徐齊 嚴嘉豪 韓雷 文亮力

摘 要：電力電子經歷了從無到有，從有到廣的過程。特別在近20年來，電力電子技術以它的強大生命力迅速發(fā)展壯大。說到它的廣包括了很多方面：電力變換種類廣、主電路拓撲結構廣、控制IC種類廣、應用領域范圍廣。在下文中我將針對電力電子發(fā)展史、電力變換種類和應用領域談談自己的理解。

關鍵詞：電力電子;風力發(fā)電;電子器件;PFC

1.電力電子發(fā)展史

大家普遍認為，1957年在美國的通用電氣公司研制出了世界上第一個晶閘管，這一事件象征著電力電子技術的誕生。而我們把晶閘管出現之前的時期通常稱之為電力電子技術的黎明期也可以稱為史前期。史前期的電力電子技術的發(fā)展比較坎坷大致經歷了以下事件：1902年制造出了第一個玻璃的汞弧整流器。1910年制造出了鐵殼汞弧整流器。用汞弧整流器來代替?zhèn)鹘y的機械式開關和換流器這一操作的實現，成為了電力電子技術的發(fā)端。1920年經過科學家不懈的努力試制出氧化銅整流器，并在1923年技術進一步突破，出現了硒整流器。

晶閘管屬于半控型器件，其關斷通常依靠其兩端的電壓的變化來實現，這是晶閘管的應用受到限制的一大弊端。在20世紀70年代涌現了大量的全控型電力電子器件，如：GTO、BJT、Power-MOSFET。其優(yōu)越的自關斷特性使其可以快速占領電力電子市場而且其優(yōu)越的控制特性使電力電子技術的運用越來越廣泛，把電力電子技術推進到一個全新的發(fā)展階段，具有跨時代的意義。在20世紀80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復合型器件在高壓大電流領域以極快速度發(fā)展起來并取得了巨大成就。

2.電力變換類型

電力變換的種類按其變換的電信號類型可分為四種：交直變換（AC-DC）、直直變換（DC-DC）、直交變換（DC-AC）、交交變換（AC-AC）。下面我就對這四種電力變換談談自己的理解和認知。

AC-DC變換器又稱整流電路。傳統整流電路采用四個二極管將交流電整流成脈動的直流電，再通過大電解電容濾波成紋波較大的直流電，后級加DC-DC變換裝置輸出就可以變壓或橫流。但這種做法存在一定的問題，輸入的PF值在60%-70%左右，向電網注入大量諧波，這是不被允許的。所以PFC技術應運而生，啟用獨特的控制方法使輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，以使輸入PF值接近于1。其中BOOST PFC變換器由于電路結構簡單、輸出電壓紋波小、功率因素高且成本低在實際中受到了廣泛使用。PFC又包括雙級電路結構和單極電路結構：1、雙級電路結構指前級為PFC、后級DC-DC變換電路;雙級電路結構的優(yōu)點在于輸入PF值較單極電路結構要高，輸出的動態(tài)穩(wěn)定性更好，紋波也更小。2單極電路結構指一級PFC直接滿足輸出要求，其優(yōu)點在于單極結構效率高，成本低。

DC-DC電路又稱直流斬波電路。目前越來越向高功率密度、大電流、模塊化發(fā)展。傳統主電路拓撲有隔離型和非隔離型：1、非隔離型包括：Boost變換器、Buck變換器、Buck-Boost變換器、Cuk變換器、Zeta變換器、Sepic變換器、電容泵;2、隔離型包括：反激變換器（Flyback）、正激變換器（Forward）、推挽變換器（Push-Pull）、半橋變換器（Half-Bridge）、全橋變換器（Full-Bridge）。新型的主電路拓撲結構有移相控制全橋軟開關DC-DC變換器、有源鉗位正激變換器等等。

DC-AC電路又稱逆變電路。傳統的解決辦法是采用正弦脈寬調制技術（SPWM），SPWM技術可分為單極性和雙極性。工程中多用雙極性SPWM，是因為在輸出電壓過零時，單極性的控制電路要輸出占空比接近于零的矩形波，較難實現，而雙極性控制電路只需輸出占空比為50%的矩形波即可，較容易實現。目前較為前沿的逆變技術是電壓空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）。

AC-AC電路又稱交流電力控制。傳統的方法是用兩組晶閘管整流電路，一組輸出正壓，一組輸出負壓，通過調節(jié)觸發(fā)角的大小可以控制輸出電壓的幅值和頻率，但只能用于降壓和降頻，有很大的局限性且輸出電壓和電流的波形畸變較大。目前常用的方法是AC-DC+DC-AC兩級電路，這種方式可以方便的對電壓的幅值和頻率進行升降調節(jié)。如果外加鎖相環(huán)的話既可實現兩電網間的相互供電，即是直流輸電的基本原理。

3.新能源發(fā)電于新型電力電子技術

下面我將從新能源并網、UPS電源、家庭常用電源說起。

新能源并網中的風力發(fā)電和交流發(fā)電采用了大量的電力電子技術。1、在變速恒頻風力發(fā)電系統中，變頻裝置對發(fā)電機到電網的能量傳遞起決定性作用。對于交直交變頻器來說，它能夠有效地解決輸入側功率因數低、交交變頻器的輸出電壓諧波多等缺點，同時它能夠減少功率元件的使用數量，易于雙向變流和控制策略的實現。變速恒頻雙饋電機風力發(fā)電系統和無刷雙饋電機風力發(fā)電系統運用交直交變頻器效果就十分顯著。眾所周知，風電機組在變速狀態(tài)工作可以采集并獲得最大的風能而且可以采用機械應力較小的材料以節(jié)省成本，減少噪音，所以在海上風電場中，一般采用電力電子變頻器來實現有功和無功的控制。2、在光伏發(fā)電系統中最為重要的就是太陽能光伏板和電池之間的DC-DC電路和電池與電網之間的DC-AC電路。獨立供電的光伏系統包含了上述的兩種電路;并網光伏系統采用的是光伏板到電網的一級DC-AC電路，中間不設儲能裝置。

UPS電源又稱不間斷電源，主要由整流器（PFC電路）、逆變器、蓄電池組、交流濾波器、靜態(tài)開關、旁路電源等組成。整流器將市電交流電轉換為直流電，經濾波后供給逆變器并且給蓄電池提供充電電壓。逆變器是UPS的核心部分，為了能讓用戶得到所需的恒壓恒頻的交流電，它主要負責把整流濾波后得到的直流電或蓄電池儲存的直流電轉化為交流電，從而滿足用戶需求。靜態(tài)開關采用的是兩個反向并聯的晶閘管用于連接和切除負載。

家庭常用電源包括充電器、調功裝置。手機充電器一般采用的是反激變換器，電腦充電器一般采用半橋或全橋變換器。常見的調功裝置有臺燈亮度調節(jié)裝置、電熱爐發(fā)熱量調節(jié)裝置，采用的是兩晶閘管反向并聯通過關斷幾個整周波再接通幾個整周波來起到調節(jié)輸出功率的目的。

4.結束語

由以上討論可知，電力電子技術在最近的20年期間有了飛速的發(fā)展，并且不斷滲透進我們生活的每個方面，它的出現大大加快了工業(yè)和社會電氣化的腳步，推動了人工智能和大數據的發(fā)展。電力電子的的發(fā)展賦予了電氣工程新的生命，加快了電氣工程的自我革新。

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作者簡介

徐齊（1995—），男，漢族，四川遂寧，西華大學電氣與電子信息學院本科，研究方向：電氣工程及其自動化。

嚴嘉豪（1998—），男，漢族，四川樂山，西華大學電氣與電子信息學院本科，研究方向：電氣工程及其自動化。

韓雷（1998—），男，漢族，四川瀘州，西華大學電氣與電子信息學院本科，研究方向：電氣工程及其自動化。

文亮力（1997—），男，漢族，四川達州，西華大學電氣與電子信息學院本科，研究方向：電氣工程及其自動化。