電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)

1 前言

中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會于2010 年在哈爾濱舉行了第十二屆學(xué)術(shù)年會， 諸多國內(nèi)從事電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一流專家、學(xué)者、教授、企業(yè)家濟(jì)濟(jì)一堂， 就當(dāng)前所關(guān)注的電力電子技術(shù)領(lǐng)域主要方向、熱點(diǎn)進(jìn)行報(bào)告、研討和交流。

2 低碳經(jīng)濟(jì)與電力電子器件

低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)模式，其實(shí)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(biāo)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(jì)與電力電子技術(shù)應(yīng)用在交通、能源、變頻技術(shù)、新能源、電動汽車、照明等領(lǐng)域，因此它在實(shí)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?yàn)椋?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(fēng)力發(fā)電用變流器現(xiàn)狀及趨勢

(1)國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電狀況目前全球風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘勘仁昵霸鲩L了10 倍，我國累計(jì)裝機(jī)容量已超過德國躍居全球第二， 新增風(fēng)電裝機(jī)容量躍居全球第一，成為全球風(fēng)機(jī)生產(chǎn)十強(qiáng)之一。

(2)風(fēng)電變流器及產(chǎn)業(yè)概況風(fēng)電變流器屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型核心部件之一， 也是目前風(fēng)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(fēng)電變流器研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)行了巨大投入，且有了長足進(jìn)步。

(3)超大功率風(fēng)電變流器方案風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，正向10 MW 邁進(jìn)， 超大功率時(shí)代已經(jīng)到來。擴(kuò)大容量的基本方案是模塊化設(shè)計(jì)。變流器的模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)有：易于容量擴(kuò)大;有助于大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行模式、提高運(yùn)行效率和壽命周期。模塊化設(shè)計(jì)的基本方式： 相橋臂模塊設(shè)計(jì);獨(dú)立AC/DC 設(shè)計(jì);獨(dú)立AC/DC/AC+濾波器設(shè)計(jì); 獨(dú)立AC/DC/AC 設(shè)計(jì); 級聯(lián)多電平模塊化設(shè)計(jì)。超大功率設(shè)計(jì)的根本方法是提高電壓等級。

(4)關(guān)于低電壓穿越并網(wǎng)導(dǎo)則隨著風(fēng)電場容量的擴(kuò)大而不斷發(fā)展， 并更加關(guān)注于高壓輸電網(wǎng)穩(wěn)定的問題， 強(qiáng)調(diào)和細(xì)化了穿越過程中的功率控制(無功)。隨著大型風(fēng)場的迅速增加，風(fēng)機(jī)的暫時(shí)過壓已成為新的問題。大多數(shù)風(fēng)機(jī)使用電壓源逆變器，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過某一限定值時(shí)，流過網(wǎng)側(cè)的電流可能發(fā)生倒轉(zhuǎn)，導(dǎo)致直流電壓迅速增加。過壓產(chǎn)生的主要原因有： ①負(fù)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(dǎo)致過壓可能有不同的峰值和持續(xù)時(shí)間特征， 因此國際上關(guān)注高電壓穿越電網(wǎng)要求各地不同。在澳大利亞， 電網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定風(fēng)機(jī)忍受過壓30%持續(xù)60 ms。低電壓穿越方案的難點(diǎn)是：①滿足成本限制要求;②實(shí)驗(yàn)與測試(電網(wǎng)與系統(tǒng))?？傊獫M足并網(wǎng)導(dǎo)則要求， 對變流器的設(shè)計(jì)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)!

隨著“洋品牌”的不斷降價(jià)以及整機(jī)廠家的介入，新一輪的競爭將更加激烈;模塊化技術(shù)與中壓大功率是風(fēng)機(jī)變流器的發(fā)展趨勢; 電網(wǎng)的友好接入和故障穿越技術(shù)是國產(chǎn)風(fēng)機(jī)變流器研究面臨的新挑戰(zhàn); 風(fēng)機(jī)變流器的國產(chǎn)化必然使我國的大功率變流器技術(shù)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(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)， 在國民經(jīng)濟(jì)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(yán)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(hù)形勢日趨嚴(yán)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(hù)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(jī)驅(qū)動，不消耗石油資源，清潔無污染， 真正實(shí)現(xiàn)零排放。電動機(jī)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(jī)械制動磨損;②混合動力電動汽車的動力裝置為電動機(jī)+內(nèi)燃機(jī)，通過控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最佳能量分配，達(dá)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(diǎn)，是當(dāng)今新能源汽車的主流;③燃料電池電動汽車?yán)脷淙剂吓c大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能,通過電動機(jī)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(jī)要高2～3 倍。

電動汽車以車載電源為動力， 用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛。它涉及到機(jī)械、電力、電子、計(jì)算機(jī)控制等多種高科技產(chǎn)品。電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和化學(xué)技術(shù)等。電動汽車中的電力電子技術(shù)包括： 汽車自動變速器的驅(qū)動控制、汽車電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制、汽車電子點(diǎn)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(jī)、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(jī)發(fā)展趨勢： ①永磁電機(jī)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(diǎn)，采用矢量控制的驅(qū)動控制系統(tǒng)，可使永磁電機(jī)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(gè)方面，即電機(jī)方面為電機(jī)和發(fā)動機(jī)總成、電機(jī)和變速箱的總成?？刂破鞣矫鏋殡娏﹄娮涌偝?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(diǎn)。

5 電力電子技術(shù)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(shù)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(shù)的核心作用是實(shí)現(xiàn)對電能的控制與處理，其表現(xiàn)有：電路的無觸點(diǎn)快速通斷;改變系統(tǒng)的等值電氣參數(shù);實(shí)現(xiàn)電能形態(tài)的轉(zhuǎn)換與發(fā)生。電氣系統(tǒng)的目標(biāo)：每時(shí)每刻保證電網(wǎng)的電力發(fā)生與負(fù)荷消耗之間保持平衡; 實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。就目前的技術(shù)手段而言，要實(shí)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(shù)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(shù)在每個(gè)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(shù)發(fā)揮的作用：風(fēng)電、太陽能等新能源的并網(wǎng)技術(shù)，控制發(fā)電機(jī)諧振技術(shù)等。在輸電系統(tǒng)中發(fā)揮的作用：高壓直流電技術(shù)聯(lián)網(wǎng)工程、電壓源換流器高壓直流輸電技術(shù)、靈活交流輸電技術(shù)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(shù)， 電動汽車充放電站建設(shè)，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(fù)荷引起的電壓影響和諧波干擾，三相負(fù)荷平衡化等。

(3)電力電子的負(fù)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(shè)備和系統(tǒng)上，數(shù)字化的一個(gè)特點(diǎn)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(yán)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(yīng)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(yán)重和復(fù)雜。

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

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

6 結(jié)束語

電力電子技術(shù)將成為本世紀(jì)重要的支柱技術(shù)之一，通過這次學(xué)術(shù)交流會，特別是對一些熱點(diǎn)技術(shù)的討論， 都將對我國電力電子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動作用。除了文中所述幾個(gè)熱點(diǎn)問題外，還有很多備受關(guān)注的熱點(diǎn)： 寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展、IGBT 器件在軌道交通車輛中的應(yīng)用、電儲能關(guān)鍵技術(shù)動態(tài)、我國特種電源技術(shù)領(lǐng)域典型進(jìn)展等。在此次學(xué)術(shù)交流會上，不少專家和學(xué)者相繼發(fā)表論文， 對上述熱點(diǎn)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(xué)會第十屆年會文集》。