电力电子技术应用与发展 上海大学 陈伯时

电力电子学 Power Electronics （出现于20世纪60年代） 又名：*功率电子学 *电源处理 Power management

1974年，美国Newell提出： 电力电子学是由 电子学（器件、电路） 电力学（静止变换器、旋转电机） 控制理论（连续、离散） 三个学科交叉形成的。 现已与模拟电子学、数字电子学 并列成为三大电子学之一。

电力电子的出现，在强电和弱电两大领域之间构筑了桥梁，为生产过程的自动化和信息化奠定了强有力的基础。

1997－2010年电力电子应用的发展

电力电子的应用领域 1.各类电源系统， 2.电气传动系统， 3.电力系统。 电力电子器件的发展推动了 电力电子应用的更新和扩展。

（一） 各类电源系统中 电力电子技术的应用 输出恒频恒压电源，频率从0Hz（直流） 到几兆Hz，容量从几瓦到几十兆瓦。 （一） 各类电源系统中 电力电子技术的应用 输出恒频恒压电源，频率从0Hz（直流） 到几兆Hz，容量从几瓦到几十兆瓦。 *电解、电镀、……用的二极管或晶闸 管整流电源 *计算机、通信、电子仪器用的高频开 关电源(P-Mosfet, IGBT)

*不间断电源(UPS) *各类照明电源和节能灯 *汽车电子电源系统 *太阳能光伏电源 *电焊机电源 *核聚变反应堆大容量脉冲电源 …………。

各类电源用的电力电子变换器 AC-DC变换 二极管整流器 晶闸管可控整流器 DC-DC变换 直流斩波器－降压(Buck)变换器 升压(Boost)变换器 桥式PWM变换器

各类电源用的电力电子变换器（续） DC-AC变换 电压型PWM逆变器 电流型逆变器 多电平逆变器 多重化逆变器

（二）电气传动系统中 电力电子技术的应用 直流传动——晶闸管可控整流器 直流斩波器 直流PWM变换器 交流传动——交流调压器 （二）电气传动系统中 电力电子技术的应用 直流传动——晶闸管可控整流器 直流斩波器 直流PWM变换器 交流传动——交流调压器 交-直-交变频器 交-交变频器

现代可调电气传动的物质基础 电力电子变换器 微处理器：单片机、DSP、RISC 数据通信：现场总线、无线总线、 工业以太网

信息技术的进入 带来了自动化领域的三大变革 工业通讯技术进入现场信号连接领域－现场总线 计算机技术进入PLC控制领域 －基于PC的控制器 以太网技术进入工业管理领域 －工业网络系统

工业通讯技术的引入，改变了现场信号的连接方法——现场总线(FIELDBUS) 过去：控制器与现场设备之间的信号采用点对点的连接方法

点对点连接的缺点 以及对控制系统发展的限制 不能满足大量现场数据的传输 传输模拟量数据时，抗干扰性差 只能构成封闭式控制系统，不能实现不同系统的数据交换 大量的导线，安装复杂，调试困难 增加工程的投资费用

在工业控制系统中的信号的连接采用串联传输方法 ： 现场总线

串联传输的优点 为控制系统结构的发展提供了基础 能满足大数量、不同类型现场数据的传输 大大延长了传输的距离和扩展了系统分布的空间 实现了传输数据数字化、各种仪表的智能化 增强了系统的扩展性和灵活性，构成新型的自动控制系统结构 减少工程投资费用，减少了安装、调试时间 强大的在线诊断功能，减少停机时间，提高效率

2001年的电气传动

全球电气传动市场趋势

世界电气传动市场的发展 2000‘ ($ 12.5B) 2005‘ ($ 19.1B)

我国交流可调传动的发展 1978-1984 初创时期 1985-1992 应用发展，研究兴盛，大量引进，但国产变频器兴起又衰落。 1978-1984 初创时期 1985-1992 应用发展，研究兴盛，大量引进，但国产变频器兴起又衰落。 1993-1998 市场经济逐步成长。 1999-今 市场直线增长，新企业发展壮大，外资产品本土化。

交流调压器 M 3~ ~ TVC

交流调压器的应用 *异步电动机软启动器 *轻载降压节能运行 *变压调速系统

电压型交-直-交变频器 1 单 片 机 K UR R0 UI R1 Rb M 3~ ~ VTb R2 显示 电压 检测 泵升 限制 电流 温度 检测 电流 检测 设定 PWM 发生器 驱动 电路 接口

交流PWM控制技术 （1）基于正弦波对三角波脉宽调制的 SPWM控制； （2）基于消除指定次数谐波的HEPWM 控制； （3）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制； （4）电压空间矢量控制（SVPWM控制）， 或称磁链轨迹跟踪控制。

进线电抗器 二极管整流器虽然是全波整流装置，但由 于其输出端有电容存在，因此输入电流呈脉 冲波形，必须进行滤波。

谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视。 解决这个问题的办法： （1）采用有源滤波和无功补偿装置； （2）开发“绿色”电力电子变换器。 要求功率因数可控、各次谐波分量 小于国际和国家标准允许的限度。

“绿色”变频器 常压： 双PWM变压变频器 (380V) PWM整流＋PWM逆变 矩阵式变频器 中压： 三电平双PWM变压变频器 （3～10kV) 单元串联多电平变频器

电 磁 兼 容 性——EMC (Electromagnetic Compatibility) 在有限的空间、时间和频谱的 范围内，各种电气设备能够共存， 而没有引起性能下降的相互干扰。

EMC=EMI + EMS EMI (Electromagnetic Interference)—— 电气产品向外发出的噪声干扰处于标 准所允许的范围之内。 EMS (Electromagnetic Susceptibility)—— 电气产品具有抵抗外界电磁干扰的 能力。  

EMI 传导（谐波、脉冲电压、电流脉冲） 辐射（近场、远场）  

电磁干扰抑制技术 差模和共模干扰抑制 PCB板结构的优化 干扰反相消除 随机PWM

产品设计前，研究电磁干扰 的机理，建立各种电力电子器 件和变换器电路的高频模型， 以便进行仿真。 样机制成后，完善EMI测试, 保证产品的电磁兼容性。

传动技术发展趋势 智能型传动 控制系統 Field Bus 现场总线 IPEM Wire-Link 电缆 ASIPM IPM HYBRID Chip－IPM Optical-Fibre Link 光缆 IPEM Self-Diagnosis 自诊断 Wire-Link 电缆 Sensor-less Control 无传感器控制 ASIPM IPM Auto-Tuning 自整定 Field-Oriented Control 磁场定向控制 HYBRID V/F Control

高性能传动控制技术的演变 1993 2000 2005 2010 电力电子系统集成 智能控制与 電力電子系统集成 高性能传动 1993 2000 2005 2010 通用传动 控制技术 高性能传动 与一体化控制技術 智能控制与 電力電子系统集成 电力电子系统集成

(三）电力系统中 电力电子技术的应用 中国电力系统现状(到2002年底)： 发电装机容量达3.53亿kW,其中， (三）电力系统中 电力电子技术的应用 中国电力系统现状(到2002年底)： 发电装机容量达3.53亿kW,其中， 水电：8455万kW，火电：2.64亿kW, 　核电：370万kW,　风电： 发电量完成16400 亿kWh,其中， 水电：2710 亿kWh，火电：13420 亿kWh, 　核电：250 亿kWh 　风电：

中国电力系统现状（续１） 到2002年底： 35kV及以上线路总长度：806500 km 其中， 500kV线路： 34939km

中国电力系统现状（续２） 已形成7个跨省区域电网：东北、华北、华东、华中、西北、南方和川渝 5个独立省级电网：山东、福建、新疆、海南、西藏（未包括港澳和台湾地区） 电力体制改革:２个电网公司（国家电网公司和中国南方电网有限责任公司）和５个发电公司

中国电力系统现状（续3） “西电东送，南北互供，全国联网” 这是我国一次能源和负荷中心 分布不均衡和须在全国范围内实现 资源优化配置的目标所决定的。 这个目标工程正在逐步实现。

西电东送的3条通道 *南通道：云(南)电、贵(州)电东送广东； *中通道：川电、三峡东送华中、华东； 金沙江水电送华中、华东； *北通道：‘三西(蒙西、山西、陕西)’火 电、西北水电送华北、京津唐。 到2020年，三条通道西电东送的总容量 将超过1亿kW。　

远距离输电、大范围联网 的电力系统面临的问题和要求 安全可靠运行：不停电，事故后停电范围小，停电时间短。 经济运行：任何时刻应使发电机功率、线路中的有功和无功潮流分布最优，保证供电质量及运行稳定性以获得最大的技术经济效益。 电力设备（发电机、变压器、输电线）出力大，效率高。

问题和要求（续） 备用设备少。 对负载供电的质量好，对环境危害小。 能快速正确地处理事故，避免发电机失步、受电端电压崩溃、异步机停转、线路连锁跳闸、大面积停电。

在电力系统中引入不同类型 的电力电子装置和系统，可以 在很大程度上妥善地解决上述 问题。

电力系统中的电力电子装置 一、远距离高压直流输电 二、电力电子补偿控制器 三、输电线和电网的有功、无功潮流控制 四、电力系统故障后的应急处理控制 五、电能的快速存取

直流输电(HVDC)的优势 线路造价低，功耗小。 不存在发电机失步问题，输电线传输容量仅受导线发热和介质绝缘强度限制。 在正常稳定运行中的控制能力强（运行切换控制和运行参数控制），而且更快速灵活，容易进行潮流控制。

直流输电的优势（续） HVDC的快速控制能力可提高相邻交流系统或整个电力系统的动态性能，能较好的平抑振荡，改善振荡品质。 在长距离输电中，直流输电和交流输电比较时有一个“等价经济距离”，即线路达到一定长度时直流输电因少一根线所节约的线路投资等费用才能抵消变流器所增加的费用，目前的统计资料认为是500－700公里，随着电力电子器件的不断降价和电力电子技术的不断进步，等价经济距离将缩短到100公里。

国内现建直流输电系统 葛洲坝－上海 1990年 ±500kV/1.2kA 120万kW 1045km 天生桥－广州 2001年 ±500kV/1.8kA 180万kW 约1000km 三峡-常州 2002年 ±500kV/3kA 300万kW 约1000km 三峡-广州 2004年 ±500kV/3kA 300万kW 约1000km 贵州-广州 2004年 ±500kV/3kA 300万kW 约1000km

电力电子补偿控制器 功能：补偿与控制电力系统中的电压、电流、阻抗，用以补偿无功和抑制谐波，从而提高发电、输电、配电等设备的利用率，减少备用设备，使电力系统的运行更经济安全，控制更灵活有效。

1. 并联电抗补偿控制器 ①晶闸管投切并联电容器 TSC (Thyristor Switched Capacitor)

②晶闸管投切并联电抗器TSR (Thyristor Switched Reactor) ③晶闸管控制并联电抗器TCR (Thyristor Controlled Reactor)

2 .晶闸管控制并联制动电阻 TCBR (Thyristor Controlled Braking Rsistor)

3. 静止同步(无功)补偿器SSC或STATCOM (Static Synchronous Compensator) 或称静止无功发生器SVG(Static Var Generator)

4. 静止同步发电机SSG(Static Synchronous Generator) 实为有直流电源供电的电压型PWM逆变器 输出或吸收有功功率P和无功功率Q ，P、Q可双向流动。SSG是带储能装置的STATCOM。

5.有源电力滤波器 APF (Active Power Filter) A. 并联型电力有源滤波器 PAPF（Parallel Active Power Filter）或谐波电流补偿器HCC（Harmonic Current Compensator） B. 串联型电力有源滤波器 SAPF（Series Active Power Filter）或谐波电压补偿器HVC（Harmonic Voltage Compensator）

超导磁能储存器 SMES （Superconductor Megnetic Energy Storage） 或称“超导能量管理系统” SEMS（ Superconductor Energy Management System) 电压型PWM双向（四象限）变流器 两象限直流斩波器（T7、T8、D7、D8）

静止型快速励磁系统 SES （Static Excitation System） 快速调控发电机励磁电流， 调控发电机电压。

静止同步串联电压补偿器 SSSC （Static Synchronous Series Compensator）

统一潮流控制器 UPFC （Unified Power Flow Controller） 由一台 STATCOM 和一台 SSSC 通过直流侧耦合在一起，构成双变流器电力电子系统，但这时 SSSC 可产生任意数值和相位的串联补偿电压，而 STATCOM 可输出任意数值和相位的电压、电流，输出至电网的 P、Q大小和方向可控。

UPFC

通用用户电力调节器 UCPC (Universal Custom Power Conditioner)或统一能量质量调节器 UPQC

小 结 1 . 在交流输电中引入TSSC、TCSC等设备，使交流输电线极限传输容量增大、稳定性增强，功率振荡被抑制，潮流控制、电压控制更灵活，因而形成柔性交流输电系统 FACTS (Flexible A.C. Trans- mission System) (1986)，开创了电力电子技术在电力系统中应用的新阶段。

2 . 在现代电力系统中引入各类电力电子装置，可实现电压控制、潮流控制、功率平衡控制、电能存贮控制、电能质量控制以及事故应急处理控制等，有巨大的经济意义，有可能解决现代电力系统面临的众多问题。这种控制灵活的交、直流电力电子系统可以套用一个名词：“柔性电力系统 FEPS (Flexible Electric Power System)”。

3. 各类电力电子装置和系统被引入电力系统后带来了巨大的技术经济效益：输电线和配电网传输容量增加，电力设备（发电机、变压器等）出力增大，可以减少备用设备，电网潮流经济合理，电力系统能耗减少，电力系统功率不平衡得到控制，电力系统运行安全稳定性得到保证，事故时电压下降和功率振荡被抑制，可防止发电机失步退出，防止线路连锁跳闸而引起的电力系统崩溃和大面积停电事故。

（四） 电力电子器件的发展

现已广泛应用的可控器件 全控型器件： 电力场效应晶体管 (P-MOSFET) 绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 半控型器件： 晶闸管 (SCR，Thyristor)

全控型器件向高压、大电流方向发展 提高IGBT的电压等级——3300V，6000V 从 GTO 到 IGCT (集成门极换流晶闸管) (Integrated Gate-commutated Thyristor) 从 IGBT 到 IEGT (注入增强栅晶体管) (Injection Enhanced Gate Transistor)

P-MOSFET的特点 P-MOSFET 属于单极型器件，其优点是: 1.开关速度快，不存在反向恢复问题，允许工作频率高，容易串联运行； 2.通态电阻具有正温度系数，并联运行时有自均流特性。 但其耐压低，当电压在300V以上时通态 电阻大，只适于在小功率范围内工作。

P-MOSFET的新进展 1. Cool MOS —— 通态电阻只有常规MOS管的1/10左右，工作电压可以提高到1200V。 2. 超低通态电阻MOSFET管——可用于新型汽车电源(36～42V)和计算机电源(1V，甚至更低)，工作电流可达100A。 3. 超高频率MOSFET管——工作频率达到几百MHz，甚至GHz，进入微波频段，使一系列 超高频设备实现全固态化。

集成电力电子模块(IPEM) *电力电子器件制造、变换器拓扑、控制、驱动、保护等技术均已趋于成熟。 *电力电子装置仍建立在分立的器件、电路、部件的基础上，电力电子行业不但是技术密集型的，而且是劳动密集型的。 *现代化对电力电子产品的要求：高可靠性、高效率、高功率密度、低成本、低污染。 这就是当前对电力电子技术的新挑战！

集成电力电子模块（续） *新挑战的要求——标准化、模块化、集成化、可编程。 *PIC (Power Integrated Circuit,功率集成电路) 的尝试，在一块芯片上集成所有器件和电路，须要解决电绝缘和热绝缘问题，未获成功。 *IPM (Intelligent Power Module,智能功率模块)是折中的解决方案，已在小功率范围内广泛应用。

集成电力电子模块（续） IPEM (Integrated Power Electronic Module,集成电力电子模块) 内含功率器件、各种集成芯片、传感器、磁芯元件等完整的电力电子系统，无引线或用无感功率母线连接，采用标准模块封装技术，提供功率传输接口和数据通信接口。 其他名称：PEBB, MCM, SOC, SOP, PESI， 到2010或2020年，将实现象VLSI那样革命性的成就。

碳化硅(SiC) — 新型材料 一种新型的高温半导体材料： 工作温度可达600℃ PN结耐压可达5～10kV 导通电阻比硅器件小得多 导热性比硅好 漏电流特别小 现在碳化硅高压二极管、MOSFET管均已问世，估计10～15年后耐压上万伏的功率碳化硅器件将在市场上出现。

新一代的材料→新一代器件 →新一代电力电子装置和 应用。 可以预期，电力电子技术的应用将得到蓬勃的发展！

谢谢！