電力電子技術的應用及發展趨勢分析

王 瑛

（寶雞職業技術學院，陜西寶雞，721013）

電力電子技術的應用及發展趨勢分析

王 瑛

（寶雞職業技術學院，陜西寶雞，721013）

隨著現代科技的進步，現代電力電子技術已經被廣泛的應用于航天、電力、制造等各個領域。本文綜述各種研究資料對電力電子技術應用，并對未來電力電子技術的發展趨勢進行分析。

風力系統；交流控制；電力電子；應用；趨勢分析

隨著科技的進步，以電力電子器件、交流電力、電力電子電力的控制為主要研究內容的電力電子技術逐漸成為涵蓋電子、電力和控制技術的三大電氣工程的交叉學科，而被廣泛的應用到科技的各個領域。同時隨著應用的深入，使得電力電子技術成為未來最具發展潛力的技術之一。

1 電力電子技術研究的內容

1.1 電力電子器件

電力電子器件作為電力電子技術中的核心，對其要求為：一是必須能夠承受高壓電、帶電流的能力；二是必須以開關的方式運行。

1.2 交流電路

交流技術作為電力電子技術的核心，其主要的作用是對由電力電子器件構成的不同交換電力進行控制。其主要包括晶閘管在內的由電力電子器件構成的主電路，通過不同的電力拓撲結構，實現對電能的變化與控制。該技術其主要的研究方向是對變換器的主電路進行拓撲優化。換句話說，就是在進行變換器的設計當中，對元件的不同位置進行優化，從而提升其功能指標，以此達到最經濟的目的的一門技術。在設計中高頻化、高功率因數、高效率和低變換損耗是最終的目標。

1.3 電力電子電路的控制

該技術主要是通過電子器件對工業中的大功率的電能進行控制和交換的技術。其主要的作用是通過器件的開關，實現對電能的控制。其中開光的狀態必須是可控的，并且是可以通過信號來進行控制。換句話說，就是通過為變換器中的開關器件提供信號，然后器件按照相關的指令，按照設定的規律與控制方式進行操作，從而實現對電能的控制?？刂齐娐穭t主要包含時序控制、保護電路、電氣隔離和功率放大。

2 電力電子技術的應用

2.1 電力電子技術在電力系統中的應用

交流技術的典型應用以現在新型三相Z 源逆變器為代表。三相Z 源逆變器被廣泛的應用于風能發電，通過對電能的控制和調節，改善了風能系統運行的性能。而起主要的交流電路控制方式則分為兩類：

1）不可控整流后接 Z 源逆變器控制方式

傳統的不可控的整流逆變器控制方式主要包括兩種，一種是以電壓源型逆變器為主的控制方式，該控制方式在在風流發電中沒有考慮到風力比較小的時候，其整流后的電壓往往較小。面對這種情況，往往通過加強調制的深度來減小逆變部分的運行功率；另外一種是以直流側電壓穩定的逆變器為主要控制方式，但是該控制方式的缺點在于不能雙向控制，而只能進行簡單的升

壓，同時在操縱中，受到死區時間的影響，導致控制受到限制。

其實玉敏心里沒有底。姑父不言自威，她平時都不敢和姑父說話，哪能替許沁說上話呢。后來的事實證明，玉敏根本幫不上許沁，姑父也根本不相信許沁。玉敏讓姑媽從中周旋，亦無結果。

與傳統的逆變器控制技術相比，新型的風力發電中，在Z 源逆變器增加的基礎上增加了一個Z 源網絡，從而允許上下橋臂能夠同時道統，以此更好的防止因器件損壞而導致直通狀態改變的事故發生，從而更好的使得電路具備升降功能。具體的拓撲分析圖如圖1所示。

圖1 不可控整流后接Z源逆變器控制方式

通過計算可以得出Z 源網絡輸出的直流母線電壓為：

通過計算可以得出逆變器在交流側所輸出電壓的峰值：

通過上述的公式，我們可以得出，可以通過對公式中的升壓因子B和調制比M的調節，從而達到自動調節電壓的目的。

因此，通過三相逆變器的調節作用，可以在風速比較小的時候，調節占空比，靈活進行升降壓，從而達到電力中的并網要求，高效的捕獲風能。

2）Z 源矩陣變換器控制方式

傳統的矩陣變換器的作用是實現能量的雙向的流動，但是其最大的缺點在于其矩陣變換器的電壓傳輸比不高，從而導致可靠性降低。因此，在控制方式中加入Z 源網絡，以此可很好的而解決上述的問題。具體如圖2和圖3所示。

圖2 Z源矩陣變換器控制方式

2.2 電力電子技術在交通運輸中的應用

電力電子技術在電氣化的鐵道中以DC/DC變換技術為代表，該變換技術被廣泛的應用在了地鐵、電動車中的無級變速等領域。如現代汽車中，隨著汽車中的用電的不同，其設備的種類也就不同，對電源的型號的要求也就不同。而這些電源都是采用的是由蓄電池所提供的+12VDC或+24VDC的直流電壓，在經過DC-DC變換器轉變成+220VDC或+240VDC，后再經過DC-AC變換器轉變成工頻交流電源或者是變頻調壓電源。如采用推挽逆變-高頻變壓器-全橋整流方案，設計了24VDC輸入-220VDC 輸出、額定輸出功率600W的車載高頻推挽DC-DC變換器。該方案中最重要的是采用AP法設計推變變壓器。

圖4 推挽變壓器簡化后的主電路圖

查看經過簡化后的變壓器主電路圖，在輸入24V的直流電源之后，經過大電容的濾波作用后，被接到了推挽變壓器的原邊的中間抽頭部位。而變壓器的另外的兩個抽頭則分別接全控型號的電力電子器件IGBT，并在這中間加入RC吸收電路，從而構成了推挽逆變電路。變壓器的輸出端在經過全橋整流之后，大電容的濾波便得到了220伏的直流電壓，并通過分值得到電壓的反饋信號為UOUT.

而該主電路，主要是以CA3524芯片為核心，從而構成了整個控制電路。通過對圖中的6和7中的管腳間的電阻、電容的大小來調節開關的頻率。在12、13的管腳出輸出PWM的脈沖信號，從而驅動電路，分別對兩全控型開關進行交替控制。反饋信號經1管腳，通過P2對2管腳參考，并和9中的COM端、CA3524構成調節器，從而通過調節占空比，以此達到穩定電壓的目的。

3 電力電子技術未來的發展趨勢

圖3 三相Z源矩陣變換器拓撲圖

隨著科技的發展，材料的創新，未來電力電子技術的應艷紅將凸顯出高頻化（20kHz以上）、硬件結構集成模塊化（單片集成模塊、混合集成模塊）、軟件控制數字化和產品性能綠色化（無電磁干擾和對電網無污染）四大發展方向。

3.1 電力電子器件的未來發展

電力電子器件的發展在未來的幾年中將凸顯出集成化、標準模塊化、高頻化以及智能化的特點。這主要因為以下四個原因：

第一，隨著我國與世界的不斷融合，特別是和發到國家的不斷融合，同時在技術應用發展中，對電子器件的性能和指標的要求也越來越嚴。具體的說未來的電子器件將需要更大的散熱能力、更高的工作的溫度、更大的電流密度等，而對于航空和航天方面的來講，還注重更好的抗輻射和抗振動能力，特別是在軍事中的裝甲車、坦克、火箭等。

第二，在未來的幾年發展中，管以硅為半導體材料的雙極功率器件和場控功率器件的研發也趨于成熟，同時各種不同的結構和新的生產工藝的加入，仍可有效的提升其性能，各種不同型號的期間仍然具有市場競爭力。

第三，隨著信息化等方面的提高，智能化的研發和應用也在不斷地成果。在美國、以色列等國家已經相繼制造出了結構更簡單，功能更強大的IPM智能化功率模塊，有效的提高了運行的效率。

3.2 電力電子設備與系統的未來發展

隨著人們未來高效化的要求，電力電子設備正在朝著全數字控制、高頻化、系統化、智能化以及低碳化方向發展。首先是因為未來的時期，各種電力半導體為主的電子設別將在未來展開常態化的競爭和發展，晶閘管仍見形成壟斷地位；其次以IGBT的整流器與逆變器的應用可有效的提高效率、減輕體積和噪音，同時將別廣泛的應用到工業、家電和新能源領域；第三，以IGCT為主的功率器件將逐步取代晶閘管；第四，MOSFET將在未來的電子設備和系統低功率中發揮巨大的作用。

[1] 李春杰.Z 源矩陣式變換器研究[D].青島:山東科技大學,2011.

[2] 無刷雙饋風力發電機組的模糊自適應控制,楊俊華1,2 ,李建華1,吳捷2,楊金明 2,電機與控制學報,第10 卷第 4期,2006.7,346-350.

[3] 趙爭鳴.電力電子技術應用系統發展熱點綜述[J].變頻器世界 ,2010(01).

王瑛（1960.8），女，北京；大學本科學歷、工學學士；講師。

Analysis of application and development trend of power electronic technology

Wang Ying
(Baoji Vocational Technology College，Shaanxi Baoji，721013)

Along with the progress of modern science and technology,modern power electronic technology has been widely applied in various fields of aerospace,electric power,manufacturing etc..This paper summarizes various studies on the application of power electronic technology,analysed the trend of the future of the power electronic technology.

wind system;communication control;power electronics;application;trend analysis