電力電應用技術報告

1、電力電子技術的發(fā)展及應用摘要：隨著人們生活水平的提高及科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，電力電子技術得到了廣泛應用。作為傳統(tǒng)產業(yè)和信息產業(yè)之間橋梁的電力電子技術，其將在國民經濟發(fā)展中占有主導地位。在此探討電力電子技術的發(fā)展、作用及現實中的應用等主要內容，旨在提高電力電子技術的發(fā)展及應用的社會認識，以與同行共勉。 關鍵詞：電力電子技術；發(fā)展史；電力系統(tǒng)；應用；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，電力電子技術開始登上現代電氣控制技術舞臺，標志著電力電子技術的誕生。究竟什么是電力電子技術呢？美國電氣與電子工程師協(xié)會下設的電力電子學會對“電力電子技術”的闡述是：有效的使用電力半導體器件，應用電路

2、設計理論以及分析開發(fā)工具，實現對電能高效能變換和控制的一門技術。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。它廣泛應用于電力、電氣自動化及各種電源系統(tǒng)等工業(yè)生產和民用部門。它是介于電力、電子和控制三大領域之間的交叉學科。目前，電力電子技術的應用已遍及電力、汽車、現代通信、機械、石化、紡織、家用電器、燈光照明、冶金、鐵路、醫(yī)療設備、航空、航海等領域。進入21世紀，隨著新的理論、器件、技術的不斷出現，特別是與微控制器技術的日益融合，電力電子技術的應用領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 電力電子技術的發(fā)展史電力電子技術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在許多新領域的應用。電力電子學的發(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領域產生重要影響。1946年晶體管誕生之后，逐步形成了固體電子學，電力電子學受此影響逐步發(fā)展建立起來。電力電子技術相關裝置和器件的發(fā)展是相輔相成、互相促進的。裝置依賴于器件，新的器件出現能開拓許多新的應用領域，做出新的裝置；應用中出現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體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術

4、已經進入現代電力電子時代。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)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?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)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經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體廠家就是那時的產物。2. 2逆變器時代七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻調速因節(jié)能效果

5、顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?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已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。2. 3變頻器時代進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的問世,導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

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)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。3 電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用 3.1 用電領域中的電力電子技術（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結合的智能變頻控制技術， 使電動機經常處于高效狀態(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用電化學電源廣泛應

7、用在作為國民經濟的銅、鋁、鋅、鎳等有色金屬以及氯堿等電解產業(yè)中；體積小、重量輕、效率高的各種開關電源應用也是十分廣泛；新世紀中，隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻電源應用也日益廣泛；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，采用電力電子技術后，各方面指標均大大改善。 3.2發(fā)電領域中的電力電子技術（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由傳統(tǒng)的直流磁勵機轉變?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)電機的轉速。采用了電力電子技術后，將水輪發(fā)電機直流勵磁轉變?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)電頻率補償到額定， 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)性水流量影響而導致的頻率無法調節(jié)、浪費較多水能的問題。這對大型水力發(fā)電設施來說，可帶來巨大的經濟效益。（3）環(huán)保型能源發(fā)電利用太陽能、風能、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。但是這些能源轉換的電能，其電壓、頻率難免波動，無法并網應用。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，實現這些新能源的實用化。3.3 儲能領域中的電力電子技術（1）蓄電池與電容器組儲能把夜間電網提供的多余交

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的用電，已經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，利用多余的電網電能使發(fā)電機轉變成電動機運行，驅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）超導線圈的磁場儲能在超導體線圈中，數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，轉換效率高。但當前還沒有妥善解決如何實現交流電能同該低電壓超大電流的直流電能的互相轉換的問題。3.4 輸電領域中的電力電子技術（1）動態(tài)無功功率補償（SVC）技術

10、電廠生產的電能，一部分可有效地做功，對應功率稱為有功功率；另一部分稱為無功功率。無功的存在使發(fā)電機功率因數降低， 諧波污染電網，增加發(fā)電機和其它電氣設備發(fā)熱，無功的波動使電網電壓波動。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）技術在遠距離輸電、跨海輸電、非同期（非同步）的電力系統(tǒng)實現聯網等方面，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、乃至數百萬千伏安的超大功率電力電子裝置才可以實現上述功能。（3

11、）消除諧波改善電網供電品質相位控制型電力電子設備是一諧波發(fā)生器，其大量的采用嚴重污染了公用電網，導致電力品質下降，危及電網安全運行；它產生的電磁干擾(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，特別是有源濾波技術，抑制諧波發(fā)生，實現綠色電源，是21 世紀必須要解決的問題。近年來，電力電子的環(huán)境及產業(yè)都有了很大的變化。整體而言，電力電子技術的發(fā)展在許多應用領域上獲得了認同?？偠灾?，在各種與電相關的地方，凡是要求調節(jié)控制以實現自動化、智能化的場合，電力電子技術將同微電子、計算機控制技術相輔相成，發(fā)揮巨大作用。4.電力電子技術的重要作用 電力電子技術在國民經濟和科

12、學技術的發(fā)展中正在并將要發(fā)揮越來越重要的作用。 （1）提高和改善電能質量 在現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，但用戶使用的設備常使電網無功損耗增加；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，使電網中出現各次有害的諧波波形，使電網發(fā)生嚴重畸變，已成為電網的一種公害，而采用由電力電子器件構成的各種控制器和補償器則可有效地提高和改善電能質量。近年致力研究的柔性交流輸電系統(tǒng)就是為了實現這一目標。至于建造經濟性和技術性均優(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。 （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、風機水泵、軋機冶煉、工業(yè)窯爐、輕工造紙、感應加熱、化工電焊等方面的調查，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。例如作為與物質生產息息相關、以功率處理為對象的電力電子技術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手段之一。 （3）改造傳統(tǒng)產業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產業(yè) 特別是電力電子變頻技術及高頻化技術的進一步發(fā)展，使機電設備將傳統(tǒng)的工頻技術突破，轉向高頻化發(fā)展。使機電設備體積減小了幾倍甚至幾十倍，趨

14、向高速化響應速度，并實現無噪音方向發(fā)展，從而實現最佳工作效率，提高了全新的用途及功能。 5 電力電子技術的發(fā)展趨勢 5.1 發(fā)展領域 當前電力電子技術迅速發(fā)展的應用領域有: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)，以及為了克服雪災造成停電時的融冰裝置等等。二是可再生能源如風力發(fā)電，光伏發(fā)電，燃料電池發(fā)電等等。說明電力電子技術正在向“發(fā)電”和“供電”的領域發(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，寬調速范圍，快速準確的動態(tài)

15、性能和搞故障容錯能力等。 （3）通用化 更有效地擴大應用范圍，從而降低生產制造成本。 （4）信息化 現代信息通訊技術滲透到電力傳動系統(tǒng)中，使其不但是轉換，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，大電流的問題關鍵是要生產出耐高壓，能承受大電流的電力電子器件及其串并聯技術。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 結束語 隨著科學技術的發(fā)展，電力電子技術所起的作用越來越大。在當今高新技術系統(tǒng)中不可

16、或缺，其應用領域幾乎涉及到國民經濟的各個工業(yè)部門。但是目前電力電子技術的發(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研究的精神去解決這些問題，實現突破。其重點的發(fā)展方向在于發(fā)展與能源直接相關的一些大功率乃至超大功率電力電子應用系統(tǒng)技術的研究。參考文獻：【1】王兆安 黃俊.電力電子技術.機械工業(yè)出版社.第四版.2001 【2】趙爭鳴.電力電子技術應用系統(tǒng)的一些新發(fā)展.清華大學電機工程與應用電子技術系.2005 【3】黃俊,電力電子變流技術,機械工業(yè)出版社,2001 【4】王云亮,電力電子技術,電子工業(yè)出版社,2004 【5】陳伯時.淺談電力電子技術和科學發(fā)展問題.電力電子學

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