電力電子發(fā)展之我見(jiàn)

徐齊 嚴(yán)嘉豪 韓雷 文亮力

摘 要：電力電子經(jīng)歷了從無(wú)到有，從有到廣的過(guò)程。特別在近20年來(lái)，電力電子技術(shù)以它的強(qiáng)大生命力迅速發(fā)展壯大。說(shuō)到它的廣包括了很多方面：電力變換種類廣、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣、控制IC種類廣、應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣。在下文中我將針對(duì)電力電子發(fā)展史、電力變換種類和應(yīng)用領(lǐng)域談?wù)勛约旱睦斫狻?/p>

關(guān)鍵詞：電力電子;風(fēng)力發(fā)電;電子器件;PFC

1.電力電子發(fā)展史

大家普遍認(rèn)為，1957年在美國(guó)的通用電氣公司研制出了世界上第一個(gè)晶閘管，這一事件象征著電力電子技術(shù)的誕生。而我們把晶閘管出現(xiàn)之前的時(shí)期通常稱之為電力電子技術(shù)的黎明期也可以稱為史前期。史前期的電力電子技術(shù)的發(fā)展比較坎坷大致經(jīng)歷了以下事件：1902年制造出了第一個(gè)玻璃的汞弧整流器。1910年制造出了鐵殼汞弧整流器。用汞弧整流器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)和換流器這一操作的實(shí)現(xiàn)，成為了電力電子技術(shù)的發(fā)端。1920年經(jīng)過(guò)科學(xué)家不懈的努力試制出氧化銅整流器，并在1923年技術(shù)進(jìn)一步突破，出現(xiàn)了硒整流器。

晶閘管屬于半控型器件，其關(guān)斷通常依靠其兩端的電壓的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是晶閘管的應(yīng)用受到限制的一大弊端。在20世紀(jì)70年代涌現(xiàn)了大量的全控型電力電子器件，如：GTO、BJT、Power-MOSFET。其優(yōu)越的自關(guān)斷特性使其可以快速占領(lǐng)電力電子市場(chǎng)而且其優(yōu)越的控制特性使電力電子技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，把電力電子技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)全新的發(fā)展階段，具有跨時(shí)代的意義。在20世紀(jì)80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件在高壓大電流領(lǐng)域以極快速度發(fā)展起來(lái)并取得了巨大成就。

2.電力變換類型

電力變換的種類按其變換的電信號(hào)類型可分為四種：交直變換（AC-DC）、直直變換（DC-DC）、直交變換（DC-AC）、交交變換（AC-AC）。下面我就對(duì)這四種電力變換談?wù)勛约旱睦斫夂驼J(rèn)知。

AC-DC變換器又稱整流電路。傳統(tǒng)整流電路采用四個(gè)二極管將交流電整流成脈動(dòng)的直流電，再通過(guò)大電解電容濾波成紋波較大的直流電，后級(jí)加DC-DC變換裝置輸出就可以變壓或橫流。但這種做法存在一定的問(wèn)題，輸入的PF值在60%-70%左右，向電網(wǎng)注入大量諧波，這是不被允許的。所以PFC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，啟用獨(dú)特的控制方法使輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，以使輸入PF值接近于1。其中BOOST PFC變換器由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓紋波小、功率因素高且成本低在實(shí)際中受到了廣泛使用。PFC又包括雙級(jí)電路結(jié)構(gòu)和單極電路結(jié)構(gòu)：1、雙級(jí)電路結(jié)構(gòu)指前級(jí)為PFC、后級(jí)DC-DC變換電路;雙級(jí)電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于輸入PF值較單極電路結(jié)構(gòu)要高，輸出的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好，紋波也更小。2單極電路結(jié)構(gòu)指一級(jí)PFC直接滿足輸出要求，其優(yōu)點(diǎn)在于單極結(jié)構(gòu)效率高，成本低。

DC-DC電路又稱直流斬波電路。目前越來(lái)越向高功率密度、大電流、模塊化發(fā)展。傳統(tǒng)主電路拓?fù)溆懈綦x型和非隔離型：1、非隔離型包括：Boost變換器、Buck變換器、Buck-Boost變換器、Cuk變換器、Zeta變換器、Sepic變換器、電容泵;2、隔離型包括：反激變換器（Flyback）、正激變換器（Forward）、推挽變換器（Push-Pull）、半橋變換器（Half-Bridge）、全橋變換器（Full-Bridge）。新型的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有移相控制全橋軟開(kāi)關(guān)DC-DC變換器、有源鉗位正激變換器等等。

DC-AC電路又稱逆變電路。傳統(tǒng)的解決辦法是采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM），SPWM技術(shù)可分為單極性和雙極性。工程中多用雙極性SPWM，是因?yàn)樵谳敵鲭妷哼^(guò)零時(shí)，單極性的控制電路要輸出占空比接近于零的矩形波，較難實(shí)現(xiàn)，而雙極性控制電路只需輸出占空比為50%的矩形波即可，較容易實(shí)現(xiàn)。目前較為前沿的逆變技術(shù)是電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）。

AC-AC電路又稱交流電力控制。傳統(tǒng)的方法是用兩組晶閘管整流電路，一組輸出正壓，一組輸出負(fù)壓，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角的大小可以控制輸出電壓的幅值和頻率，但只能用于降壓和降頻，有很大的局限性且輸出電壓和電流的波形畸變較大。目前常用的方法是AC-DC+DC-AC兩級(jí)電路，這種方式可以方便的對(duì)電壓的幅值和頻率進(jìn)行升降調(diào)節(jié)。如果外加鎖相環(huán)的話既可實(shí)現(xiàn)兩電網(wǎng)間的相互供電，即是直流輸電的基本原理。

3.新能源發(fā)電于新型電力電子技術(shù)

下面我將從新能源并網(wǎng)、UPS電源、家庭常用電源說(shuō)起。

新能源并網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電和交流發(fā)電采用了大量的電力電子技術(shù)。1、在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變頻裝置對(duì)發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的能量傳遞起決定性作用。對(duì)于交直交變頻器來(lái)說(shuō)，它能夠有效地解決輸入側(cè)功率因數(shù)低、交交變頻器的輸出電壓諧波多等缺點(diǎn)，同時(shí)它能夠減少功率元件的使用數(shù)量，易于雙向變流和控制策略的實(shí)現(xiàn)。變速恒頻雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和無(wú)刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)用交直交變頻器效果就十分顯著。眾所周知，風(fēng)電機(jī)組在變速狀態(tài)工作可以采集并獲得最大的風(fēng)能而且可以采用機(jī)械應(yīng)力較小的材料以節(jié)省成本，減少噪音，所以在海上風(fēng)電場(chǎng)中，一般采用電力電子變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的控制。2、在光伏發(fā)電系統(tǒng)中最為重要的就是太陽(yáng)能光伏板和電池之間的DC-DC電路和電池與電網(wǎng)之間的DC-AC電路。獨(dú)立供電的光伏系統(tǒng)包含了上述的兩種電路;并網(wǎng)光伏系統(tǒng)采用的是光伏板到電網(wǎng)的一級(jí)DC-AC電路，中間不設(shè)儲(chǔ)能裝置。

UPS電源又稱不間斷電源，主要由整流器（PFC電路）、逆變器、蓄電池組、交流濾波器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)、旁路電源等組成。整流器將市電交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)濾波后供給逆變器并且給蓄電池提供充電電壓。逆變器是UPS的核心部分，為了能讓用戶得到所需的恒壓恒頻的交流電，它主要負(fù)責(zé)把整流濾波后得到的直流電或蓄電池儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，從而滿足用戶需求。靜態(tài)開(kāi)關(guān)采用的是兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管用于連接和切除負(fù)載。

家庭常用電源包括充電器、調(diào)功裝置。手機(jī)充電器一般采用的是反激變換器，電腦充電器一般采用半橋或全橋變換器。常見(jiàn)的調(diào)功裝置有臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)裝置、電熱爐發(fā)熱量調(diào)節(jié)裝置，采用的是兩晶閘管反向并聯(lián)通過(guò)關(guān)斷幾個(gè)整周波再接通幾個(gè)整周波來(lái)起到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

4.結(jié)束語(yǔ)

由以上討論可知，電力電子技術(shù)在最近的20年期間有了飛速的發(fā)展，并且不斷滲透進(jìn)我們生活的每個(gè)方面，它的出現(xiàn)大大加快了工業(yè)和社會(huì)電氣化的腳步，推動(dòng)了人工智能和大數(shù)據(jù)的發(fā)展。電力電子的的發(fā)展賦予了電氣工程新的生命，加快了電氣工程的自我革新。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

徐齊（1995—），男，漢族，四川遂寧，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

嚴(yán)嘉豪（1998—），男，漢族，四川樂(lè)山，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

韓雷（1998—），男，漢族，四川瀘州，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

文亮力（1997—），男，漢族，四川達(dá)州，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。