發(fā)布時間：2022-08-27 04:54:45
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的電力技術論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。
1節(jié)電技術
節(jié)電技術主要針對的電力設備，主要包括：（1）根據電機使用要求的不同，選擇合理、高效率的容量和類型，并利用先進的控制設備及調速方式，如，常用的變頻技術。（2）照明設施使用高效的照明裝置及線路，選用合適的照度。（3）參考符合的特性，為減小變壓器的電耗，需對其的容量、工作模式及臺數進行正確的選擇。另外，變壓器的負載率小于30%，要及時的更換。（4）針對電動設備（如，泵、風機等）提高用電效率時，需選擇合適的類型、運行方式和容量等。
2節(jié)電措施
（1）使用具有節(jié)能特性的新產品，提高并保證系統(tǒng)運轉的效率。生產設備（如，泵、風機等）和運行的設備（如，變壓器、電機等）都是消耗電能的直接對象，它們消耗電能的程度直接與運行性能的好壞緊密相關。隨著科技的快速發(fā)展，舊的生產設備的性能必然落后，設備的磨損導致性能的降低。故，通過節(jié)電技術改造設備的性能是十分有必要的。（2）對用電設備進行改造或更新，由于生產設備和運行設備一般對電能的消耗比較多，分析它們電能消耗和有效消耗之間的關系，找出耗電的主要環(huán)節(jié)，從而制定出合理的節(jié)點措施，在提高它們的運行效率的同時，降低電能的損耗。（3）利用具有低耗能、高效率的新工藝，降低產品的耗電量，并推行具有節(jié)能特性的新技術。新工藝和新技術的結合運用必然會使電能的消耗量降低。（4）使用經濟管理電力設備的方式，使電能消耗和設備運行成本得到最大可能的降低。
3新能源在電力設施中的應用
新能源的開發(fā)和利用，對電力的使用很大的影響：①新能源發(fā)電（如，太陽能、風能、地熱等發(fā)電）可以提高電力的容量，保證社會的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展，如太陽能、風能在照明設備中的應用。②與電力的結合使用：以燒水系統(tǒng)為例，直接用電燒水，電力消耗過大，可以利用太陽能將水加熱到一定溫度，再利用電能繼續(xù)加熱，這樣也可以直接減少電能消耗量。
二小結
【論文摘要】:電能高效潔凈地生產、傳輸、儲存、分配和使用的技術將成為電力技術的重點領域。
“電力技術是通向可持續(xù)發(fā)展的橋梁”，這個論斷已經逐漸成為人們的共識。研究表明，為了實現可持續(xù)發(fā)展，應盡可能把一次能源轉換為電能使用，提高電力在終端能源中的比例。因為，在保證相同的能源服務水平的前提下,使用電力這種優(yōu)質能源最清潔、方便，易于控制、效率最高。如果能將大量分散燃用的化石燃料都高效潔凈地轉換為電力使用，人們賴以生存的環(huán)境和生活質量就會大大改善。因此，電能高效潔凈地生產、傳輸、儲存、分配和使用的技術將成為電力技術的重點領域。以下將對若干電力前沿技術的現狀和未來發(fā)展前景進行簡單評述。
1.分布式電源
當今的分布式電源主要是指用液體或氣體燃料的內燃機(IC)、微型燃氣輪機（Microtur_bines）和各種工程用的燃料電池（FuelCell）。因其具有良好的環(huán)保性能，分布式電源與“小機組”已不是同一概念。
1.1微型燃氣輪機
微型燃氣輪機（MicroTurbine）,是功率為幾千瓦至幾十千瓦，轉速為96000r/min，以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型燃氣輪機，工作溫度500℃，其發(fā)電效率可達30%。目前國外已進入示范階段。其技術關鍵是高速軸承、高溫材料、部件加工等。可見，電工技術的突破常常取決于材料科學的進步。
1.2燃料電池
燃料電池是直接把燃料的化學能轉換為電能的裝置。它是一種很有發(fā)展前途的潔凈和高效的發(fā)電方式，被稱為21世紀的分布式電源。
1.2.1燃料電池的工作原理
燃料電池的工作原理頗似電解水的逆過程。氫基燃料送入燃料電池的陽極(電源的負極)轉變?yōu)闅潆x子，空氣中的氧氣送入燃料電池的陰極(電源的正極)，負氧離子通過2極間離子導電的電解質到達陽極與氫離子結合成水，外電路則形成電流。
通常，完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電池堆、燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電力電子換流器、保護與控制及儀表系統(tǒng)組成。其中，電池堆是核心。低溫燃料電池還應配備燃料改質器（又稱為燃料重整器）。高溫燃料電池具有內重整功能，無須配備重整器。磷酸型燃料電池（PAFC）是目前技術成熟、已商業(yè)化的燃料電池。現在已能生產大容量加壓型11MW的設備及便攜式250kW等各種設備。第2代燃料電池的溶融碳酸鹽電池（MCFC），工作在高溫（600～700℃）下，重整反應可以在內部進行，可用于規(guī)模發(fā)電，現在正在進行兆瓦級的驗證試驗。固體電解質燃料電池（SOFC）被稱為第3代燃料電池。由于電解質是氧化鋯等固體電解質，未來可用于煤基燃料發(fā)電。質子交換膜燃料電池是最有希望的電動車電源。
1.2.2性能和特點
燃料電池有以下優(yōu)點：（1）有很高的效率，以氫為燃料的燃料電池，理論發(fā)電效率可達100%。熔融碳酸鹽燃料電池，實際效率可達58.4%。通過熱電聯(lián)產或聯(lián)合循環(huán)綜合利用熱能，燃料電池的綜合熱效率可望達到80%以上。燃料電池發(fā)電效率與規(guī)模基本無關，小型設備也能得到高效率。（2）處于熱備用狀態(tài)，燃料電池跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1s內跟隨50%的負荷變化。(3)噪音低；可以實現實際上的零排放；省水。（4）安裝周期短，安裝位置靈活，可省去新建輸配電系統(tǒng)。
目前燃料電池大規(guī)模應用的障礙是造價高，在經濟性上要與常規(guī)發(fā)電方式競爭尚需時日。
1.2.3技術關鍵和研究課題
燃料電池的技術關鍵涉及電池性能、壽命、大型化、價格等與商業(yè)化有關的項目，主要涉及新的電解質材料和催化劑。熔融碳酸鹽電池（MCFC）在高溫條件下液體電解質的損失和腐蝕滲漏降低了電池的壽命，使MCFC的大型化及實用化受到限制。需要解決電池構成材料的腐蝕；電極細孔構造變化使電池性能下降等問題。固體氧化物燃料電池（SOFC）使用固體電解質且工作溫度很高,對構成材料及其加工有特殊要求。為了得到高溫下化學性穩(wěn)定和致密性（不通過氣體）的電解質，在氧化鋯中加入Y2O3生成釔穩(wěn)定氧化鋯。為了降低工作溫度，應盡可能減少電解質薄膜厚度。通常采用熔射法、燒結法和電化學蒸發(fā)涂層法制備電解質薄膜。實用的電解質膜的厚度為0.03～0.05mm。比較先進的已達到0.01mm。這樣薄的電解質陶瓷材料除應當有足夠的機械強度外，必須具有高度的氣體致密性，否則將喪失燃料電池的性能。燃料極使用鎳鋯等耐熱金屬陶瓷，鎳還用作燃料重整的催化劑，空氣極在運行中處在高溫氧化中，難以使用一般金屬。鉑的穩(wěn)定性好，但費用昂貴，需要尋找替代材料，可用電子導電陶瓷。為了降低工作溫度，另外一個重要的研究方向是尋找低溫的質子導電的電解質。工作溫度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造價就可以大幅度降低。
2.大功率電力電子技術的應用硅片引起的“第
2.1大功率電力電子器件的重大進展
電力電子學（PowerElectronics）的應用已經有多年的歷史。電力電子學器件用于電力拖動、變頻調速、大功率換流已經是比較成熟的技術。大功率電子器件（HighPowerElectronics）的快速發(fā)展也引起了電力系統(tǒng)的重大變革，通常稱為硅片引起的第。
近年來，大功率電子器件已經廣泛應用于電力的一次系統(tǒng)。可控硅（晶閘管）用于高壓直流輸電已經有很長的歷史。大功率電子器件應用于靈活的交流輸電（FACTS）、定質電力技術（CustomPower）以及新一代直流輸電技術則是近10年的事。新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應用，將成為電力研究前沿。
2.2靈活交流輸電技術(FACTS)
靈活交流輸電技術是指電力電子技術與現代控制技術結合以實現對電力系統(tǒng)電壓、參數(如線路阻抗)、相位角、功率潮流的連續(xù)調節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。超級秘書網
傳統(tǒng)的調節(jié)電力潮流的措施，如機械控制的移相器、帶負荷調變壓器抽頭、開關投切電容和電感、固定串聯(lián)補償裝置等，只能實現部分穩(wěn)態(tài)潮流的調節(jié)功能，而且，由于機械開關動作時間長、響應慢，無法適應在暫態(tài)過程中快速靈活連續(xù)調節(jié)電力潮流、阻尼系統(tǒng)振蕩的要求。因此，電網發(fā)展的需求促進了靈活交流輸電這項新技術的發(fā)展和應用。
1.1單片集成
單片集成是指在一片硅片內,使用統(tǒng)一的加工技能將所有需要集成的元器件進行集成。現今制造類工藝、隔離及散熱技術的不成熟、不完善,致使單片集成技術一般只適用于集成一些較小功率的電力電子電路。當然不可否認的是,電力電子集成技術的發(fā)展在今后極有可能以單片集成為主。
1.2混合集成
混合集成的方法能夠有效幫助解決電路之間由于工藝差異所造成的高電壓隔離問題,混合集成的集成程度偏高。但是混合集成也存在著部分難度偏高的技術性弊端、問題,如分布參數、傳熱等,且成本無法降到最低。因此,與單片集成不同的是,混合集成一般應用于中等功率的電力電子電路,未來可能會向大功率電路方面發(fā)展。混合集成作為當前電力電子集成技術的重要方式,其現實意義偏強。
1.3系統(tǒng)集成
系統(tǒng)集成是指將已有的元器件及部件進行集合拼裝,組成一個整體的系統(tǒng)。系統(tǒng)集成屬于功能集成,難度性與集成度都相對偏低,在當今工程技術領域應用廣泛。但是系統(tǒng)集成的集成度偏低,無法較好地使其體積及重量減小、降低,且構造復雜,集成優(yōu)勢無法明確體現。系統(tǒng)集成常用于大功率及結構復雜的電力系統(tǒng)。
2主要研究內容及現狀
2.1MCM封裝技術
MCM主要有三種類型:采用片狀多層基板的稱為MCM一L;采用多層陶瓷基板的稱為MCM一C;采用薄膜技術的稱為MCM一D。MCM的三種類型在應用中各有自身的優(yōu)缺點。MCM封裝能夠有效幫助增強系統(tǒng)的EMC、減小投資風險等。
2.2倒裝芯片技術
倒裝芯片技術是一種封裝技術,主要是指將晶片與基板直接接觸進行粘接。與傳統(tǒng)技術相比較,倒裝芯片技術的引腳位置將不再受局限,能夠隨意放置在位于晶粒正下方的所有位置,而不像以往一般,只能排列在晶粒下方的四周位置。倒裝芯片技術有利于大大縮短信號傳輸所用時間、弱化所受串擾,使電性能得到提高。倒裝芯片技術能夠使芯片尺寸封裝CPS得到實現。
2.3嵌人式封裝
嵌人式封裝是指將功率芯片放置在陶瓷框架被刻蝕出的空洞內,接著再利用光刻、絲網漏印等技術使涂覆的金屬膜圖形化,最后將集成模塊的大小主要部件粘附在功率芯片最表面。嵌人式封裝可以通過縮小模塊體積,將模塊功率密度有效地提高。
2.4新型的互連方式
2.4.1原有的互聯(lián)工藝方式
原有的互聯(lián)工藝方式主要分為鍵合與壓接兩種。壓接方式對零件的平整度要求較高,如若零件的平整度達不到要求,則會極易出現造成芯片損傷甚至碎裂的情況;而引線鍵合技術則存在著高頻電磁應力及局部寄生電感偏大等問題,嚴重影響鍵合壽命。因此,現人們已提出新的互聯(lián)技術方式。
2.4.2以焊接技術為基礎的互連工藝
以焊接技術為基礎的互連工藝采用層疊型三維封裝結構。三維封裝結構的工藝簡單,成本偏低,能夠有效解決層次間的垂直互連問題。焊接互連工藝分為焊料凸點互連技術和金屬柱互連平行板結構。焊料凸點互連技術能夠將引線之間的間距有效縮短。焊料凸點互連技術的接觸面積偏大、封裝密度偏高;金屬柱互連平行板結構是指通過金屬柱實現硅片之間的互連。
2.4.3以沉積金屬膜為基礎的互連工藝
以沉積金屬膜為基礎的互連工藝所采用的三維封裝結構為埋置型,能夠有效減少焊點及寄生參數。
3電力電子集成技術的發(fā)展趨勢
隨著現今的加工工藝及半導體材料的不斷改善及發(fā)展,單片集成及混合集成依舊具有一定的前景。將電力電子集成模塊的技術方面進行改善,能夠有效提高電路性能,減小其損耗。未來的電力電子集成技術一定會朝著將功率元件、電路元件、控制器以及動作開關等有效集成,形成系列完整、智能的電力電子標準模塊的方向發(fā)展。電力電子元件內部的集成度將會越來越高且成本逐步降低,且能滿足其生產各方面的需求。現今,電力電子集成技術在電氣設備的集成上已廣泛得到應用,系統(tǒng)集成技術已有較為穩(wěn)固的基礎,能夠有效幫助綜合電力系統(tǒng)不斷地穩(wěn)健發(fā)展。
4結語
欠壓法、欠流法、移相法、針對電能表安裝接線的缺陷竊電作為常見的竊電技術手段。根據常見的竊電技術手段，可采取以下防竊電技術措施，包括：應用防竊電計量箱；使計量回路封閉等。為了及時發(fā)現與處理用電異常情況，可采取以下先進的技術手段：采用遠程負荷監(jiān)控系統(tǒng)；采用具有防竊電功能的電能計量裝置；采用遠程抄表系統(tǒng)；采用反竊電式電表箱；安裝反竊電裝置等。雖然防竊電裝置和措施的應用，可對竊電行為起到一定的制約作用，但進行反竊電的效率降低，主要原因可能如下：局限性較大、實時性低下、缺乏良好的主動性及可靠性等。
2根據竊電特點采取適合的反竊電的技術對策
2.1針對電量的竊電采取的反竊電技術
2.1.1電量監(jiān)視器的安裝電量監(jiān)視器的安裝目的在于及時防治竊電行為，監(jiān)視器的設計基于先進的監(jiān)視方法，對電量情況展開全程監(jiān)察。對用戶安裝負荷管理終端，實時監(jiān)控用電客戶的電量使用情況。目前，我國各個區(qū)域已經普遍應用到防竊電裝置的監(jiān)視器，且裝置型號、功能逐漸多元化，其應用水平得到了持續(xù)的改進。
2.1.2具有防竊電功能電能表防竊電電能表的應用主要針對倒轉、脫鉤、電流短路、一線一地等竊電行為。根據實際情況選取相應的防竊電電能表進行電能計量。
2.1.3選擇適合的電計量設備----電流互感器在選擇電流互感器時，關鍵在于將其倍率控制在正常的范圍。一方面，若選取電流互感器的倍率過大，比如：電流互感器在額定電流低于本身20%的情況下，將會不斷增大電流互感器的電流量，從而造成嚴重的誤差值。另一方面，一方面，若選取電流互感器的倍率過小，比如：一次的電流互感器額定電流大于本身的20%的情況下，額定電流超出合理的范圍后，使電流互感器中的鐵心磁力處于飽和狀態(tài)，將會造成不同程度的電計量誤差現象。
2.1.4嚴格計量封印使用和管理對電表、互感器、接線盒、端子盒和計量箱（柜）等計量設備加封封印，對計量檢定、裝表和用電檢查的封印采用分色管理。對封印進行編號，實行系統(tǒng)管理封印的領用、安裝和報廢流程。
2.2針對繞越計量裝置接線的竊電技術
2.2.1配電室進行集中安裝電能電度表大部分竊電者主要通過應用改動計量表和接線的方法進行竊電，針對此方法大多配電室將集中安裝電能電度表，并進行加封電能表、加封加鎖計量箱（柜），從源頭上阻止竊電者改變電量計量。另外，部分區(qū)域通過組建專業(yè)的巡視隊伍，加強校驗、檢查、巡視管理等工作。
2.2.2于變壓器與計量屏之間應用三相四芯電纜部分高壓供電、低壓計量的用戶，可通過使用特制的鐵制箱進行遮罩住低壓端的出線套管，有效阻止竊電者將鐵箱打開，將無法在低壓端掛線。另外，鐵箱門鎖選用一次性的，一旦有竊電者破壞將會立即查出。同時，于變壓器與計量屏之間應用三相四芯電纜，有效避免短接竊電的計量裝置的產生。
2.2.3于防竊電裝置之中安置組裝電流檢測元件在配電變壓器的油箱中，低壓端的出線瓷套管的下方預留相應的地方，使組裝電流檢測元件可靈活置于防竊電裝置中，進行對比實測的電流值與電能表顯示的電流值，獲取的數值將可確定是否存在竊電行為。
2.2.4采取專用的計量柜保護電能表應該避免在計量柜外引接表尾零線，在電力營銷反竊電工作中必須采取專用的計量柜，且將表尾零線引接入計量柜內，有效連接配電變壓器相線與零線，封閉并直接引入柜中。
3反竊電技術的應用
3.1反竊電技術在居民用戶中的應用目前，我國居民比較少出現大額竊電現象，相關部門將計量箱安裝在每一戶的電能計量表外，以增大竊電難度。電力企業(yè)通過健全與完善用電檢查和稽查制度，嚴格按照《用電檢查管理辦法》，及時處理居民用戶違約用電行為，增強反竊電工作的規(guī)范性，依法加強企業(yè)合法權益的維護。
3.2反竊電技術在商業(yè)用戶中的應用部分商鋪的電能計量設備的安裝設備在屋內隱蔽部位，因此，電力企業(yè)工作人員必須加以勸導商業(yè)用戶的行為，使其更加配合反竊電技術應用工作的展開。基于用電安全的角度，更加方便檢修檢查的展開，所有電能計量表應該移位到室外合適的地方，并實施統(tǒng)一的監(jiān)察與管理。并且加大對商業(yè)用戶的用電檢查，特別是用電設備多、營業(yè)時間長，但是用電量不大的用戶。
3.3反竊電技術在養(yǎng)殖戶和小企業(yè)用戶中的應用養(yǎng)殖戶和小企業(yè)用戶大多接入電流互感器來計量電量，并將該設備安裝在獨立封閉的供電間，對原有的老舊裝置逐步改換成計量箱（柜）供電。為了進一步防止這類用戶竊電，可以將進戶線、互感器和計量表進行封閉管理，對箱柜上鎖上封。
3.4反竊電技術大電量用戶中的應用大電量用戶的電能計量設備的裝置地方大多在標準的配電間內，且配套標準的配電柜和計量柜，常規(guī)應用高壓計量方式進行電能計量。在用電普查中，對大電量用戶檢查大多需要采取相位儀著重檢查互感器二次接線的準確性。大電量用戶的反竊電工作發(fā)揮主體性作用，必須嚴格處理此類型用戶的竊電行為，才能避免出現安全事故，減少供電企業(yè)經濟損失。
4利用GPRS防竊電系統(tǒng)的應用
據相關數據調查表明，大部分竊電者會進行改動用戶端。因此，可將GPRS通信系統(tǒng)安裝在用戶端，通過該系統(tǒng)的模塊以實現反竊電的目的。GPRS防竊電系統(tǒng)的第一個模塊，進行采集和保存用戶端的信息，在虛擬硬盤中存納更多完整的信息。GPRS防竊電系統(tǒng)的第二個模塊進行對比相關數據，整個過程時間不超過30s，將在第一時間向終端反饋異常情況。通過全面利用GPRS防竊電系統(tǒng)，可進行的遠程控制電能計量裝置，為電力營銷部門提供具有時效性的監(jiān)督方式，且為用戶用電信息和保存工作提供重要的依據，切實增加反竊電的技術含量。
5對于反竊電技術的建議
第一，在小區(qū)內進行安裝現代化的抄表系統(tǒng)，以確保電力用戶的正常用電，持續(xù)提高居民小區(qū)管理水平。第二，將原有的室內安裝計量表及用戶設備移位到室外，實施統(tǒng)一的監(jiān)測與全程管理。第三，加強戶外電表的維護檢查，避免電表產生老化現象，在條件允許的情況下，應該及時更換新的設備。第四，進行戶外監(jiān)測用電量較大的“小用戶”，按時間段合理對比統(tǒng)一收集的數據。第五，充分使用計量自動化系統(tǒng)，設置電量異常報警，通過靈活應用先進的科技手段打擊竊電現象，持續(xù)提高反竊電水平。第六，加強計量設備資產管理和封印的管理。
6結束語
現代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現又會使許多應用產品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。
參考文獻：
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1.1電力通信專網支撐智能電網信息傳送信息通信、智能管理、采集控制是發(fā)展智能電網不可或缺的三大要素。電力通信專網中傳輸了大量的電網信息，生產自動化、電力營銷業(yè)務、調度自動化、辦公自動化等電網業(yè)務都需要依靠高速、實時、雙向的信息通信，為電網的基礎設施建設、先進工藝引進、智能設備應用創(chuàng)建出最優(yōu)環(huán)境。隨著國家電網公司建設“三集五大”體系目標的提出，為了提升電網的精細化、智能化管理與決策水平，信息與通信服務也逐漸向著一體化方向發(fā)展，與智能化的數據采集與控制系統(tǒng)相配合，為電網提供更加智能化的移動式服務。
1.2對傳統(tǒng)電網的智能化改造需要信息技術智能電網發(fā)展本質就是新型能源的大量接入以及大量智能化設備的應用。在對傳統(tǒng)電網的智能化改造中，信息技術發(fā)揮著重要的推動作用，智能電網、物聯(lián)網、三網融合、數字家庭、智慧城市等概念，無一不與電力通信有著密切關系。傳統(tǒng)的高頻通信、電力載波通信已經逐漸被電力光纖通信所替代，電力通信向著數據實時性更高、網絡更加穩(wěn)定、體系更加完善的方向發(fā)展，電網數據將為更多領域提供支撐作用，形成規(guī)模效益。
1.3智能電網各項業(yè)務需要發(fā)展信息技術在智能電網發(fā)展中，包括電力生產部門、調度通信部門、行政部門、信息部門、電力營銷部門在內的各個業(yè)務應用部門，都是由各類信息技術構架的電力信息通信網來進行信息傳輸，以光纜為代表的智能電網數據傳輸方式，經過PDH/SDH同步數字序列和同步技術，經過數據包交換后上送網絡，最終進入應用業(yè)務層，為繼電保護自動化系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、行政電話、電網管理業(yè)務、電力ERP系統(tǒng)、電力營銷自動化、遠程抄表、負荷控制等業(yè)務服務。
2電力信息和通信技術推動智能電網建設
2.1電力一次網與通信網的兩網融合電力一次網與通信網密不可分，隨著智能電網推進，電力一次設備也在逐步智能化，大量智能斷路器、智能開關等一次設備投入使用，數字化變電站的蓬勃發(fā)展，在簡化了電力二次接線的同時，也使得變電站對通信系統(tǒng)的依賴性更加增強。大量的合并單元和級聯(lián)裝置的使用，以及IEC61850標準的推行，使得數字化變電站的信息化、自動化程度進一步增強，市場信息、電網信息、用戶信息、網絡通信在通信系統(tǒng)中傳遞，電網設備的數據獲取、繼電保護、電網控制業(yè)務都需要通信網絡的支撐，進一步促進了電力一次網與通信網的兩網融合。
2.2電網相關的增值業(yè)務隨著各種特種光電復合纜技術的發(fā)展，電力光纖到戶已經具備了一定的技術基礎，智能電網下的光纖技術與電力線路相結合，有利于促進電力的業(yè)務網與信息網融合，實現資源共享與優(yōu)勢互補。一旦實現電力光纖到戶，電信網、廣播電視網、互聯(lián)網能夠融合發(fā)展，為電網提供多種增值服務，構建更加開放和共享的信息交互平臺。通過電力光纖技術，實現智能電網與用戶的實時雙向互動，為用戶的精細化用電、智能小區(qū)發(fā)展、階梯電價定價、智能充電樁提供信息平臺數據庫，并可以更好的實現電力營銷、電費征繳、用電信息通知、商業(yè)信息推廣等、用電安全知識等服務，實現電網業(yè)務與電信、交通、物流、金融等信息的全面融合，以及“電力流、信息流、業(yè)務流”的互動。
2.3電力信息和通信技術在智能電網建設中的具體應用
2.3.1發(fā)電領域在發(fā)電領域，智能電網的重要特征就是新能源的接入和消納，清潔能源接入電網后，必然對電網的電能質量、潮流計算、諧波成分等運行特性產生影響，必須要通過電力通信技術實現信息的采集和傳輸，實時傳送遙測、遙控、遙調、遙信等信號。此外，新能源并網后，與傳統(tǒng)電網的協(xié)同工作需要電力通信提供支撐作用，實現兩網的無縫對接，新能源電站的繼電保護和安全自動裝置、調度自動化系統(tǒng)等關鍵電網安全管理業(yè)務必須具備兩條相互獨立的通信信道，以提高信息傳送的安全性，同時有效的平抑并網波動，為新能源接入后電網的監(jiān)測、運行、控制提供高速、穩(wěn)定、可靠的通信平臺。
2.3.2輸電領域智能電網以特高壓為骨干網架、交直流混聯(lián)、各級電網協(xié)調發(fā)展，為了確保電能大容量、遠距離、低損耗的電能傳送，我國提出西電東送、建設“三華”同步電網等戰(zhàn)略規(guī)劃，我國的特高壓交直流輸電獲得了大規(guī)模發(fā)展，特高壓再造中國能源大動脈，我國已經成為世界上特高壓輸電電壓等級最高的國家。在特高壓輸電的發(fā)展過程中，大量的新設備和新元件投入使用，電網的控制特性更加復雜，以電力電子元器件為例，為了提升特高壓直流輸電的靈活性，大量的晶閘管、無功控制、補償器等元件投入使用，這些元件的接入環(huán)境更加復雜多變，對電網通信環(huán)境提出了更高的要求，高速發(fā)展的計算機和網絡通信技術成為電網發(fā)展的關鍵技術，通過建立雙向、實時、高速的通信系統(tǒng)，為智能電網發(fā)展提供更為廣闊的發(fā)展空間。
2.3.3變電領域在變電領域，智能電網的特征集中體現在數字化變電站的建設，隨著對傳統(tǒng)電網的改造不斷深入，我國新建的220kV及以上變電站均為數字化變電站，而數字化變電站的三個關鍵特征就是數字化一次設備、數字化二次設備和統(tǒng)一的IEC61850規(guī)約通訊平臺，通過信息和通信技術實現對變電站的電氣設備狀態(tài)分析、電網調度管理、電能質量控制、精細用電管理。在數字化變電站中，所有的一次設備和二次設備之間的信息交互都通過通信網絡來完成，以光纖通信取代了復雜的二次電纜接線，提升了信號傳輸效率，減少了二次接線工作量；通過合并單元和級聯(lián)設備實現信號的高速傳送，減少了通信誤碼率，并具有良好的抗干擾性能，穩(wěn)定可靠的通信傳輸為數字化變電站的發(fā)展打下了堅實基礎。此外，統(tǒng)一的IEC61850通信平臺解決了電力設備間通信規(guī)約不一致、設備兼容性差等問題，實現了設備間統(tǒng)一的信息模型和通訊接口，提高了設備的互操作性。
2.3.4配電領域在配電領域，國家電網公司將投入大量資金用于配電網的升級和改造。智能配電網發(fā)展對通信技術的可靠性、可擴展性等都有著較高要求，由于配電網運行環(huán)境較為惡劣，運行設備和通信信道相對老舊，且電力通信網的組網方案相對缺乏，還面對規(guī)劃不統(tǒng)一、信道不穩(wěn)定、標準不規(guī)范等問題，通信環(huán)節(jié)已經成為智能配電網發(fā)展的瓶頸。目前采取多種通信技術相結合的方式來實現智能配電網的通信，通過光纖傳輸來實現配電網關鍵數據的傳輸，結合載波通信實現調度電話、遠動信息、配電自動化、調度繼電保護信息等。
PLC，全稱ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為核心的數字運算操作的電力系統(tǒng)裝置。它是專門為工業(yè)現場應用而設計的。采用一類可編程的存儲器，相關人員可以在該存儲器內部執(zhí)行相應的邏輯運算、順序控制等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，實現對各種類型設備的識別或生產過程的控制。PLC技術屬于計算機控制技術范疇，其工作原理主要有三個不同的階段，即輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。在輸出采樣階段，PLC可以依次掃描所有輸入狀態(tài)和數據，并將其存入I/O映像區(qū)中的相應單元內，然后轉而執(zhí)行用戶程序，控制輸出操作；在用戶程序執(zhí)行階段，PLC可以按照從上到下、自左向右的順序，依次掃描用戶程序，并對掃描到的數據信息進行運算，根據運算結果控制邏輯線圈的狀態(tài)，以確定程序是否處于正常運行狀態(tài)；在輸出刷新階段，CPU會發(fā)出相應的指令，然后依據I/O映像區(qū)數據和相關狀態(tài)，結合電路封鎖功能驅動外部設備的運行，從而實現電氣自動化控制。
2PLC技術的優(yōu)點
作為微機技術和傳統(tǒng)繼電接觸控制技術相互結合的產物，PLC技術克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機械觸點接線復雜、可靠性低、功耗高、靈活性差等缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)勢，具體包括以下優(yōu)點。
2.1功能完善
當前，PLC產品的規(guī)模和型號非常豐富，可以滿足各種工業(yè)控制的需要，而且具有非常完善的邏輯處理和數據運算功能，被廣泛應用于各種數字控制領域。
2.2可靠性高
在PLC的生產過程中，采取了先進的內部抗干擾技術，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，PLC具備相應的自我檢測能力，一旦發(fā)現硬件故障，可以及時發(fā)出警報信號，提醒相關人員處理故障，因此，PLC控制系統(tǒng)具備很高的可靠性。
2.3編程語言簡單
作為一種工控計算機，PLC的接口相對簡單，編程容易，其使用的梯形圖語言編程對工作人員的專業(yè)技能要求較低，不需要面對復雜的匯編語言，即使那些不熟悉計算機的人員也可以輕松上手。
2.4維護方便
在PLC技術中，以存儲邏輯代替了接線邏輯，極大地降低了裝置外部的接線數量，減少了系統(tǒng)的建設周期，同時，也在一定程度上降低了設計難度，以便于系統(tǒng)的維護和管理。不僅如此，PLC可以實現在線編程，轉變生產過程，被廣泛應用于多品種、小批量的工業(yè)生產控制中。
3PLC技術在電力工程中的應用
在電力工程中，PLC技術的應用主要表現在以下幾個方面。
3.1開關量控制
開關量控制包括以下兩方面的內容。
3.1.1斷路器控制
在傳統(tǒng)的電力自動化控制系統(tǒng)中，對斷路器的控制多是采用繼電器控制的方式，需要使用大量的電磁繼電器，存在許多觸點和聯(lián)接點，進而降低了系統(tǒng)的可靠性。而PLC技術的應用和普及，使得軟繼電器逐漸代替了繼電元件，極大地提高了控制系統(tǒng)的可靠性。在PLC控制系統(tǒng)中，操作人員只需要執(zhí)行一些非常簡單的工作，比如分閘、合閘等，系統(tǒng)就會自動根據實際運行狀況，給出正確的操作信號。同時，在系統(tǒng)出現故障時，會自動跳閘，并發(fā)出相應的報警信號。而且，PLC控制系統(tǒng)不需要進行復雜的二次接線，可以有效地降低接線失誤率，大大減少維護檢修的工作量。
3.1.2備用電源自動投入裝置
備用電源自動投入裝置的主要功能是提高供電系統(tǒng)的可靠性，被廣泛應用于大型企業(yè)的供電系統(tǒng)中。在原有的備用電源投入系統(tǒng)中，多采用手動或自動供回電線路的方式供電，在投切過程中，會出現幾秒鐘的斷電時間，影響供電的連續(xù)性和可靠性。而應用PLC，可以實現對備用電源自動投入裝置的控制，可以根據系統(tǒng)的實際情況進行抗干擾，具有可靠性高、操作簡單、接線方便等優(yōu)點。
3.2順序控制
在原有的電力工程中，控制系統(tǒng)一般都是采用繼電器控制，而隨著PLC技術的發(fā)展，高性能的PLC控制系統(tǒng)逐漸取代了繼電器控制。在實際應用中，PLC不僅能夠全面調節(jié)整個電力工程，也可以控制部分電路。同時，PLC控制器屬于遠方終端單元，可以利用遠程控制的方式控制變電站現場的RTU裝置，實現對各種開關狀態(tài)量的采集和處理，并通過相應的反饋環(huán)節(jié)獲得故障信息，以便及時處理和解決其中存在的問題和故障，以保證電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。
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