电力电子技术

1.4.1 电力电子技术的作用

电力电子技术是通过静止的手段对电能进行有效的转换、控制和调节，从而把能得到的输入电源形式变成希望得到的输出电源形式的科学应用技术。它是电子工程、电力工程和控制工程相结合的一门技术，它以控制理论为基础、以微电子器件或微计算机为工具、以电子开关器件为执行机构实现对电能的有效变换，高效、实用、可靠地把能得到的电源变为所需要的电源，以满足不同的负载要求，同时具有电源变换装置小体积、轻重量和低成本等优点。

电力电子技术的主要作用如下。

（1）节能减排。通过电力电子技术对电能的处理，电能的使用可达到合理、高效和节约，实现了电能使用最优化。当今世界电力能源的使用约占总能源的40％，而电能中有40％经过电力电子设备的变换后被使用。利用电力电子技术对电能变换后再使用，人类至少可节省近1／3的能源，相应地可大大减少煤燃烧而排放的二氧化碳和硫化物。

（2）改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。目前发达国家约70％的电能是经过电力电子技术变换后再使用的，据预测，今后将有95％的电能会经电力电子技术处理后再使用，我国经过变换后使用的电能目前还不到45％。

（3）电力电子技术向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小到原来的几分之一，甚至几十分之一，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪声且具有全新的功能和用途。例如，频率为20k Hz的变压器，其重量和体积只是普通50Hz变压器的十几分之一，钢、铜等原材料的消耗量也大大减少。

（4）提高电力系统稳定性，避免大面积停电事故。电力电子技术实现的直流输电线路，起到故障隔离墙的作用，发生事故的范围就可大大缩小，避免大面积停电事故的发生。

1.4.2 电力电子技术的特点

电力电子技术是采用电子元器件作为控制元件和开关变换器件，利用控制理论对电力（电源）进行控制变换的技术，它是从电气工程的三大学科领域（电力、控制、电子）发展起来的一门新型交叉学科。它与电力、控制和电子学科的关系如图1.4.1所示。

图1.4.1 电力电子技术与电力、控制和电子学科的关系

电力电子开关器件工作时产生很高的电压变化率和电流变化率。电压变化率和电流变化率作为电力电子技术应用的工作形式，对系统的电磁兼容性和电路结构设计都有十分重要的影响，概括起来，电力电子技术有如下几个特点：弱电控制强电；传送能量的模拟—数字—模拟转换技术；多学科知识的综合设计技术。

新型电力电子器件呈现出许多优势，它使得电力电子技术发生突变，进入现代电力电子技术阶段。现代电力电子技术向全控化、集成化、高频化、高效率化、变换器小型化和电源变换绿色化等方向发展。

1.4.3 电力电子技术的研究内容

电力电子技术的主要任务是研究电力半导体器件、变流器拓扑及其控制和电力电子应用系统，实现对电、磁能量的变换、控制、传输和存储，以达到合理、高效地使用各种形式的电能，为人类提供高质量电、磁能量。电力电子技术的研究内容主要包括以下几个方面。

（1）电力半导体器件及功率集成电路。

（2）电力电子变流技术。其研究内容主要包括新型的或适用于电源、节能及电力电子新能源利用、军用和太空等特种应用中的电力电子变流技术；电力电子变流器智能化技术；电力电子系统中的控制和计算机仿真、建模等。

（3）电力电子应用技术。其研究内容主要包括超大功率变流器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、电力、电力牵引、舰船推进中的应用，电力电子系统信息与网络化，电力电子系统故障分析和可靠性，复杂电力电子系统稳定性和适应性等。

（4）电力电子系统集成。其研究内容主要包括电力电子模块标准化，单芯片和多芯片系统设计，电力电子集成系统的稳定性、可靠性等。

1.电力半导体器件

电力半导体器件是电力电子技术的核心，用于大功率变换和控制时，与信息处理用器件不同，一是必须具有承受高电压、大电流的能力；二是以开关方式运行。因此，电力电子器件也称为电力电子开关器件。电力电子器件种类繁多，分类方法也不同。按照开通、关断的控制可分为不控型、半控型和全控型三类。如图1.4.2所示的全控型器件在现代电力电子技术应用中起主导作用。按照电力电子器件的驱动性质，可以将器件分为电压型和电流型两种。

图1.4.2 电力电子可控开关器件

（a）GTO；（b）IGBT；（c）IGCT

在应用器件时，选择电力电子器件一般需要考虑的是器件的容量（额定电压和额定电流值）、过载能力、关断控制方式、导通压降、开关速度、驱动性质和驱动功率等。

2.电力电子变换器的电路结构

以电力半导体器件为核心，采用不同的电路拓扑结构和控制方式来实现对电能的变换和控制，这就是变流电路。变换器电路结构的拓扑优化是现代电力电子技术的主要研究方向之一。根据电能变换的输入输出形式，变换器电路可分为交流－直流变换（AC／DC）、直流－直流变换（DC／DC）、直流－交流变换（DC／AC）和交流－交流变换（AC／AC）四种基本形式。

3.电力电子电路的控制

控制电路的主要作用是为变换器中的功率开关器件提供控制极驱动信号。驱动信号是根据控制指令，按照某种控制规律及控制方式而获得的。控制电路应该包括时序控制、保护电路、电气隔离和功率放大等电路。

（1）电力电子电路的控制方式。电力电子电路的控制方式一般按照器件开关信号与控制信号间的关系分类，可分为相控方式、频控方式、斩控方式等。

（2）电力电子电路的控制理论。对线性负荷常采用PI和PID控制规律，对交流电机这样的非线性控制对象，最典型的是采用基于坐标变换解耦的矢量控制算法。为了使复杂的非线性、时变、多变量、不确定、不确知等系统，在参量变化的情况下获得理想的控制效果，变结构控制、模糊控制、基于神经元网络和模糊数学的各种现代智能控制理论，在电力电子技术中已获得广泛应用。

（3）控制电路的组成形式。早期的控制电路采用数字或模拟的分立元件构成，随着专用大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，复杂的电力电子变换控制系统，已采用DSP、现场可编程器件FPGA、专用控制等大规模集成芯片以及微处理器构成控制电路。

1.4.4 电力电子技术的应用

电力电子技术是实现电气工程现代化的重要基础。电力电子技术广泛应用于国防军事、工业、能源、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统以及家用电器等。下面作简单的介绍。

1.工业电力传动

工业中大量应用各种交、直流电动机和特种电动机。近年来，由于电力电子变频技术的迅速发展，使得交流电动机的调速性能可与直流电动机的性能相媲美。我国也于1998年开始了从直流传动到交流传动转换的铁路牵引传动产业改革。

电力电子技术主要解决电动机的启动问题（软启动）。对于调速传动，电力电子技术不仅要解决电动机的启动问题，还要解决好电动机整个调速过程中的控制问题，在有的场合还必须解决好电动机的停机制动和定点停机制动控制问题。

2.电源

电力电子技术的另一个应用领域是各种各样电源的控制。电器电源的需求是千变万化的，因此电源的需求和种类非常多。例如，太阳能、风能、生物质能、海洋潮汐能及超导储能等可再生能源，受环境条件的制约，发出的电能质量较差，而利用电力电子技术可以进行能量储存和缓冲，改善电能质量。同时，采用变速恒频发电技术，可以将新能源发电系统与普通电力系统联网。

开关模式变换器的直流电源、DC／DC高频开关电源、不间断电源（UPS）和小型化开关电源等，在现代计算机、通信、办公自动化设备中被广泛采用。在军事应用中主要是雷达脉冲电源、声呐及声发射系统、武器系统及电子对抗等系统电源。

3.电力系统工程

现代电力系统离不开电力电子技术。高压直流输电，其送电端的整流和受电端的逆变装置都是采用晶闸管变流装置，它从根本上解决了长距离、大容量输电系统无功损耗问题。柔性交流输电系统（FACTS），其作用是对发电－输电系统的电压和相位进行控制。其技术实质类似于弹性补偿技术。FACTS技术是利用现代电力电子技术改造传统交流电力系统的一项重要技术，已成为未来输电系统新时代的支撑技术之一。

无功补偿和谐波抑制对电力系统具有重要意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容量（TSC）都是重要的无功补偿装置。静止无功发生器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更优越的无功和谐波补偿的性能。采用超导磁能存储系统（SMES）、蓄电池储能（BESS）进行有功补偿和提高系统稳定性。晶闸管可控串联电容补偿器（TCSC）用于提高输电容量，抑制次同步震荡，进行功率潮流控制。

4.交通运输工程

电气化铁道已广泛采用电力电子技术，电气机车中的直流机车采用整流装置供电，交流机车采用变频装置供电。如直流斩波器广泛应用于铁道车辆，磁悬浮列车的电力电子技术更是一项关键的技术。

新型环保绿色电动汽车和混合动力电动汽车（EV／HEV）正在积极发展中。绿色电动车的电动机以蓄电池为能源，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技术。飞机、船舶需要各种不同要求的电源，因此航空、航海也都离不开电力电子技术。

5.绿色照明

目前广泛使用的日光灯，其电子镇流器就是一个AC－DC－AC变换器，较好地解决了传统日光灯必须有镇流器启辉、全部电流都要流过镇流器的线圈因而无功电流较大等问题，可减少无功和有功损耗。另外，采用电力电子技术可实现照明的电子调光。

电力电子技术的应用范围十分广泛。电力电子技术已成为我国国民经济的重要基础技术和现代科学、工业和国防的重要支撑技术。电力电子技术课程是电气工程及其自动化专业的核心课程之一。