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2015电力电子技术研究热点探索


电力电子技术研究热点探索
在当今工业自动化社会中,电能起着十分重要的作用,人均消耗的 电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。为了高质量 ,有效地使 用电能,生产总电能中越来越多的比例必须经过电力电子技术实行能 量变换,然后再用于工业和军事的需要。因为它对节能、减小环境污 染 ,改善工作条件 ,节省原材料 ,降低成本和提高产量等方面均起着十 分重要的作用。所以,电力电子

技术无论对改造传统工业还是对新建 高技术产业,均至关重要,从而迅速发展成为一个独立的技术和学科领 域。它已经或正在显示出,对一个国家工业的发展,和对一个国家在国 际市场激烈竞争中的地位,起着重要的影响。毫无疑问,电力电子技术 将成为本世纪乃重要关键技术之一。 电力电子应用领域广泛,是电力技术、电子技术、控制技术的结 合,其研究大体上可以分为两类:功率器件的发展和功率变换技术的 发展。功率器件毫无疑问是现代电力电子装置的核心,虽然它的价值 仅占总价值的 20%-30%,但是其尺寸性能是衡量一个装置的重要指 标,围绕功率半导体的研究一直是热门领域。功率变换技术就是实现 从一种幅值、相位、频率的电能向另一种幅值、相位、频率的电能变 换的技术,其一直是电力电子技术中最为基本也最为共性的技术。功 率变换技术研究的目标主要是:节约能源,提高效率同时应减小变换器 的大小和重量,降低谐波失真和成本。围绕功率变换技术的研究中重 点是四大变换结构,即直流-直流、直流-交流、交流-交流、交流-直 流变换器。回顾这些年结构特性,可以得到两个趋势:减少元件数的

结构和增加元件数的结构。 减少开关元件的结构研究已经持续很长时 间, 这是因为开关器件成本比较高导致的, 但是随着开关器件的发展, 这种趋势也在改变,从效率、稳定性、改善畸变程度来说,增加开关 器件数量具有一定优势。 值得注意的是对电力电子变换器的状态监测 和保护越来越受到重视。 首先考虑到电力半导体设备是至关重要的元 件,为了系统可靠性必须去实时监测(condition monitoring)它;其次 热机械疲劳是现代 IGBT 变换电路的主要磨损因素,故开关器件热保 护问题也是值得关注的; 再次之电热的变换器和可靠封装模型正在发 展中,为工程师提供了实体基础,但是他们需要更加深入的研究这些 方案才能直接用于电路中。状态监测技术在很早就存在了,相比需要 嵌入在系统模型中的感应器来说是比较可行的方案,但是,仍需要对 故障机理进行更加深入的研究来增强对元器件足够的保护。 关于变换器拓扑结构和控制研究在不同应用中有各自的侧重点, 这里不一一阐述。 本文接下来将从数个热门应用中试图窥探出电力电 子未来的发展趋势。

1)Power Supply on Chip--电源芯片
片上电源系统或者说电源芯片系统近来引起极大的关注, 它包含 两个方面的内容,其一是用更小、更高效、更加集成化的 DC-DC 变 换器来取代成本低廉但是低效的线性稳压器; 另一方面是集成微型处 理器的控制方案,虽然这会让电源芯片具有更加复杂的结构和控制 器,但是拥有着最优的输出和最小的能耗。 电源芯片需要解决的一个最主要的问题是减少电感元件的尺寸,

虽然可以通过提高开关频率的方式来解决, 但是这样一来就增加了开 关和线圈损耗。这就需要在开关硅和氮化镓元件的发展。 电源芯片未来的研究热点可能有以下几个方面: 1.减少芯片封装尺寸, 增加电流密度, 减少控制器 (ASIC、 FPGA 等)的驱动电压等级。 2.提高效率或者是在相同效率下提高功率密度,提高开关频率到 10MHz 且不改变器件功能。 3.减少成本和更加先进的集成封装技术(倒装芯片技术、超压膜 封装等等) 。 电源芯片系统是学科结合型研究方向,需要多领域的投入。高集 成度的电源管理系统未来商业前景显著, 这需要半导体制造商和电源 制造商之间的合作才能实现。 鉴于电源芯片有着更大的输出电压和更 宽的输出电流,相信不久的未来其会替代传统的印刷电路板(PCB) 。

2)Adjustable-Speed Drive --调速系统
自从发明了电机,机械加工便广泛采用这种电能转换装置。工程 师们发明出各种各样的控制技术来操控电机的转速和转矩来增强其 实用性。电力电子装置的出现对于电机来说至关重要,它使得电能利 率变得更加高效,电机控制变得更加多样,可以说今日之世界经济很 大一部分程度要归功于电力电子学科的发展。 对于二者共同的近期研究问题有: 长导线效应对电机控制的影响 以及消除方法,电机高速控制技术,在高危区域安装电机的挑战等。 就分类来说,异步电机的研究热点如中压电机的保护问题,包括

热保护和温度消除、定子绝缘检测和故障保护、轴断裂检测、转子铜 条\铜环损坏检测、气隙偏心度检测等,还有减少异步电机运行损耗 的问题。同步电机中的研究热点是永磁同步电机(PMSM) 。永磁同 步电机优势很多,比如高可控性,高效率,高功率密度,对环境耐受 能力强等等。 一些问题如: 永磁同步电机的设计, 直接转矩控制 (DTC) 研究,无传感器控制研究,短路模型研究等等。永磁同步电机的制造 材料是稀土元素,由于稀土元素产量较低,价格昂贵,未来的发展趋 势是制造非稀土或者少稀土的永磁同步电机。

3)Light-Emitting-Diode--发光二极管
发光二极管(LED)主要应用于车灯、家用照明和装饰、路灯、 LCD 背景光源、交通信号灯。它被认为是替代传统光源的最佳选择 是因为它具有以下的优点:1.在合适工况下使用寿命长达十万小时; 2.制造材料无汞,半导体材料可回收,对环境友好;3.发光效率非常 高,超过 150lm/W;4.可以有不同种的颜色,应用场合多样化。 最新的研究热点是对 LED 整流器的设计,包含以下几个方面: 1.在考虑 LED 效率、寿命、温度、应用场合的条件下设计它的驱动 方式;2.整流器必须具有鲁棒性和耐用的特点;3.整流器必须提供一 个控制严格的高效电流源,来应对系统可能出现的各种问题,比如 LED 等效电阻的变化、周围环境温度变化、不可预测的短路故障等 等; 4.输入电流 THD 值必须满足要求; 5.针对色温和色品的控制要求。

4)Sustainable Energy--可持续能源
人类的能源来自化石燃料, 其能量释放的后果是产生大量二氧化

碳,使得温室效应加剧,全球变暖现象凸显。因此人类不得不寻找替 代的可持续的清洁能源。可持续能源的内容不仅仅包含可再生能源, 如太阳能、风能、潮汐、地热、氢能、生物能等等、还包括它们的转 化效率、传输、储存等问题。在这之中电力电子变换装置将扮演一个 举足轻重的角色。 比如太阳能发电系统就需要一个低压逆变器来将电 能传输给电网,或者是用直流—直流变换器将其储存在电池中;又比 如海上风力发电系统, 需要一个高压直流传输系统来将电能传输至岸 上的变电站, 与此同时还要求电能传输系统的电能质量高, 稳定性好, 效率更高。 因此就需要由电力电子装置构成的滤波器和潮流调节器等 等。 就光伏发电系统而言,近期的研究热点有:1.光伏逆变电网的故 障自诊断和低电压穿越技术, 虽然智能电网的发展要求其发生故障时 运行在孤岛模式下, 但是故障发生时电力设备仍趋向于损坏或者是不 稳定,故发展自诊断技术有利于实时监控功率单元,达到提前知晓故 障发生的目的。2.光伏微型逆变器的电容解耦技术,以提高可靠性; 3.有关光伏逆变器装置拓扑结构的研究等等。 就风力发电系统而言, 近期研究热点有: 1.中压直流-直流变换器 的拓扑结构,控制策略;2.三相 PWM 调制方法;3.最大功率点跟踪 策略;4.次同步谐振问题;5.高效无刷双馈电机的设计和控制。 就能量储存系统而言,近期研究热点:1.微型光化学电池的制造、建 模、测试;2.车载蓄电池的回收再利用;3.动能收集系统,包括收集 器的复杂程度、最大化提取能量的效率的研究等。

5)Electric Vehicle--电动汽车
交通工具正在朝着对环境更加友好,更加可持续的方向发展,电 动车因为其环境污染小和经济效应高的特点成为了未来交通工具最 佳研究方向。电动车不仅更智能,更高效,更可靠而且更安全,其包 含的技术有: 电力电子技术、 电力传动技术、 电机设计、 电化学系统、 能量储存技术、传感器技术和嵌入式软件技术等等。电动车目前可分 为:多电汽车,混合动力车,插电式混合动力车和全电动车。 电动车的研究方向包括:车载电力电子设备和电力拖动设备,电 力或者混合动力总成及其控制,传动装置,电池和电能储存技术,车 载或者非车载充电技术, 电动车能量馈入电网技术和针对电动车元器 件的技术。 目前主要的研究热点是:电动车的充电技术,包括其充电器拓扑 结构、充电速度、能量流动的方向(单向或者双向)等。电动车充电 设施的充电等级可分为 I、 II、 III 等, 对应经济 (1.5kW)、 基本(3.3kW)、 快速(50+kW)的充电方式。充电器可分为车载和非车载,能量流动可 分为双向和单向。单向无需复杂的设备,简化了连接问题,而双向充 电器则可以让电动车多余的能量回馈给电网, 或者是在紧急时刻让电 动车充当电源的作用。 未来电动车能否成为大众交通工具的要素有以下几点:1.是否有 足够的充电基座或者相应的基础设施;2.充电过程的可靠性、效率、 安全性;3.充电系统和充电时间的综合成本是否能被消费者所接受。

6)Wireless Power Transfer--无线能量传输

无线能量传输是指不需要导体就可以实现电能在空间内的传输。 其不仅包含能量发射的问题,也包括能量接收和储存的问题。根据其 传输的方式可分为辐射式和非辐射式。 辐射式就是通过天线将电能以 电磁波的形式传输至很远的距离, 但是由于电磁波是全方位的传输方 式,其传输效率非常低;非辐射式无线能量传输是通过两个近磁场相 互耦合的导体线圈产生磁共振来传输能量, 根据其传输的距离可分为 短距和中距。 短距无线传输应用在许多场合,交流电机就是典型的应用,它通 过定转子线圈的耦合将电能传输给转子并转换成为机械能。 又比如一 些生活中的应用如,给手机和给电动牙刷充电的无线充电器等等。短 距无线能量传输在家庭和工业应用如今已经发展的比较成熟, 中距无 线能量传输开始成为研究热点。 中距无线传输是指发射源和负载之间 的距离大于线圈谐振器的尺寸。 其原理仍是特斯拉一个世纪前发现的 线圈间互感原理。 目前研究表明两线圈系统(应用最大效率传输)适用于短距传输 最好,但是随着传输距离增加,效率迅速减少。增加了两个互感耦合 线圈的四线圈系统(应用最大功率传输) ,能灵活地调节阻抗,因此 能最大化传输距离,但是会损失效率。如果既增加传输距离又不减少 效率,可以使用继电谐振器或者是多米诺谐振器(如图) ,它们是最 新的研究方向。

图 1.多米诺谐振器示意图 (a)直链型;(b)一链分两链型; (c)曲线型;(d)两链合一链型

图 2.多米诺谐振器实物图

无线传输今后的研究热点将会是:低损耗高频率电源,传输效率 更高的谐振器设计,动态传输功率和频率的控制策略,对人体的暴露 辐射问题。

7)DC Distribution Systems--直流配电系统
配电系统的研究可分为交流配电系统和直流配电系统。 交流配电 系统是目前广泛应用的配电方式。目前研究的热点有:1.配电网络故

障定位,低中压配电线往往有多个分支,不平衡的负载和测量点的缺 少导致故障定位的困难;2.高频交流配电,首先被 NASA 应用于太空 项目上,高频交流输电更加高效、功率密度更高、更加稳定,同时可 以减少变压器的连接头;3.固态变压器,传统变压器与 AC-AC 变换 器相结合的新应用;4.基波电压测量和锁相环技术。 因为化石能源会逐渐枯竭, 可再生能源已经引起了人们极大的关 注。但是这些能源有共同的自然特点,就是会随着季节环境的变化而 变化,比如风力发电中的风能资源在一年当中的分配是不均匀的,其 发出的电能有时是不连续的, 如何高效使用这种不稳定的能源是至关 重要的问题。 直流配电系统被认为是一个不错的方案, 它有许多优点: 系统整体高效率,易于可再生能源的接入,易于扩展容量,同时没有 频率稳定、无功问题、表面效应和交流损耗。 直流配电的研究热点是: 1.直流输电拓扑结构, 能量储存和管理; 一个新能源系统包含双向 DC-AC 变换器,可再生能源处理,负载调 节,双向充放电结构等等,其在电动汽车上的应用比较热门;2.直流 母线和交流电网接入研究, 新能源发出的电能必须能跟现有交流电网 连接, 故存在接入问题研究, 其中双向 DC-AC 变换器也是研究重点, 因为它能调节交流母线和直流母线间的能量流动;3.变换器模组,应 用场合很多如充放电、最大功率点追踪、启动/停止、负载功率调节 等等。值得说明的是这些变换器模组不单单只用于直流配电,还可以 用于 驱动 LED 、电动 机等; 4. 调制策略 和控制方案;针 对双向 DC-AC/DC-DC 变换器的建模和控制比较热门; 5.直流母线电压调节,

因为直流负载可以直接接在直流母线上,负载波动导致母线波动,所 以直流滤波环节,负载软启动/软关断等都需要进一步研究。 相比以上的研究热点,还有许多直流配电的研究方向,如插头插 座,断路器,保险丝,安全标准等等都需要得到发展。

8)MicroGrids--微电网,智能电网
未来世界需要一个更加 “聪明” 的电网, 希望它更加稳定、 灵活、 高效,与此同时还能与新能源相结合,微型电网(又称智能电网)便 是这样一个解决方案。微型电网的定义是:一个包含着能量转化装置 (风电,太阳能,发电机等) ,电力电子变换装置,分布式电能储存 系统和本地负载的既可以自主运行又可以并网运行的电网。 其功能必 须包含有黑启动, 频率电压稳定, 有功和无功潮流控制, 主动式滤波, 能量储存等等。这样的话电能可以由负载附近的地点产生,提高了电 网的稳定性,减少了大型输电网络产生的损耗,也许未来你所使用的 电能是由你的邻居发出的。就目前科学水平而言,微型电网的实现需 要多学科结合,如电力电子、电力系统、能量储存、远程通信、信息 技术等等。 以下几个研究方面可能是引领微电网技术的发展趋势。1、新型 材料的电力电子器件,如碳化硅器件、纳米管器件等;2、微型电网 的保护技术,如电网故障控制、孤岛抑制等;3、能量储存技术,当 微电网孤岛运行时,能量储存对于电网稳定和平衡起着重要作用;4、 电网接入技术,由于分布式发电系统(太阳能、风力发电)增加,那 么其接入电网的技术将是研究重点;5、分布式发电系统,新能源如

光伏太阳能、风能、潮汐能、燃料电池等等都可以认为是微电网中的 分布式发电机,其原理、控制、效率、保护和接入电网电能的质量都 是研究热点;6、电能传输方式,尽管微电网很大可能使用交流电系 统,但是直流输电系统由于其一些优秀的特性,如没有交流电中诸如 谐波、同步、有功无功潮流问题等,有可能成为微电网未来电能传输 的趋势。这方面以高压直流输电系统(HVDC)为代表。 微电网的研究兴起源于新能源系统的加入, 由于这些新能源系统 往往分散在各个地方,所以其电能的输送就成为了研究热点,从而诞 生了微电网的概念。未来电网如果都由微电网组成,那么每个微电网 自身就是一个发、输、配、用的系统。微电网与微电网之间通过连接 线来保持电能平衡,以提高稳定性。所以一切有关新能源的研究问题 也可以成为微电网研究方向。

9) High Voltage Direct Current Transmission--高压直流输电
高压直流输电(HVDC)被认为是下一代电网传输的主要组成部 分。它的使用场合往往具有以下特点:1.长距离传输或者电缆之间有 交叉连接的地方;2.非同步连接(发电频率不相同) ;3.需求功率潮流 快速控制。其应用的成功很大程度上是依赖电压源型变换器的发展。 相比电流源型变换器,电压源型变换器具有很多优势,比如其不需要 同步电机就可以接入系统、短路电流容量小、可以分别控制有空和无 功、较高的开关频率可以减少滤波装置尺寸、可以扩展成多端系统提 高效率。但是 HVDC 也有缺陷,就是不能通过降低直流电压的方式 来消除直流侧长时间故障,必须在交流侧安装断路器。

HVDC 近年来受到研究者们极大地关注, 首先是这个问题非常适 合大学做研究,因为其要求研究人员对系统要求,变换器拓扑,元件 耐压程度都有足够的知识。其次,功率半导体器件和微型处理器的发 展推动了 HVDC 的研究。最后,许多专家学者都预测 HVDC 技术将 会是未来电能传输的发展方向。 HVDC 的研究热点:1.HVDC 系统设计和控制;2.多端 HVDC 系 统;3.HVDC 在新能源系统中的应用;4,变换器的新拓扑和新控制 策略; 5.变流站和传输设备; 与此同时 HVDC 断路器研究也是热门方 向。

10)Modular Multilevel Converters--模块化多电平变换器
模块化多电平变换器(MMC)近年来受到广泛关注是因为其在 高压直流输电系统中的应用,但是由于其特性优异,也可以应用在其 他方面,如电能调节和电机驱动上。模块化多电平变换器顾名思义就 是由许多完全相同的标准功率单元相级联应用在中高压场合的变换 器。其高度模块化的结构易于扩展,提高了系统冗余和容错率,增强 了输出波形,另外它还有无变压器操作的能力,但是带来的问题就是 更加复杂的控制策略。MMC 的研究主要集中在:1.拓扑结构和应用 场合;2.建模和仿真;3.调制方式和控制策略。 未来 MMC 的研究趋势是:1.优化控制策略,为了减少电压波纹 往往在电容器上投入很大,所以优化控制方法以减少电容器的容量; 2.增加集中利用控制总线的能力,这需要构建一个高速大带宽的控制 网络,或者是发展分布式控制策略以减少对控制总线的要求;3.发展

新兴半导体制造技术,来增加变换器模块的功率,减少其损耗;4.加 大对 MMC 内部和外部故障的研究, 变换器的控制方案必须使其能快 速调节故障电流,而不是安装巨大且昂贵的断路器。

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