电力电子技术的应用探析

电力电子技术广泛应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域。它的应用领域几乎涉及国民经济的各个工业部门。具体应用主要有直流可调电源、电镀、电解、加热、照明控制与节能照明、不间断电源（UPS）与开关电源、充电、电磁合闸、电机励磁、电焊接、电网无功与谐波补偿、高压直流输电、光电池与燃料电池变换、固态断路器、感应加热、电机直流调速与变频交流调速、电力牵引（地铁机车、矿山机车、城市电车、电瓶车、电动汽车）、汽车电气、计算机及通信电源以及各类家电与便携式电器等。全球600 亿美元的电力电子产品市场已经形成，支撑着5 700 亿美元的电器电子硬件产品。电能系统的电子化，将在电能系统发电和用电两端，电能100%是通过电力电子变换器处理过。

（1）交－直流电源。计算机高效绿色电源；电解、电镀等应用领域中的低电压大电流可控直流电源；各类高性能的不间断供电电源；各类恒频、恒压通用逆变电源。广泛应用于航天、航空、船舶、车辆、军事装备等特殊应用领域中作为独立的交流通用电源；各类低压直流开关电源。广泛应用于通信、计算机等领域，给电子设备、仪器的电子电路供电；蓄电池充电电源；中频或高频感应加热电源；大功率脉冲电源、激光电源；燃料电池或太阳能光－电能转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压交流电源；抽水储能发电站、超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量的电力电子变换电源。

（2）电气传动与控制。电动机调速是电力电子在电动机控制中的重要应用。直流电动机变速传动控制是利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，实现控制电动机转速和转矩，达到直流电动机的变速传动控制。交流电动机变速传动控制则是利用逆变器或交－交直流变频器对交流电动机供电，通过改变逆变器或交－直流变频器的频率、电压和电流，实现经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，来达到交流电动机的变速传动。

电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术有了突破性的提高，不仅能给电机提供好的调速性能，还能大大节约能源。以下4 种类型的电动机传动与电力电子技术密切相关。

①工艺调速传动。这类传动要求机器按一定的工艺要求实施运动控制，以保证最终产品的质量、产量和劳动生产率。

②节能调速传动。在各行各业中，风机、水泵等用交流电动机来拖动的负载，其用电量占我国工业用电量的50%以上。如果我国所拥有的风机、水泵全面采用变频调速后，就可节约电能30%以上，每年节电达到数百亿千瓦时。

③牵引调速传动。如电动汽车及各种电瓶车、地铁及机车牵引；各类起重机及矿井提升机、电梯、船舶推进系统等，既可提高运输效率、显著节能，又可减少污染、保护环境。

④精密调速和特种调速。数控机床的主轴传动和伺服传动是现代机床的不可分割部分，雷达火炮的同步联动等军事应用都要求电动机有足够的调速范围（如1∶10 000 以上）和控制精度。

（3）电力系统。在电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标。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。

①新型直流输电技术。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站占地、降低造价的技术。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统（Light HVDC），它采用GTO、IGBT 等可关断的器件组成换流器。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中等容量的直流输电在较短的输送距离内也能与交流输电竞争。

②电力电子补偿控制器。利用现代电力电子技术，在电力系统中引入大功率半导体高频开关型电力电子补偿控制器，可以对电力系统的谐波、无功功率、潮流、电压瞬变、节电电压的大小和相位以及电力系统的瞬时功率平衡等进行快速、有效地调节和控制。(www.xing528.com)

将开关型电力电子变换器电流源、电压源，适当地接入电力系统就可构成谐波电流补偿器、谐波电压补偿器、无功功率补偿器、电网节电电压控制器、电能存取控制器、瞬变电压抑制器。电力补偿器、调节器和控制器可以改变电网等效负载的感抗、容抗和电阻；可以补偿谐波电流和谐波电压，抑制和补偿瞬态电压变化；可以调控电网负载的基波电压的大小和相位；可以改变输电线路的有功功率和无功功率，并对电力系统的功率平衡进行快速、灵活、有效地调节和控制。

引入了大功率半导体开关型电力变换器、补偿器、控制器以后，原有电力系统的结构将发生重大变化。发电、输配电和电力应用都将获得更好的技术经济效益、更高的安全可靠性、更灵活有效的控制特性和更优良的供电质量。随着现代电力电子技术的不断发展和电子技术在电力系统领域中的广泛应用，传统的电力系统将成为一个运行更安全可靠、经济，控制更灵活的柔性电力系统，传统的电力技术将发生革命性的变革。

电力电子技术应用的新型领域及未来的发展方向表现在以下几个方面。

①环境保护。现代社会对环境造成了严重的污染，温室气体的排放引起了国际社会的普遍关注。一个人的身体一天排出的二氧化碳约为1 kg，实际上，现代社会大量的能源消耗是温室气体排放的主要原因，这使得全球人均对环境排放的二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的10 倍。而发达国家的长期工业化过程又是造成温室气体问题的重要因素。例如，美国人均排放二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的56 倍；日本人均排放二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的25 倍。改革开放以来，我国的能源消费量急剧上升，二氧化碳排放量也有较大增加。国际能源署（IEA）发布报告称，受能源需求激增和极端天气等因素影响，2018年全球二氧化碳排放量创历史新高，达到330 亿吨。根据研究机构推算，2018年中国二氧化碳排放总量达100 亿吨，同比增长2.3%。

1997年在日本京都召开的“联合国气候变化框架公约” 会议上，通过了著名的«京都议定书COP3»，即温室气体排放限制议定书。通过国际社会的努力，2005年京都议定书正式生效。京都议定书将对中国经济和世界经济的发展产生深远的影响。扩大再生能源的应用比例和大力采用节能技术是实现京都议定书目标的十分关键和有效的措施。日本、欧洲、澳大利亚都在积极推广再生能源和节能技术，减少温室气体排放。2015年在巴黎气候变化大会上通过的气候变化协定«巴黎协定»，为2020年后全球应对气候变化行动作出安排。主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2 摄氏度以内，并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5 摄氏度以内。日本提出在2020年－2030年间，将燃料电池系统的价格降至目前的约1/10；到2020年将太阳能发电量提高到目前的10 倍，2030年时提高到40 倍。这些新能源发电都需要电力电子技术，这将形成电力电子技术的巨大市场。

②电动汽车。根据美国国家电力科学研究院的报告，纯电动汽车与汽油汽车的一次能源利用率之比为1∶0.6。因此，发展电动汽车不仅可以提高能源的利用率，同时还可减少温室气体和有害气体的排放。电动汽车的关键技术是电池技术和电力电子技术。铅酸电池价格低，但能量密度低，体积大，一次充电的持续里程低，可充电次数少。目前国际上正在开展新型电池如锂电池、镍氢电池等的研发工作。将汽油驱动和电动驱动相结合的混合动力汽车已在日本问世，如丰田Prius 和本田Insight，据称可减少油耗50%，将排放量减至1/10。混合动力汽车的产业化前景已引起美国汽车行业的注意，美国正在探讨混合动力汽车的开发，以免失去混合动力汽车的市场。近年来，燃料电池汽车已成为理想环保交通工具的远景目标，燃料电池的开发也成为国内外的热点。高能量密度燃料电池的低成本化，高可靠性是主要的突破目标。日本将大力发展低排放汽车，包括纯电动汽车、混合型汽车、燃料电池汽车、天然气或液化气汽车等。低排放车的保有量，已从2000年的37，168 辆增长至2018年末的6，659，599 辆；其中，纯电动汽车保有量，从2000年的772辆上升至2017年的75，294 辆。

我国自2001年起设立了“十五” 国家863 计划电动汽车重大专项。建立燃料电池汽车产品技术平台，实现混合动力汽车的批量生产，推动纯电动汽车在特定区域的商业化动作，为我国在5～10年内实现电动汽车的产业化奠定技术基础。电动汽车产业将带动电机驱动逆变器，能量管理双向DC/DC 变换器，辅助电源，充电器等电力电子产品的需求。中国新能源汽车产业经过近20年的发展，产销规模突破100 万辆、跃居全球第一。2018年全球新能源乘用车共销售200.1 万辆，其中中国市场占105.3 万辆，超过其余国家总和。

③IT 产业。由于IT 技术的应用，办公设备的电力消耗剧增，汽车，家电的电能消耗也将显著增加，而工业用电变化不大。因此，在开发为IT 设备供电的高效率电源前景良好。

Intel、Compaq 先后提出了下一代PC 机分布式供电方案（DPS）。Intel、Compaq 方案的基本结构相同，均由PFC、DC/DC、分散式安排的DC/DC 模块组成。这种结构提高了供电的质量和效率，克服了目前PC 电源对电网的谐波和电磁兼容问题，同时也适应VLSI芯片的低电压大电流的需要。根据集成电路制造技术的发展趋势，在未来5年中芯片集成的晶体管数目将更多，而供电直流电压将降到0.5～0.8 V，功耗为80～140 W，电流峰值达150 A，di/dt＝1 000 A/μs，这将对供电电源提出严峻的挑战。

随着智能手机的普及，4G 乃至5G 技术的推出，手机的功能急速增加，如播放器、PDA、照相等，电能消耗也增加，手机电能的管理控制芯片的研究开发也有良好的前景。