用在作為國民經(jīng)濟的銅、鋁、鋅、鎳等有色金屬以及氯堿等電解產(chǎn)業(yè)中；體積小、重量輕、效率高的各種開關(guān)電源應(yīng)用也是十分廣泛；新世紀中，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻電源應(yīng)用也日益廣泛；另外還有不間斷電源(UPS)、穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、高精度潔凈電源等特種電源，采用電力電子技術(shù)后，各方面指標均大大改善。 3.2發(fā)電領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)（1）發(fā)電機的直流勵磁常規(guī)發(fā)電機中勵磁的建立已經(jīng)由傳統(tǒng)的直流磁勵機轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍蓄l交流勵磁機加電力電子整流的方法，并已取得良好的經(jīng)濟效益，可靠性較高。（2）水輪發(fā)電機的變頻勵磁發(fā)電頻率取決于發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。采用了電力電子技術(shù)后，將水輪發(fā)電機直流勵磁轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l交流變頻勵磁。當水流量減少時

8、，提高勵磁頻率，可以把發(fā)電頻率補償?shù)筋~定， 延長水輪發(fā)電機的發(fā)電周期，解決了水力發(fā)電中發(fā)電機工作時間受季節(jié)性水流量影響而導(dǎo)致的頻率無法調(diào)節(jié)、浪費較多水能的問題。這對大型水力發(fā)電設(shè)施來說，可帶來巨大的經(jīng)濟效益。（3）環(huán)保型能源發(fā)電利用太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地熱能等新能源發(fā)電，是解決一次能源危機（煤、石油、天然氣等石化類能源日趨匱乏）的重要途徑，它們是可再生的綠色能源。但是這些能源轉(zhuǎn)換的電能，其電壓、頻率難免波動，無法并網(wǎng)應(yīng)用。只有通過電力電子變換裝置， 才能使這些波動的電能以恒壓恒頻方式輸出，實現(xiàn)這些新能源的實用化。3.3 儲能領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)（1）蓄電池與電容器組儲能把夜間電網(wǎng)提供的多余交

9、流電整流成直流電，儲存在建筑物地下室內(nèi)的“蓄電池電容器組”；白天，再把這些儲存的電能逆變成交流電供給整個建筑物內(nèi)的用電，已經(jīng)成為某些地方的時尚。（2）抽水儲能發(fā)電白天，水庫泄水發(fā)電；晚間，利用多余的電網(wǎng)電能使發(fā)電機轉(zhuǎn)變成電動機運行，驅(qū)動水泵把下游水庫的水抽進上游水庫，增加上游水庫蓄水，使白天可以更多地發(fā)電。這種電能量變換過程效率較低。（3）超導(dǎo)線圈的磁場儲能在超導(dǎo)體線圈中，數(shù)十萬安培的直流電流在其中流動是不會損耗的，這種儲能器體積小，轉(zhuǎn)換效率高。但當前還沒有妥善解決如何實現(xiàn)交流電能同該低電壓超大電流的直流電能的互相轉(zhuǎn)換的問題。3.4 輸電領(lǐng)域中的電力電子技術(shù)（1）動態(tài)無功功率補償（SVC）技術(shù)

10、電廠生產(chǎn)的電能，一部分可有效地做功，對應(yīng)功率稱為有功功率；另一部分稱為無功功率。無功的存在使發(fā)電機功率因數(shù)降低， 諧波污染電網(wǎng)，增加發(fā)電機和其它電氣設(shè)備發(fā)熱，無功的波動使電網(wǎng)電壓波動。因此，必須對無功功率進行補償。采用電力電子技術(shù)的動態(tài)無功功率補償裝置起著重要作用。（2）高壓直流輸電（HVDCT）技術(shù)在遠距離輸電、跨海輸電、非同期（非同步）的電力系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)等方面，高壓直流輸電優(yōu)于高壓交流輸電。發(fā)電機發(fā)出的交流電能經(jīng)過變壓器變換后，再整流為直流電能，跨過幾百、上千公里后，再經(jīng)逆變器變換為工頻交流電能， 供終端用戶使用。必須采用幾十、乃至數(shù)百萬千伏安的超大功率電力電子裝置才可以實現(xiàn)上述功能。（3

11、）消除諧波改善電網(wǎng)供電品質(zhì)相位控制型電力電子設(shè)備是一諧波發(fā)生器，其大量的采用嚴重污染了公用電網(wǎng)，導(dǎo)致電力品質(zhì)下降，危及電網(wǎng)安全運行；它產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)也危及通信、金融、航空、交通、醫(yī)療等行業(yè)的安全運行。采用電力電子技術(shù)，特別是有源濾波技術(shù)，抑制諧波發(fā)生，實現(xiàn)綠色電源，是21 世紀必須要解決的問題。近年來，電力電子的環(huán)境及產(chǎn)業(yè)都有了很大的變化。整體而言，電力電子技術(shù)的發(fā)展在許多應(yīng)用領(lǐng)域上獲得了認同?？偠灾?，在各種與電相關(guān)的地方，凡是要求調(diào)節(jié)控制以實現(xiàn)自動化、智能化的場合，電力電子技術(shù)將同微電子、計算機控制技術(shù)相輔相成，發(fā)揮巨大作用。4.電力電子技術(shù)的重要作用 電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟和科

12、學(xué)技術(shù)的發(fā)展中正在并將要發(fā)揮越來越重要的作用。 （1）提高和改善電能質(zhì)量 在現(xiàn)代文明社會中電力是主要的動力源。由電廠發(fā)出送上電網(wǎng)的交流電(稱為市電)一般電壓和頻率穩(wěn)定波形為正弦，但用戶使用的設(shè)備常使電網(wǎng)無功損耗增加；加上一些自然和人為因素，常招致電壓跌落閃變、瞬時停電等，大量非線性故障負載的使用，使電網(wǎng)中出現(xiàn)各次有害的諧波波形，使電網(wǎng)發(fā)生嚴重畸變，已成為電網(wǎng)的一種公害，而采用由電力電子器件構(gòu)成的各種控制器和補償器則可有效地提高和改善電能質(zhì)量。近年致力研究的柔性交流輸電系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)這一目標。至于建造經(jīng)濟性和技術(shù)性均優(yōu)越的直流輸電，將交流變?yōu)橹绷鬟h距離輸送再變換為交流市電，更是離不開電力電子技

13、術(shù)。 （2）優(yōu)化電能使用 優(yōu)化電能的處理裝置，力求電能的使用目標達到合理、高效、節(jié)約，實現(xiàn)電能最佳化發(fā)展。例如，在節(jié)電節(jié)能方面，針對電力牽引、風(fēng)機水泵、軋機冶煉、工業(yè)窯爐、輕工造紙、感應(yīng)加熱、化工電焊等方面的調(diào)查，一般情況下節(jié)能效果可以達到1040，國家已將許多節(jié)能節(jié)電的項目推廣試用。例如作為與物質(zhì)生產(chǎn)息息相關(guān)、以功率處理為對象的電力電子技術(shù)正成為緩解人類所面臨的能源危機、資源危機和環(huán)境危機威脅的重要技術(shù)手段之一。 （3）改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè) 特別是電力電子變頻技術(shù)及高頻化技術(shù)的進一步發(fā)展，使機電設(shè)備將傳統(tǒng)的工頻技術(shù)突破，轉(zhuǎn)向高頻化發(fā)展。使機電設(shè)備體積減小了幾倍甚至幾十倍，趨

14、向高速化響應(yīng)速度，并實現(xiàn)無噪音方向發(fā)展，從而實現(xiàn)最佳工作效率，提高了全新的用途及功能。 5 電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢 5.1 發(fā)展領(lǐng)域 當前電力電子技術(shù)迅速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域有:電力系統(tǒng)如有源濾波，無功補償，直流輸電，靈活輸電系統(tǒng)，以及為了克服雪災(zāi)造成停電時的融冰裝置等等。二是可再生能源如風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電，燃料電池發(fā)電等等。說明電力電子技術(shù)正在向“發(fā)電”和“供電”的領(lǐng)域發(fā)展。 5.2 發(fā)展方向 （1）集成化 高度的集成化能是體積更小，重量更輕，功率密度更高，性能更好 （2）智能化 電力傳動系統(tǒng)的智能化，使其更具自動調(diào)節(jié)能力，從而獲得更高的性能指標，包括高效率，搞功率因數(shù)，寬調(diào)速范圍，快速準確的動態(tài)

15、性能和搞故障容錯能力等。 （3）通用化 更有效地擴大應(yīng)用范圍，從而降低生產(chǎn)制造成本。 （4）信息化 現(xiàn)代信息通訊技術(shù)滲透到電力傳動系統(tǒng)中，使其不但是轉(zhuǎn)換，傳送能量的裝置，也成為傳遞和交換信息的通道。這就擴展了電力傳動系統(tǒng)的內(nèi)涵和外延，大大提高了電力傳動系統(tǒng)的效用。 與此同時，在電力電子的發(fā)展過程中還應(yīng)該解決其電路理論進展所遇到的問題：對于高電壓，大電流的問題關(guān)鍵是要生產(chǎn)出耐高壓，能承受大電流的電力電子器件及其串并聯(lián)技術(shù)。電力系統(tǒng)須保證所有用戶長期穩(wěn)定的供電，因此，用以電力系統(tǒng)的電力電子裝置的可靠性十分重要。6 結(jié)束語 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)所起的作用越來越大。在當今高新技術(shù)系統(tǒng)中不可

16、或缺，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。但是目前電力電子技術(shù)的發(fā)展遇到了或多或少的問題急需解決。這就要求我們年輕一代不斷地以科學(xué)研究的精神去解決這些問題，實現(xiàn)突破。其重點的發(fā)展方向在于發(fā)展與能源直接相關(guān)的一些大功率乃至超大功率電力電子應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)的研究。參考文獻：【1】王兆安 黃俊.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社.第四版.2001 【2】趙爭鳴.電力電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的一些新發(fā)展.清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系.2005 【3】黃俊,電力電子變流技術(shù),機械工業(yè)出版社,2001 【4】王云亮,電力電子技術(shù),電子工業(yè)出版社,2004 【5】陳伯時.淺談電力電子技術(shù)和科學(xué)發(fā)展問題.電力電子學(xué)

17、會第11屆學(xué)術(shù)年會大會報告.上海大學(xué).2010研究生“電力電子應(yīng)用技術(shù)”課程結(jié)業(yè)報告內(nèi)容及規(guī)范要求一、報告內(nèi)容（選其中一個）1、電力電子技術(shù)綜述2、電力電子技術(shù)在*領(lǐng)域的應(yīng)用 要求：闡述清楚電力電子技術(shù)中什么技術(shù)在某領(lǐng)域的具體應(yīng)用。二、要達到的目的1、培養(yǎng)學(xué)生文獻檢索的能力，特別是如何利用Intel網(wǎng)檢索需要的文獻資料。2、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、挖掘問題的能力。3、提高學(xué)生論文撰寫能力。4、加深對電力電子技術(shù)的認識和理解三、規(guī)范要求1、封面要求見參考范本2、必須有中文摘要和關(guān)鍵詞。摘要是論文核心內(nèi)容的簡短陳述，要求在150字左右。關(guān)鍵詞是反映論文主題內(nèi)容的通用技術(shù)詞匯，便于檢索。一般要求為35詞。（英文摘要和關(guān)鍵詞任選）3、參考文獻不能少于4篇；報告字數(shù)5000字左右（包括圖表