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電力電子技術論文
電力電子技術的發(fā)展及在電力系統(tǒng)中應用
馮啟業(yè)
222007322072003
摘要：電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術的發(fā)展史是以
電力電子器件的發(fā)展史為綱的。而電力電子技術的不斷發(fā)展，新材料、新結構器件的陸續(xù)誕生，計算機技術的進步為現(xiàn)代控制技術的實際應用提供了有力的支持，在各行各業(yè)中的應用越來越廣泛。電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究與實際工程也取得了可喜成績。
關鍵詞：電力電子技術 電力電子器件 晶閘管 電力系統(tǒng) 直流輸電
正文：
電力電子技術是應用于電力領域的電子技術。具體地說，就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，主要用于電力變換。目前所用的電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。通常把電力電子技術分為電力電子器件制造技術（理論基礎是半導體物理）和變流技術（理論基礎是電路理論）兩個分支。電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基礎，而變流技術則是電力電子技術的核心。
1. 電力電子技術的發(fā)展史
自 20 世紀50 年代末第一只晶閘管問世以來，電力電子技術開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術舞臺，以此為基礎開發(fā)的可控硅整流裝置，是電氣傳動領域的一次革命，使電能的變換和控制從旋轉變流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構成的變流器時代，這標志著電力電子技術的誕生。在隨后的40 余年里，電力電子技術在器件、變流電路、控制技術等方面都發(fā)生了日新月異的變化，在國際上，電力電子技術是競爭最激烈的高新技術領域。 電力電子器件的發(fā)展對電力電子技術的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為電力電子技術的誕生奠定了基礎。晶閘管自誕生以來，電力電子器件已經(jīng)走過了五十多 年的概念更新、性能換代的發(fā)展歷程。
1.1 第一代電力電子器件
以電力二極管和晶閘管(SCR)為代表的第一代電力電子器件，以其體積小、功耗低等優(yōu)勢首先在大功率整流電路中迅速取代老式的汞弧整流器，取得了明顯的節(jié)能效果，并奠定了現(xiàn)代電力電子技術的基礎。電力二極管對改善各種電力電子電路的性能、降低電路損耗和提高電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、快恢復整流管和肖特基整流管三種主要類型。晶閘管誕生后，其結構的改進和工藝的改革，為新器件的不斷出現(xiàn)提供了條件。由晶閘管及其派生器件構成的各種電力電子系統(tǒng)在工業(yè)應用中主要解決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重等問題，因而大大提高電能的利用率，同時也使工業(yè)噪聲得到一定程度的控制。
1.2 第二代電力電子器件
自20世紀70 年代中期起，電力晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)、電力場控晶體管(功率MOSFET)、靜電感應晶體管(SIT)、MOS 控制晶閘管(MCT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等通斷兩態(tài)雙可控器件相繼問世，電力電子器件日趨成熟。一般將這類具有自關斷能力的器件稱為第二代電力電子器件。全控型器件的開關速度普遍高于晶閘管，可用于開關頻率較高的電路。
1.3
第三代電力電子器件
進入20 世紀90 年代以后，為了使電力電子裝置的結構緊湊、體積減少，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應用帶來了很大的方便。后來，又把驅動、控制、保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC），也就是說，電力電子器件的研究和開發(fā)已進入高頻化、標準模塊化、集成化和智能化時代。電力電子器件的高頻化是今后電力電子技術創(chuàng)新的主導方向，而硬件結構的標準模塊化是電力電子器件發(fā)展的必然趨勢。
電力電子器件經(jīng)歷了工頻、低頻、中頻到高頻的發(fā)展歷程，與此相對應，變流電路也經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代、變頻器時代到以功率MOSFET 和IGBT 為代表的、集高頻高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件的現(xiàn)代電力電子時代；還有電力電子電路的控制也從最初以相位控制為手段的由分立元件組成的控制電路發(fā)展到集成控制器，再到如今的旨在實現(xiàn)高頻開關的計算機控制，并向著更高頻率、更低損耗和全數(shù)字化的方向發(fā)展。
綜上所述，電力電子技術的發(fā)展是從低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子技術向以高頻技術處理問題為主的現(xiàn)代電力電子技術方向發(fā)展。目前，電力電子技術電力電子技術作為節(jié)能、環(huán)保、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。
2. 電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用
電力系統(tǒng)由發(fā)電設備、輸配電線路和伏在用電設備三大部分組成。電力系統(tǒng)是歷史上逐步擴建，聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的，是地域分布廣、設備眾多運行參數(shù)相互影響、瞬變很快的大系統(tǒng)，其安全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質運行具有重大意義。隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子設備已開始進入電力系統(tǒng)并為解決電能質量控制提供了技術手段。據(jù)估計，發(fā)達國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進程中，電力電子技術是關鍵技術之一�？梢院敛豢鋸埖卣f，如果離開電力電子技術，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化就是不可想象的。
定質電力技術、直流輸電（HVDC）和輕型直流輸電（HVDC Light）技術、同步開關技術、電力有源濾波器等等在電力系統(tǒng)中都是一些耳熟能詳?shù)拿~，近年來我國大批的學者和企業(yè)在此基礎上不斷地完善和創(chuàng)新，電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究成果也層出不窮，這大大促進了今后的技術發(fā)展。
浙江大學童立清、錢照明、彭方正教授撰寫的《有源電力濾波器電路拓撲研究綜述》一文中，分析了降低有源電力濾波器有源部分容量的7種基本對偶型有源電力濾波器拓撲結構，并對它們的工作原理、濾波特性和容量給出了詳盡的分析比較，該文對有源電力濾波器的電路拓撲研究有重要的參考價值。
北京交通大學鄭瓊林、郝瑞祥和京儀椿樹整流器公司郭文杰提交的《大功率電弧加熱器電源的設計研究》一文，研究了63MW等級大功率電弧加熱器AC/DC變流電源的電路設計和控制策略，提出了一種相移疊橋組合晶閘管整流主電路結構。
浙江大學、華中科技大學劉昌金、徐德鴻、唐躍進、程時杰等人撰寫的《應用于超導儲能的功率調節(jié)系統(tǒng)》一文中，研究、設計、試驗了一種適用于超導儲能的電流型變流器功率調節(jié)系統(tǒng)，主電路采用模塊化結構，控制系統(tǒng)采用兩級結構，基于瞬時功率理論的有功和無功功率閉環(huán)控制，使功率調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)了四象內快速獨立地調控有功和無功功率。
清華大學賀凡波、趙爭鳴、袁立強的《一種基于優(yōu)化算法的光伏系統(tǒng)MPPT方法》、中科院電工所曹篤峰等人的《30kW光伏并網(wǎng)逆變器的研制》和華北電力大學沈晨、陳曉明的《30kW太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應用與運行淺析》，對中小功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研制也都有參考價值。
在傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)中采用電力電子技術，引入了電力電子變換器和電力電子補償控
制器，從而能實現(xiàn)靈活、快速、有效控制的交流輸電系統(tǒng)，被稱為柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）。在整個電力系統(tǒng)引入各種電力電子變換器和電力電子補償控制器，課實現(xiàn)全電力系統(tǒng)工況的靈活、快速、智能化、廣域網(wǎng)路化控制，課稱為智能化的柔性電力系統(tǒng)（FPS）。由傳統(tǒng)電力系統(tǒng)發(fā)展到FPS將是電力系統(tǒng)百年發(fā)展史上的一個革命性變革，將使電力系統(tǒng)的運行更加安全、靜寂、高效、優(yōu)質，這一發(fā)展過程也必將推動電力電子技術在更高水平上的技術發(fā)展。
參考文獻
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