電力電子技術(shù)研究熱點探索

電力電子技術(shù)研究熱點探索在當(dāng)今工業(yè)自動化社會中,電能起著十分重要的作用,人均消耗的電能量已成為衡量一個國家實力的重要指標(biāo)。為了高質(zhì)量,有效地使用電能,生產(chǎn)總電能中越來越多的比例必須經(jīng)過電力電子技術(shù)實行能量變換,然后再用于工業(yè)和軍事的需要。因為它對節(jié)能、減小環(huán)境污染,改善工作條件,節(jié)省原材料,降低成本和提高產(chǎn)量等方面均起著十分重要的作用。所以,電力電子技術(shù)無論對改造傳統(tǒng)工業(yè)還是對新建高技術(shù)產(chǎn)業(yè),均至關(guān)重要,從而迅速發(fā)展成為一個獨立的技術(shù)和學(xué)科領(lǐng)域。它已經(jīng)或正在顯示出,對一個國家工業(yè)的發(fā)展,和對一個國家在國際市場激烈競爭中的地位,起著重要的影響。毫無疑問,電力電子技術(shù)將成為本世紀(jì)乃重要關(guān)鍵技術(shù)之一。電力電子應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是電力技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)的結(jié)合，其研究大體上可以分為兩類：功率器件的發(fā)展和功率變換技術(shù)的發(fā)展。功率器件毫無疑問是現(xiàn)代電力電子裝置的核心，雖然它的價值僅占總價值的20%-30%，但是其尺寸性能是衡量一個裝置的重要指標(biāo)，圍繞功率半導(dǎo)體的研究一直是熱門領(lǐng)域。功率變換技術(shù)就是實現(xiàn)從一種幅值、相位、頻率的電能向另一種幅值、相位、頻率的電能變換的技術(shù)，其一直是電力電子技術(shù)中最為基本也最為共性的技術(shù)。功率變換技術(shù)研究的目標(biāo)主要是:節(jié)約能源,提高效率同時應(yīng)減小變換器的大小和重量,降低諧波失真和成本。圍繞功率變換技術(shù)的研究中重點是四大變換結(jié)構(gòu)，即直流-直流、直流-交流、交流-交流、交流-直流變換器?；仡欉@些年結(jié)構(gòu)特性，可以得到兩個趨勢：減少元件數(shù)的結(jié)構(gòu)和增加元件數(shù)的結(jié)構(gòu)。減少開關(guān)元件的結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)持續(xù)很長時間，這是因為開關(guān)器件成本比較高導(dǎo)致的，但是隨著開關(guān)器件的發(fā)展，這種趨勢也在改變，從效率、穩(wěn)定性、改善畸變程度來說，增加開關(guān)器件數(shù)量具有一定優(yōu)勢。值得注意的是對電力電子變換器的狀態(tài)監(jiān)測和保護越來越受到重視。首先考慮到電力半導(dǎo)體設(shè)備是至關(guān)重要的元件，為了系統(tǒng)可靠性必須去實時監(jiān)測（conditionmonitoring)它；其次熱機械疲勞是現(xiàn)代IGBT變換電路的主要磨損因素，故開關(guān)器件熱保護問題也是值得關(guān)注的；再次之電熱的變換器和可靠封裝模型正在發(fā)展中，為工程師提供了實體基礎(chǔ)，但是他們需要更加深入的研究這些方案才能直接用于電路中。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在很早就存在了，相比需要嵌入在系統(tǒng)模型中的感應(yīng)器來說是比較可行的方案，但是，仍需要對故障機理進行更加深入的研究來增強對元器件足夠的保護。關(guān)于變換器拓撲結(jié)構(gòu)和控制研究在不同應(yīng)用中有各自的側(cè)重點，這里不一一闡述。本文接下來將從數(shù)個熱門應(yīng)用中試圖窺探出電力電子未來的發(fā)展趨勢。1）PowerSupplyonChip--電源芯片片上電源系統(tǒng)或者說電源芯片系統(tǒng)近來引起極大的關(guān)注，它包含兩個方面的內(nèi)容，其一是用更小、更高效、更加集成化的DC-DC變換器來取代成本低廉但是低效的線性穩(wěn)壓器；另一方面是集成微型處理器的控制方案，雖然這會讓電源芯片具有更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和控制器，但是擁有著最優(yōu)的輸出和最小的能耗。電源芯片需要解決的一個最主要的問題是減少電感元件的尺寸，雖然可以通過提高開關(guān)頻率的方式來解決，但是這樣一來就增加了開關(guān)和線圈損耗。這就需要在開關(guān)硅和氮化鎵元件的發(fā)展。電源芯片未來的研究熱點可能有以下幾個方面：減少芯片封裝尺寸，增加電流密度，減少控制器（ASIC、FPGA等）的驅(qū)動電壓等級。提高效率或者是在相同效率下提高功率密度，提高開關(guān)頻率到10MHz且不改變器件功能。減少成本和更加先進的集成封裝技術(shù)（倒裝芯片技術(shù)、超壓膜封裝等等）。電源芯片系統(tǒng)是學(xué)科結(jié)合型研究方向，需要多領(lǐng)域的投入。高集成度的電源管理系統(tǒng)未來商業(yè)前景顯著，這需要半導(dǎo)體制造商和電源制造商之間的合作才能實現(xiàn)。鑒于電源芯片有著更大的輸出電壓和更寬的輸出電流，相信不久的未來其會替代傳統(tǒng)的印刷電路板（PCB）。2）Adjustable-SpeedDrive--調(diào)速系統(tǒng)自從發(fā)明了電機，機械加工便廣泛采用這種電能轉(zhuǎn)換裝置。工程師們發(fā)明出各種各樣的控制技術(shù)來操控電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來增強其實用性。電力電子裝置的出現(xiàn)對于電機來說至關(guān)重要，它使得電能利率變得更加高效，電機控制變得更加多樣，可以說今日之世界經(jīng)濟很大一部分程度要歸功于電力電子學(xué)科的發(fā)展。對于二者共同的近期研究問題有：長導(dǎo)線效應(yīng)對電機控制的影響以及消除方法，電機高速控制技術(shù)，在高危區(qū)域安裝電機的挑戰(zhàn)等。就分類來說，異步電機的研究熱點如中壓電機的保護問題，包括熱保護和溫度消除、定子絕緣檢測和故障保護、軸斷裂檢測、轉(zhuǎn)子銅條\銅環(huán)損壞檢測、氣隙偏心度檢測等，還有減少異步電機運行損耗的問題。同步電機中的研究熱點是永磁同步電機（PMSM）。永磁同步電機優(yōu)勢很多，比如高可控性，高效率，高功率密度，對環(huán)境耐受能力強等等。一些問題如：永磁同步電機的設(shè)計，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）研究，無傳感器控制研究，短路模型研究等等。永磁同步電機的制造材料是稀土元素，由于稀土元素產(chǎn)量較低，價格昂貴，未來的發(fā)展趨勢是制造非稀土或者少稀土的永磁同步電機。3）Light-Emitting-Diode--發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED）主要應(yīng)用于車燈、家用照明和裝飾、路燈、LCD背景光源、交通信號燈。它被認為是替代傳統(tǒng)光源的最佳選擇是因為它具有以下的優(yōu)點：1.在合適工況下使用壽命長達十萬小時；2.制造材料無汞，半導(dǎo)體材料可回收，對環(huán)境友好；3.發(fā)光效率非常高，超過150lm/W；4.可以有不同種的顏色，應(yīng)用場合多樣化。最新的研究熱點是對LED整流器的設(shè)計，包含以下幾個方面：1.在考慮LED效率、壽命、溫度、應(yīng)用場合的條件下設(shè)計它的驅(qū)動方式；2.整流器必須具有魯棒性和耐用的特點；3.整流器必須提供一個控制嚴(yán)格的高效電流源，來應(yīng)對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種問題，比如LED等效電阻的變化、周圍環(huán)境溫度變化、不可預(yù)測的短路故障等等；4.輸入電流THD值必須滿足要求；5.針對色溫和色品的控制要求。4）SustainableEnergy--可持續(xù)能源人類的能源來自化石燃料，其能量釋放的后果是產(chǎn)生大量二氧化碳，使得溫室效應(yīng)加劇，全球變暖現(xiàn)象凸顯。因此人類不得不尋找替代的可持續(xù)的清潔能源。可持續(xù)能源的內(nèi)容不僅僅包含可再生能源，如太陽能、風(fēng)能、潮汐、地?zé)?、氫能、生物能等等、還包括它們的轉(zhuǎn)化效率、傳輸、儲存等問題。在這之中電力電子變換裝置將扮演一個舉足輕重的角色。比如太陽能發(fā)電系統(tǒng)就需要一個低壓逆變器來將電能傳輸給電網(wǎng)，或者是用直流—直流變換器將其儲存在電池中；又比如海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，需要一個高壓直流傳輸系統(tǒng)來將電能傳輸至岸上的變電站，與此同時還要求電能傳輸系統(tǒng)的電能質(zhì)量高，穩(wěn)定性好，效率更高。因此就需要由電力電子裝置構(gòu)成的濾波器和潮流調(diào)節(jié)器等等。就光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，近期的研究熱點有：1.光伏逆變電網(wǎng)的故障自診斷和低電壓穿越技術(shù)，雖然智能電網(wǎng)的發(fā)展要求其發(fā)生故障時運行在孤島模式下，但是故障發(fā)生時電力設(shè)備仍趨向于損壞或者是不穩(wěn)定，故發(fā)展自診斷技術(shù)有利于實時監(jiān)控功率單元，達到提前知曉故障發(fā)生的目的。2.光伏微型逆變器的電容解耦技術(shù)，以提高可靠性；3.有關(guān)光伏逆變器裝置拓撲結(jié)構(gòu)的研究等等。就風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，近期研究熱點有：1.中壓直流-直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，控制策略；2.三相PWM調(diào)制方法；3.最大功率點跟蹤策略；4.次同步諧振問題；5.高效無刷雙饋電機的設(shè)計和控制。就能量儲存系統(tǒng)而言，近期研究熱點：1.微型光化學(xué)電池的制造、建模、測試；2.車載蓄電池的回收再利用；3.動能收集系統(tǒng)，包括收集器的復(fù)雜程度、最大化提取能量的效率的研究等。5）ElectricVehicle--電動汽車交通工具正在朝著對環(huán)境更加友好，更加可持續(xù)的方向發(fā)展，電動車因為其環(huán)境污染小和經(jīng)濟效應(yīng)高的特點成為了未來交通工具最佳研究方向。電動車不僅更智能，更高效，更可靠而且更安全，其包含的技術(shù)有：電力電子技術(shù)、電力傳動技術(shù)、電機設(shè)計、電化學(xué)系統(tǒng)、能量儲存技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式軟件技術(shù)等等。電動車目前可分為：多電汽車，混合動力車，插電式混合動力車和全電動車。電動車的研究方向包括：車載電力電子設(shè)備和電力拖動設(shè)備，電力或者混合動力總成及其控制，傳動裝置，電池和電能儲存技術(shù)，車載或者非車載充電技術(shù)，電動車能量饋入電網(wǎng)技術(shù)和針對電動車元器件的技術(shù)。目前主要的研究熱點是：電動車的充電技術(shù)，包括其充電器拓撲結(jié)構(gòu)、充電速度、能量流動的方向（單向或者雙向）等。電動車充電設(shè)施的充電等級可分為I、II、III等，對應(yīng)經(jīng)濟（1.5kW)、基本(3.3kW)、快速(50+kW)的充電方式。充電器可分為車載和非車載，能量流動可分為雙向和單向。單向無需復(fù)雜的設(shè)備，簡化了連接問題，而雙向充電器則可以讓電動車多余的能量回饋給電網(wǎng)，或者是在緊急時刻讓電動車充當(dāng)電源的作用。未來電動車能否成為大眾交通工具的要素有以下幾點：1.是否有足夠的充電基座或者相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施；2.充電過程的可靠性、效率、安全性；3.充電系統(tǒng)和充電時間的綜合成本是否能被消費者所接受。6）WirelessPowerTransfer--無線能量傳輸無線能量傳輸是指不需要導(dǎo)體就可以實現(xiàn)電能在空間內(nèi)的傳輸。其不僅包含能量發(fā)射的問題，也包括能量接收和儲存的問題。根據(jù)其傳輸?shù)姆绞娇煞譃檩椛涫胶头禽椛涫健］椛涫骄褪峭ㄟ^天線將電能以電磁波的形式傳輸至很遠的距離，但是由于電磁波是全方位的傳輸方式，其傳輸效率非常低；非輻射式無線能量傳輸是通過兩個近磁場相互耦合的導(dǎo)體線圈產(chǎn)生磁共振來傳輸能量，根據(jù)其傳輸?shù)木嚯x可分為短距和中距。短距無線傳輸應(yīng)用在許多場合，交流電機就是典型的應(yīng)用，它通過定轉(zhuǎn)子線圈的耦合將電能傳輸給轉(zhuǎn)子并轉(zhuǎn)換成為機械能。又比如一些生活中的應(yīng)用如，給手機和給電動牙刷充電的無線充電器等等。短距無線能量傳輸在家庭和工業(yè)應(yīng)用如今已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，中距無線能量傳輸開始成為研究熱點。中距無線傳輸是指發(fā)射源和負載之間的距離大于線圈諧振器的尺寸。其原理仍是特斯拉一個世紀(jì)前發(fā)現(xiàn)的線圈間互感原理。目前研究表明兩線圈系統(tǒng)（應(yīng)用最大效率傳輸）適用于短距傳輸最好，但是隨著傳輸距離增加，效率迅速減少。增加了兩個互感耦合線圈的四線圈系統(tǒng)（應(yīng)用最大功率傳輸），能靈活地調(diào)節(jié)阻抗，因此能最大化傳輸距離，但是會損失效率。如果既增加傳輸距離又不減少效率，可以使用繼電諧振器或者是多米諾諧振器（如圖），它們是最新的研究方向。圖1.多米諾諧振器示意圖(a)直鏈型；(b)一鏈分兩鏈型；(c)曲線型;(d)兩鏈合一鏈型圖2.多米諾諧振器實物圖無線傳輸今后的研究熱點將會是：低損耗高頻率電源，傳輸效率更高的諧振器設(shè)計，動態(tài)傳輸功率和頻率的控制策略，對人體的暴露輻射問題。7）DCDistributionSystems--直流配電系統(tǒng)配電系統(tǒng)的研究可分為交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)。交流配電系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用的配電方式。目前研究的熱點有：1.配電網(wǎng)絡(luò)故障定位，低中壓配電線往往有多個分支，不平衡的負載和測量點的缺少導(dǎo)致故障定位的困難；2.高頻交流配電，首先被NASA應(yīng)用于太空項目上，高頻交流輸電更加高效、功率密度更高、更加穩(wěn)定，同時可以減少變壓器的連接頭；3.固態(tài)變壓器，傳統(tǒng)變壓器與AC-AC變換器相結(jié)合的新應(yīng)用；4.基波電壓測量和鎖相環(huán)技術(shù)。因為化石能源會逐漸枯竭，可再生能源已經(jīng)引起了人們極大的關(guān)注。但是這些能源有共同的自然特點，就是會隨著季節(jié)環(huán)境的變化而變化，比如風(fēng)力發(fā)電中的風(fēng)能資源在一年當(dāng)中的分配是不均勻的，其發(fā)出的電能有時是不連續(xù)的，如何高效使用這種不穩(wěn)定的能源是至關(guān)重要的問題。直流配電系統(tǒng)被認為是一個不錯的方案，它有許多優(yōu)點：系統(tǒng)整體高效率，易于可再生能源的接入，易于擴展容量，同時沒有頻率穩(wěn)定、無功問題、表面效應(yīng)和交流損耗。直流配電的研究熱點是：1.直流輸電拓撲結(jié)構(gòu)，能量儲存和管理；一個新能源系統(tǒng)包含雙向DC-AC變換器，可再生能源處理，負載調(diào)節(jié)，雙向充放電結(jié)構(gòu)等等，其在電動汽車上的應(yīng)用比較熱門；2.直流母線和交流電網(wǎng)接入研究，新能源發(fā)出的電能必須能跟現(xiàn)有交流電網(wǎng)連接，故存在接入問題研究，其中雙向DC-AC變換器也是研究重點，因為它能調(diào)節(jié)交流母線和直流母線間的能量流動；3.變換器模組，應(yīng)用場合很多如充放電、最大功率點追蹤、啟動/停止、負載功率調(diào)節(jié)等等。值得說明的是這些變換器模組不單單只用于直流配電，還可以用于驅(qū)動LED、電動機等；4.調(diào)制策略和控制方案；針對雙向DC-AC/DC-DC變換器的建模和控制比較熱門；5.直流母線電壓調(diào)節(jié)，因為直流負載可以直接接在直流母線上，負載波動導(dǎo)致母線波動，所以直流濾波環(huán)節(jié)，負載軟啟動/軟關(guān)斷等都需要進一步研究。相比以上的研究熱點，還有許多直流配電的研究方向，如插頭插座，斷路器，保險絲，安全標(biāo)準(zhǔn)等等都需要得到發(fā)展。8）MicroGrids--微電網(wǎng)，智能電網(wǎng)未來世界需要一個更加“聰明”的電網(wǎng)，希望它更加穩(wěn)定、靈活、高效，與此同時還能與新能源相結(jié)合，微型電網(wǎng)（又稱智能電網(wǎng)）便是這樣一個解決方案。微型電網(wǎng)的定義是：一個包含著能量轉(zhuǎn)化裝置（風(fēng)電，太陽能，發(fā)電機等），電力電子變換裝置，分布式電能儲存系統(tǒng)和本地負載的既可以自主運行又可以并網(wǎng)運行的電網(wǎng)。其功能必須包含有黑啟動，頻率電壓穩(wěn)定，有功和無功潮流控制，主動式濾波，能量儲存等等。這樣的話電能可以由負載附近的地點產(chǎn)生，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少了大型輸電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的損耗，也許未來你所使用的電能是由你的鄰居發(fā)出的。就目前科學(xué)水平而言，微型電網(wǎng)的實現(xiàn)需要多學(xué)科結(jié)合，如電力電子、電力系統(tǒng)、能量儲存、遠程通信、信息技術(shù)等等。以下幾個研究方面可能是引領(lǐng)微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。1、新型材料的電力電子器件，如碳化硅器件、納米管器件等；2、微型電網(wǎng)的保護技術(shù)，如電網(wǎng)故障控制、孤島抑制等；3、能量儲存技術(shù)，當(dāng)微電網(wǎng)孤島運行時，能量儲存對于電網(wǎng)穩(wěn)定和平衡起著重要作用；4、電網(wǎng)接入技術(shù)，由于分布式發(fā)電系統(tǒng)(太陽能、風(fēng)力發(fā)電）增加，那么其接入電網(wǎng)的技術(shù)將是研究重點；5、分布式發(fā)電系統(tǒng)，新能源如光伏太陽能、風(fēng)能、潮汐能、燃料電池等等都可以認為是微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電機，其原理、控制、效率、保護和接入電網(wǎng)電能的質(zhì)量都是研究熱點；6、電能傳輸方式，盡管微電網(wǎng)很大可能使用交流電系統(tǒng)，但是直流輸電系統(tǒng)由于其一些優(yōu)秀的特性，如沒有交流電中諸如諧波、同步、有功無功潮流問題等，有可能成為微電網(wǎng)未來電能傳輸?shù)内厔荨＿@方面以高壓直流輸電系統(tǒng)（HVDC）為代表。微電網(wǎng)的研究興起源于新能源系統(tǒng)的加入，由于這些新能源系統(tǒng)往往分散在各個地方，所以其電能的輸送就成為了研究熱點，從而誕生了微電網(wǎng)的概念。未來電網(wǎng)如果都由微電網(wǎng)組成，那么每個微電網(wǎng)自身就是一個發(fā)、輸、配、用的系統(tǒng)。微電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間通過連接線來保持電能平衡，以提高穩(wěn)定性。所以一切有關(guān)新能源的研究問題也可以成為微電網(wǎng)研究方向。9）HighVoltageDirectCurrentTransmission--高壓直流輸電高壓直流輸電（HVDC）被認為是下一代電網(wǎng)傳輸?shù)闹饕M成部分。它的使用場合往往具有以下特點：1.長距離傳輸或者電纜之間有交叉連接的地方；2.非同步連接（發(fā)電頻率不相同）；3.需求功率潮流快速控制。其應(yīng)用的成功很大程度上是依賴電壓源型變換器的發(fā)展。相比電流源型變換器，電壓源型變換器具有很多優(yōu)勢，比如其不需要同步電機就可以接入系統(tǒng)、短路電流容量小、可以分別控制有空和無功、較高的開關(guān)頻率可以減少濾波裝置尺寸、可以擴展成多端系統(tǒng)提高效率。但是HVDC也有缺陷，就是不能通過降低直流電壓的方式來消除直流側(cè)長時間故障，必須在交流側(cè)安裝斷路器。HVDC近年來受到研究者們極大地關(guān)注，首先是這個問題非常適合大學(xué)做研究，因為其要求研究人員對系統(tǒng)要求，變換器拓撲，元件耐壓程度都有足夠的知識。其次，功率半導(dǎo)體器件和微型處理器的發(fā)展推動了HVDC的研究。最后，許多專家學(xué)者都預(yù)測HVDC技術(shù)將會是未來電能傳輸?shù)陌l(fā)展方向。HVDC的研究熱點：1.HVDC系統(tǒng)設(shè)計和控制；2.多端HVDC系統(tǒng)；3.HVDC在新能源系統(tǒng)中的應(yīng)用；4，變換器的新拓撲和新控制策略；5.變流站和傳輸設(shè)備；與此同時HVDC斷路器研究也是熱門方向。10）ModularMultilevelConverters--模塊化多電平變換器模塊化多電平變換器（MMC）近年來受到廣泛關(guān)注是因為其在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，但是由于其特性優(yōu)異，也可以應(yīng)用在其他方面，如電能調(diào)節(jié)和電機驅(qū)動上。模塊化多電平變換器顧名思義就是由許多完全相同的標(biāo)準(zhǔn)功率單元相級聯(lián)應(yīng)用在中高壓場合的變換器。其高度模塊化的結(jié)構(gòu)易于擴展，提高了系統(tǒng)冗余和容錯率，增強了輸出波形，另外它還有無變壓器操作的能力，但是帶來的問題就是更加復(fù)雜的控制策略。MMC的研究主要集中在：1.拓撲結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合；2.建模和仿真；3.調(diào)制方式和控制策略。未來MMC的研究趨勢是：1.優(yōu)化控制策略，為了減少電壓波紋往往在電容器上投入很大，所以優(yōu)化控制方法以減少電容器的容量；2.增加集中利用控制總線的能力，這需要構(gòu)建一個高速大帶寬的控制網(wǎng)絡(luò)，或者是發(fā)展分布式控制策略以減少對控制總線的要求；3.發(fā)展新興半導(dǎo)體制造技術(shù)，來增加變換器模塊的功率，減少其損耗；4.加大對MMC內(nèi)部和外部故障的研究，變換器的控制方案必須使其能快速調(diào)節(jié)故障電流，而不是安裝巨大且昂貴的斷路器。參考文獻[1]Jos′eMill′an,PhilippeGodignon,XavierPerpi?n`a,.ASurveyofWideBandgapPowerSemiconductorDevices[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,May,2014,29(5):2155-2163.[1]MasoodShahverdi,MichaelMazzolaandRobinSchrader.ActiveGateDriveSolutionsforImprovingSiCJFETSwitchingDynamics[A].EnergyConversionCon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