電力電子裝置設計技術

1. 什麼是電力電子技術

電力電子技術是一門新興的應用於電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。

電力電子技術分為電力電子器件製造技術和變流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。現已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養該專業人才中佔有重要地位。

一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研製出的第一個晶閘管為標志的，電力電子技術的概念和基礎就是由於晶閘管和晶閘管變流技術的發展而確立的。

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作用：

1、優化電能使用。通過電力電子技術對電能的處理，使電能的使用達到合理、高效和節約，實現了電能使用最佳化。

2、改造傳統產業和發展機電一體化等新興產業。它為傳統產業和新興產業採用微電子技術創造了條件，成為發揮計算機作用的保證和基礎。

3、電力電子技術高頻化和變頻技術的發展，將使機電設備突破工頻傳統，向高頻化方向發展。實現最佳工作效率，將使機電設備的體積減小幾倍、幾十倍。

2. 電力電子技術的簡介

電力電子技術分為電力電子器件製造技術和變流技術（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個分支。
現已成為現代電氣工程與自動化專業不可缺少的一門專業基礎課，在培養該專業人才中佔有重要地位。
電力電子學（Power Electronics）這一名稱是在上世紀60年代出現的。1974年，美國的W.Newell用一個倒三角形（如圖）對電力電子學進行了描述，認為它是由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。「電力電子學」和「電力電子技術」是分別從學術和工程技術2個不同的角度來稱呼的。
一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研製出的第一個晶閘管為標志的，電力電子技術的概念和基礎就是由於晶閘管和晶閘管變流技術的發展而確立的。此前就已經有用於電力變換的電子技術，所以晶閘管出現前的時期可稱為電力電子技術的史前或黎明時期。70年代後期以門極可關斷晶閘管（GTO），電力雙極型晶體管（BJT），電力場效應管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件全速發展（全控型器件的特點是通過對門極既柵極或基極的控制既可以使其開通又可以使其關斷）。使電力電子技術的面貌煥然一新進入了新的發展階段。80年代後期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT可看作MOSFET和BJT的復合）為代表的復合型器件集驅動功率小，開關速度快，通態壓降小，載流能力大於一身，性能優越使之成為現代電力電子技術的主導器件。為了使電力電子裝置的結構緊湊，體積減小，常常把若干個電力電子器件及必要的輔助器件做成模塊的形式，後來又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC）。目前PIC的功率都還較小但這代表了電力電子技術發展的一個重要方向。
利用電力電子器件實現工業規模電能變換的技術，有時也稱為功率電子技術。一般情況下，它是將一種形式的工業電能轉換成另一種形式的工業電能。例如，將交流電能變換成直流電能或將直流電能變換成交流電能；將工頻電源變換為設備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器（見電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術還能實現非電能與電能之間的轉換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉換成電能。與電子技術不同，電力電子技術變換的電能是作為能源而不是作為信息感測的載體。因此人們關注的是所能轉換的電功率。
電力電子技術是建立在電子學、電工原理和自動控制三大學科上的新興學科。因它本身是大功率的電技術，又大多是為應用強電的工業服務的，故常將它歸屬於電工類。電力電子技術的內容主要包括電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置及其系統。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎為半導體物理學；它的工藝技術為半導體器件工藝。近代新型電力電子器件中大量應用了微電子學的技術。電力電子電路吸收了電子學的理論基礎，根據器件的特點和電能轉換的要求，又開發出許多電能轉換電路。這些電路中還包括各種控制、觸發、保護、顯示、信息處理、繼電接觸等二次迴路及外圍電路。利用這些電路，根據應用對象的不同，組成了各種用途的整機，稱為電力電子裝置。這些裝置常與負載、配套設備等組成一個系統。電子學、電工學、自動控制、信號檢測處理等技術常在這些裝置及其系統中大量應用。

3. 簡答題電力電子裝置和電力電子技術有哪些相同和不同之處

電力電子裝置是應用了電力電子技術的產品。裝置是設備，技術是學術

4. 如何用電力電子裝置提高電力系統的穩定性

淺談電力電子裝置在電力系統中的應用

電力系統的任務是為人們日常生活、企業科研生產提供電力資源，而是社會經濟能否穩定發展的重要依託。電力電子裝置的應用貫穿電力系統的發電、配電、變電和輸電等各個階段，電力系統若想實現高可靠性、高穩定性和高效性，必須採用高度智能化的電力電子裝置。與此同時，傳統電力系統的發電方式往往使用不可再生能源，在造成嚴重的環境污染的同時能源的利用率低下，已不能滿足社會的需求，對電力系統進行改進勢在必行。在構建新型電力系統中必然會使用電具有較高科技水平的電力電子裝置。因此，研究電力電子裝置在電力系統中的應用具有重要的現實意義。
1 電力電子裝置和電力系統的發展
隨著大容量、遠距離電力資源傳輸的需求逐漸提高，電力系統勢必步入智能化、自動化發展的道路。目前，我國電力系統的智能化水平逐漸提升，在全國各地均可以使用電能，電力系統的規模位於世界前列。電力電子裝置作為電力系統的重要基礎，雖然起步較晚，但發展速度迅猛。電力電子裝置的不斷發展與改善同時也極大促進了電力網路的迅速發展。較為突出的改進為電力能源傳輸介質由傳統的電纜傳輸轉變為光纖傳輸；關鍵技術壁壘由硬體設計轉變為軟體設計；裝置由傳統的半控型裝置逐步發展為全控型裝置，目前已經發展到復合型裝置；控制方法由傳統的模擬控制轉變為數字控制等等。然而，我國電力系統與發達國家相比仍存在著一定的差距，主要表現為智能化水平較低、科技含量較低、創新性技術應用較少等等。因此，我國電力行業的相關科技人才應該對電力電子裝置進行深入的科學研究並將其先進的應用到電力系統的構建中，從而促進我國電力行業以及社會經濟的進一步發展。
2.我國電力電子裝置在電力系統中的應用
2.1 發電階段
傳統的電力系統通常利用不可再生能源進行發電，資源有限且會造成一定的環境污染。新型電力系統應因地制宜，利用當地環保的可再生能源，如風能、勢能等，同時致力於進一步提高能源的利用效率，提高環保能源的使用率，本文將從風力發電、水力發電和太陽能發電三方面進行介紹電子電力裝置在發電中的應用。
2.1.1 風力發電
由於風力變化極快，需要電力電子裝置對風能進行整流、逆變後將其轉變為可供人使用、具有穩定電壓、頻率的電能資源，最為普遍的裝置為風力變流器。利用變流器中拓撲結構分層改變電能的容量和電壓，增加了風力發電的效率。
2.1.2 水力發電
水力發電裝置通過調節水庫的高低位置的變化通過水力勢能的改變進行發電。水力發電中發電機採用交流勵磁技術，極大地加快了發電的速度，其核心電力電子裝置為交流發電機組勵磁。在交流勵磁的控制系統原理簡單，利用交流頻率的改變直接調節對水壓及流量的大小，可以實現快速、准確的水力發電，有效改善了水力發電站的發電。效率
2.1.3太陽能發電
太陽能發電需要的電力電子裝置包括將太陽能轉變為電能的光伏陣列原件、處理不穩定電能的濾波器、變壓器、逆變器等裝置。目前，太陽能發電系統的應用還存在一定的不足，如光伏陣列存在多峰值問題，有待進一步進行深入研究。
2.2 儲能階段
由於可再生能源的產生具有季節性、實時性，同時生活生產中使用電能也存在高峰期和低谷期，這就要求進行電能的儲存，從而提高現有電力系統的穩定性和可靠性。本文將從目前在我國應用較為廣泛的電池儲能裝置、水力儲能裝置和風力儲能裝置幾個方面進行概述。
2.2.1 電池儲能裝置
我國對於電池儲能裝置的研究與其他其他儲能方式相比時間較早，可以將任意發電裝置產生的電力資源轉化為電池中的電能。其原理為利用小功率直流變換器是電池中的電流平穩；利用拓撲結構將電池集成實現電壓的高低和電流的變化；利用電壓型四象限變換器在實現功率的調節。利用電力電子裝置實現儲能的最優化、損耗的最小化的儲能系統。
2.2.2 水力儲能裝置
水力發電的儲能裝置一般採用抽水儲能，常見的方法為利用抽水蓄能機組中勵磁電流的頻率和幅值的轉換實現電力功率的轉換，從而實現電力供能中調峰填谷、備用緊急能源等不同的作用。
2.2.3 風力儲能裝置
風力儲能裝置利用壓縮空氣進行儲能，利用空氣壓縮機將剩餘的電力資源用空氣的壓力進行存儲，電能不足時，將空氣的勢能轉化為電能進行發電。
2.3 輸電階段
電力系統若想在輸電領域中實現長距離、高容量和低損耗的電力傳輸，需要電力電子裝置進行協助降低電能的損耗，如換流器、變流器。在輸電過程中長距離、高容量的電力傳輸一旦遇到意外災害可能會造成嚴重的經濟損失，電力電子裝置能夠及時的發現傳輸電力過程中的異常狀況，根據具體的情況進行決策，以免產生重大的經濟損失和資源浪費。
2.4 智能電網
智能電網是高度自動化、高度智能化的電力資源傳輸網路，利用自動化控制技術可對任意網路節點進行監控，實現節點間電力資源的雙向流動。智能電網中採用功率變換器對用戶的功率進行調節。利用電力電子裝置的集成可實現電網中控制器通過通信系統進行協同工作，實現電網的自動化控制，增強智能電網的穩定性和可靠性。
2.5 提高電能利用率
由於自然中可再生資源如水力、風力或是太陽能並非是長時間供應的，但是對於電能的需求卻逐年增加，因此電力系統必須降低電能的損耗、提高電能的使用效率。其中，鏈式靜止同步補償器可以通過無功補償降低電壓的擾動、維護電力系統的穩定性；諧波治理裝置可以降低電網中的諧波，抑制不必要的能量損耗；動態電壓恢復器通過對電壓暫降進行補償，降低電壓引起的電力設備的損害，從而保障電力系統的穩定性和可靠性運行。
3 電力電子裝置發展的建議
目前，我國在電力電子裝置的應用方面已經取得了較大的突破，但是距離世界頂級的電力系統中電力電子裝置的應用還有一定的差距。針對電力資源的大量需求和電力系統改善的需要，電力電子裝置應該加強以下幾個方面的研究。首先，增強電力系統的智能化，通過電力電子裝置的一體化設計，實現電力系統的自動化控制。其次，在發電階段加強風力發電換流器的可靠性與太陽能發電中逆變器的穩定性。再次，研究其他可再生能源發電的可行性與適用性。最後，增加電力系統出現故障時的應急措施，通過不斷改進控制演算法增強電力系統進行資源優化配置的能力，提高電力能源的使用效率。
4 總結
電力電子裝置是電力系統的重要基礎，在保障電力系統及時、准確和可靠運行等方面發揮舉足輕重的作用。換言之，電力電子裝置科技水平的高低直接影響電力系統自動化水平的高低，直接決定我國經濟的發展。因此，我國必須注重電力電子裝置的科研與開發，促進電力單位或企業與高校或其他科研單位的合作，致力於將先進的電力電子裝置應用於電力系統中，以便進一步滿足社會發展對電力資源日益增加的需求。

參考文獻：
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5. 電力電子裝置中採用軟開關技術的電路結構主要有哪些特點

軟開關優點1能夠提高系統的工作效率2能夠保證開關原件達到零電壓開啟零電流關斷3系統穩定性好4電路設計變得簡單5開關損耗低，體積相應縮小6缺點是電路設計成本高對開關原件和驅動電路要求高