電力電子技術領域中的研究熱點

1 前言

中國電工技術學會電力電子學會于2010 年在哈爾濱舉行了第十二屆學術年會， 諸多國內(nèi)從事電力電子技術領域的一流專家、學者、教授、企業(yè)家濟濟一堂， 就當前所關注的電力電子技術領域主要方向、熱點進行報告、研討和交流。

2 低碳經(jīng)濟與電力電子器件

低碳經(jīng)濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經(jīng)濟模式，其實質(zhì)就是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、追求綠色GDP，核心為節(jié)能減排。低碳社會的目標是和諧與可持續(xù)發(fā)展，基本國策為：節(jié)能+綠色新能源的開發(fā);減排+綠色能源的使用。低碳經(jīng)濟與電力電子技術應用在交通、能源、變頻技術、新能源、電動汽車、照明等領域，因此它在實現(xiàn)低碳社會的過程中起到重要作用。

電力電子器件是電力電子系統(tǒng)中的CPU，是節(jié)能減排、可再生能源產(chǎn)業(yè)的“綠色芯”。器件芯片的發(fā)展方向為： 薄片工藝、小管芯、大芯片、新材料、大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化、高可靠性。模塊的發(fā)展方向是：緊湊化、薄型化、智能化、無鉛化。

3 兆瓦級風力發(fā)電用變流器現(xiàn)狀及趨勢

(1)國內(nèi)外風力發(fā)電狀況目前全球風機裝機總?cè)萘勘仁昵霸鲩L了10 倍，我國累計裝機容量已超過德國躍居全球第二， 新增風電裝機容量躍居全球第一，成為全球風機生產(chǎn)十強之一。

(2)風電變流器及產(chǎn)業(yè)概況風電變流器屬于風力發(fā)電機組大型核心部件之一， 也是目前風電制造行業(yè)國產(chǎn)化水平較低的部件之一。近年來國內(nèi)企業(yè)在風電變流器研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面進行了巨大投入，且有了長足進步。

(3)超大功率風電變流器方案風電機組單機容量不斷增大，正向10 MW 邁進， 超大功率時代已經(jīng)到來。擴大容量的基本方案是模塊化設計。變流器的模塊化設計優(yōu)點有：易于容量擴大;有助于大規(guī)模標準化生產(chǎn)， 有效降低成本; 系統(tǒng)配置靈活、維修方便;優(yōu)化運行模式、提高運行效率和壽命周期。模塊化設計的基本方式： 相橋臂模塊設計;獨立AC/DC 設計;獨立AC/DC/AC+濾波器設計; 獨立AC/DC/AC 設計; 級聯(lián)多電平模塊化設計。超大功率設計的根本方法是提高電壓等級。

(4)關于低電壓穿越并網(wǎng)導則隨著風電場容量的擴大而不斷發(fā)展， 并更加關注于高壓輸電網(wǎng)穩(wěn)定的問題， 強調(diào)和細化了穿越過程中的功率控制(無功)。隨著大型風場的迅速增加，風機的暫時過壓已成為新的問題。大多數(shù)風機使用電壓源逆變器，當電網(wǎng)電壓超過某一限定值時，流過網(wǎng)側(cè)的電流可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)，導致直流電壓迅速增加。過壓產(chǎn)生的主要原因有： ①負載突然撤掉或大的電容器切入;②發(fā)生不平衡故障;③由于各國電網(wǎng)架構(gòu)的差異， 導致過壓可能有不同的峰值和持續(xù)時間特征， 因此國際上關注高電壓穿越電網(wǎng)要求各地不同。在澳大利亞， 電網(wǎng)導則規(guī)定風機忍受過壓30%持續(xù)60 ms。低電壓穿越方案的難點是：①滿足成本限制要求;②實驗與測試(電網(wǎng)與系統(tǒng))。總之要滿足并網(wǎng)導則要求， 對變流器的設計是一個嚴峻的考驗!

隨著“洋品牌”的不斷降價以及整機廠家的介入，新一輪的競爭將更加激烈;模塊化技術與中壓大功率是風機變流器的發(fā)展趨勢; 電網(wǎng)的友好接入和故障穿越技術是國產(chǎn)風機變流器研究面臨的新挑戰(zhàn); 風機變流器的國產(chǎn)化必然使我國的大功率變流器技術邁上新臺階。

4 電力電子在電動汽車中的現(xiàn)狀和前景

汽車工業(yè)是國家經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)， 在國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位， 給人們生活帶來極大便利。但隨著石油資源的過度消耗，地球環(huán)境受到嚴重污染， 汽車尾氣污染占我國城市空氣污染的60%以上。我國作為第二能耗大國，環(huán)境保護形勢日趨嚴峻。因此發(fā)展電動汽車符合世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護的重大需求。

電動汽車的特定要求包括：高速飛馳、頻繁啟動、制動、上下坡、快速超車、緊急剎車、振動、高溫高濕等。電動汽車分為三類：①純電動汽車完全由電池供電，采用電動機驅(qū)動，不消耗石油資源，清潔無污染， 真正實現(xiàn)零排放。電動機易于電子控制，可簡化甚至省去變速齒輪裝置，能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，回收能量，減少機械制動磨損;②混合動力電動汽車的動力裝置為電動機+內(nèi)燃機，通過控制系統(tǒng)可實現(xiàn)最佳能量分配，達到低能耗、低污染和高性能。混合動力電動汽車融合了傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的優(yōu)點，是當今新能源汽車的主流;③燃料電池電動汽車利用氫燃料與大氣中的氧發(fā)生化學反應，產(chǎn)生電能,通過電動機驅(qū)動汽車， 不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，且能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2～3 倍。

電動汽車以車載電源為動力， 用電機驅(qū)動車輪行駛。它涉及到機械、電力、電子、計算機控制等多種高科技產(chǎn)品。電動汽車的關鍵技術包括汽車技術、電力電子技術、信息技術和化學技術等。電動汽車中的電力電子技術包括： 汽車自動變速器的驅(qū)動控制、汽車電磁執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制、汽車電子點火系統(tǒng)、汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和汽車照明系統(tǒng)、汽車電源系統(tǒng)。電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，由電動機、功率變換器及其控制器、動力蓄電池、管理系統(tǒng)等組成。

車用驅(qū)動電機發(fā)展趨勢： ①永磁電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度高，具有效率高、功率因數(shù)高和可靠性高的優(yōu)點，采用矢量控制的驅(qū)動控制系統(tǒng)，可使永磁電機具有較寬的調(diào)速范圍; ②數(shù)字化是電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢; ③集成化體現(xiàn)在兩個方面，即電機方面為電機和發(fā)動機總成、電機和變速箱的總成。控制器方面為電力電子總成(功率汽車、驅(qū)動、控制、傳感器、電源等)。將能源多元化和動力一體化兩大趨勢相統(tǒng)一， 研究新一代電驅(qū)動平臺，搶占電動汽車高端前沿制高點。

5 電力電子技術在智能電網(wǎng)中作用

國家電網(wǎng)提出的智能電網(wǎng)概念可概括為： 構(gòu)建具有我國特色的特高壓、新能源、智能化電網(wǎng);其特征為信息化、數(shù)字化、自動化及互動化。

(1)電力電子技術在智能電網(wǎng)中將發(fā)揮不可替代的重要作用。電力電子技術的核心作用是實現(xiàn)對電能的控制與處理，其表現(xiàn)有：電路的無觸點快速通斷;改變系統(tǒng)的等值電氣參數(shù);實現(xiàn)電能形態(tài)的轉(zhuǎn)換與發(fā)生。電氣系統(tǒng)的目標：每時每刻保證電網(wǎng)的電力發(fā)生與負荷消耗之間保持平衡; 實現(xiàn)全系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟運行。就目前的技術手段而言，要實現(xiàn)電能的高效控制和利用，在很大程度上要充分利用電力電子技術與裝置來完成。

(2)智能電網(wǎng)貫穿在發(fā)、輸、配、用電全過程，而電力電子技術在每個過程都發(fā)揮著不同的作用。在發(fā)電系統(tǒng)中，電力電子技術發(fā)揮的作用：風電、太陽能等新能源的并網(wǎng)技術，控制發(fā)電機諧振技術等。在輸電系統(tǒng)中發(fā)揮的作用：高壓直流電技術聯(lián)網(wǎng)工程、電壓源換流器高壓直流輸電技術、靈活交流輸電技術等。在配電系統(tǒng)中發(fā)揮的作用：供電能力和供電可靠性的提升，節(jié)能降耗，配電網(wǎng)分布式發(fā)電與新能源接入技術， 電動汽車充放電站建設，雙向信息智能儀表。在用電發(fā)揮的作用：提高功率因數(shù)，減少無功潮流，降低電能損耗，抑制電壓波動和閃變， 減少非線性負荷引起的電壓影響和諧波干擾，三相負荷平衡化等。

(3)電力電子的負面作用和影響要引起高度重視。智能電網(wǎng)使電能質(zhì)量新問題更加突出。智能電網(wǎng)主要特征有：①數(shù)字化用電設備和系統(tǒng)上，數(shù)字化的一個特點是對電能質(zhì)量更加敏感， 要求也愈來愈高;②信息化和互動化，電網(wǎng)中的傳輸信息電壓帶來的電力干擾也逐漸嚴重; ③自動化和電力的高效控制，將引起大量電力電子裝置的應用，其快速切換、功率沖擊、非線性特征等將使電能質(zhì)量問題更加嚴重和復雜。

要解決智能電網(wǎng)的關鍵問題在許多方面都離不開電力電子技術。電力電子技術應用能提高輸

電能力，更加安全可靠、優(yōu)質(zhì)運行、精確/快速控制和儲能、新能源和分布發(fā)電。電網(wǎng)建設勢在必行，它極大地帶動了相關領域發(fā)展， 也為電力電子領域提供了機遇與挑戰(zhàn)。電力電子技術在智能網(wǎng)絡中必將發(fā)揮重要作用，充滿廣闊的應用前景。

6 結(jié)束語

電力電子技術將成為本世紀重要的支柱技術之一，通過這次學術交流會，特別是對一些熱點技術的討論， 都將對我國電力電子技術及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動作用。除了文中所述幾個熱點問題外，還有很多備受關注的熱點： 寬禁帶功率半導體器件的研究進展、IGBT 器件在軌道交通車輛中的應用、電儲能關鍵技術動態(tài)、我國特種電源技術領域典型進展等。在此次學術交流會上，不少專家和學者相繼發(fā)表論文， 對上述熱點問題給予闡述和介紹，在此不一一贅述，讀者如有興趣，請參考《電力電子學會第十屆年會文集》。