电力电子技术的应用及其发展

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三部分,是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展,电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等血多领域密切相关,已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。下面着重讨论电力电子技术在电力系统中的一些应用。

一、发电环节

电力系统的发电环节设计发电机组的多种设备,电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。

大型发电机的静止励磁控制。静止励磁采用晶闸管整流自并励方式,具有结构简单、可靠性高及造价低等优点,被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间环节,因而具有其特有的快速性调节,给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有力条件。

水力、风力发电机的变速恒频励磁。水力发电的有效功率取决于水头压力和流量,当水头的变化幅度较大时(尤其是抽水蓄能机组),机组的最佳转速亦随之发生变化。风力发电的有效功率与风速的三次方成正比,风车捕捉最大的风能的转速随风速而变化。为了获得最大的有效功率,可使机组变速运行,通过调整转子励磁电流的频

率,使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。此项应用的技术核心是变频电源。

二、永磁无刷电动机及其“直流变频”调速

永磁无刷电动机采用永磁代替电流激磁,可使电机效率提高4-8个百分点。当它用位置传感器或靠软件计算代替位置传感器信号按电子换向器控制工作、电枢电流为方波运行的,即为永磁无刷直流电机模式,又称“自控式同步电机”。当它靠外加变频器控制、电枢电流为正弦波运行的,则为永磁同步电动机模式,又称为“他控式同步电机”。这种电机兼有交-直流电动机二者的优点,调速范围宽,电机结构简单,低速转矩比较大,对电动机械来讲有可能做到在很宽速度范围内直接驱动,从而减少噪声(免去变速箱或皮带传动),还有电机惯量小等长处。

三、在高压直流输电(HVDC)方面的应用

直流输电在技术方面有许多优点:(1)不存在系统稳定问题,可实现电网的非同期互联;(2)可以限制短路电流;(3)没有电容充电电流;(4)线路有功损耗小;(5)输送相同功率时,线路造价低;(6)调节速度快,运行可靠;(7)适宜于海下输电。随着大功率电子器件(如:可关断的晶闸管、MOS控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等)开断能力不断提高,新的大功率电力电子器件的出现和投入应用,高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善,设备结构得以简化,从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。

四、在电力谐波治理方面的应用

有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在20世纪70年代初提出来的,即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着中国电能质量治理工作的深入开展,使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。

五、电力电子技术在电动车驱动系统中的应用

下图给出了电动车驱动系统的大致框图,其中主要由电机、功率变换和控制技术三部分组成。

电动车用电机及其控制图如下:

为了满足电动车驱动系统性能和现有电机控制技术的需要,目前国外电动车实际应用的电机主要有交流永磁同步电机和开关磁阻电机。

以交流同步电机和无刷直流电机为代表的交流永磁电动机具有低重量、低损耗、高效率、高能量密度、高可靠性和免维修等优点,使得交流永磁电动机在电动车中得到了广泛应用。然而传统的交流电机控制方法如变压变频(VVVF)并不能满足电动车进一步改进性能的要求。一个主要原因就是直交轴互相作用的非线性动态模型。随着微机时代的出现,磁场定向矢量控制(FOC)技术目前已发展成熟,广泛应用于交流电机。

尽管开关磁阻电机的原理已经有近百年的历史了,然而它的广泛应用却是最近几年的事。开关磁阻电机结构紧密、坚固、效率高,低速时可提供很大转矩,且驱动器结构简单。它的缺点也很明显,振动大,噪声大,特别是仍需励磁,使得它的效率和能量密度不能和交流永磁电机相提并论。

电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺,已成为世界各国工业自动化控制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地,各发达国家均在这一领域注入极大的人力,物力和财力,使之进入高科技行业,就电力电子技术的理论研究言,目前日本、美国及法国、荷兰、丹麦等西欧国家可以说是齐头并进,在这些国家各种先进的电力电子功率量不断开发完善,促进电力电子技术向着高频化迈进,实现用电设备的高效节能,为真正实现工控设备的小型化,轻量化,智能化奠定了重要的技术基础,也为21世纪电力电子技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。我国开发研制电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比,仍有较大的差距,要发展和创新我国电力电子技术,并形成产业化规模,就必须走有中国特色的产学创新之路,即牢牢坚持和掌握产、学、研相结合的方法走共同发展之路。从跟踪国外先进技术,逐步走上自主创新,从交叉学科的相互渗透中创新,从器件开发选择及电路结构变换上创新,这对电力技术创新是尤其实用的。也要从器件制造工艺技术引导创新,从新材料科学的应用上创新,以此推动电力电子器制造工艺的技术创新,提高器件的可靠性。由此形成基础积累型的创新之路。并要把技术创新与产品应用及市场推广有机结合,已加快科技创新的自我强化的循环,促进和带动技术创新有着稳定的基础,以使我国电力电子技术及器件制造工艺技术有以长足的发展,并形成一个全新的圾阳产业,转化为巨大的生产力,推动我国工业领域由粗板型经营走向集型,促进国民经济以高速、高度、可持续发展。

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