电子电力变压器1——电力电子变换技术概述

20世纪40年代，在电能变换和传输领域，随着变压器设计制造技术的成熟和应用日益普及，人们又开始探索采用变压器以外的设备实现电能的变换和控制。1985年，第一只商用晶闸管（Thyristor，也被称为可控硅整流器SCR，Silicon Controlled Rectifier）的出现，标志着一门新兴技术--电力电子技术（Power Eletronics）的诞生。1974年，第四届国际电力电子会议提出了著名的W.Newell定义，这是首次对电力电子技术（或电力电子学）做出的定义，电力电子技术是横跨在电子技术、电力技术以及控制技术之间的交叉学科。

一，电力电子技术的内容

电力电子技术主要包括了两个方面的内容：一是电力电子器件（也称为电力半导体器件或功率开关）制造技术，二是电力电子变流技术。这二者相辅相成，共同决定了电力电子技术的发展水平和方向。

1，电力电子器件是电力电子技术的基础。自第一只晶闸管诞生以后，电力电子器件一直处于快速发展阶段，它先后经历了半控型器件时代、全控型器件时代以及复合型器件时代。半控型器件是电力电子技术发展初期的主要开关器件，其最大的特点是控制极只能控制其导通而不能控制其关断。半控型器件的典型代表是普通二极管（或者称为相控晶闸管）。

20世纪70年代，全控型器件开始实用化，全控型器件是指既可以控制其开通又可以控制其关断的电力电子器件，其典型代表有门极可关断晶闸管GTO（Gate Turn-off Thyristor）、功率双极结型晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor）和功率场效应晶体管P-MOSFET（Power MOSFET）等，全控型器件的出现，大大提高了电力电子开关的控制灵活性。

复合型器件的出现始于20世纪80年代，最具有代表性的器件有绝缘门极双极性晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transisitor）和集成门极换向晶闸管IGCT（Integrated Gate Commutated Turn-off Thyristor），他们仍然是全控型器件。复合型器件的特点是既具有良好的可驱动性，又具有大的电压和电流耐受能力，它们已成为电力电子技术中最具应用前景的开关器件。

电力电子器件经过近50多年的发展，无论是驱动方式，还是电压和电流定额，均得到了很大的提高。而且，随着固体电力电子技术、新材料技术的进一步快速发展，电力电子器件制造技术仍然在不断前进，其总体发展趋势是：高压、大功率、低功耗、复合型、集成化、模块化。

2，电力电子变流技术是指依靠利用电力电子器件构成的各种电力电子变换器灵活地实现电能在各种形态间变换。它实际上包括两个方面的内容：

①电力电子变换器技术；

②控制技术

利用电力电子变换器实现的电力变换，有四类基本变换，它们是：实现交流电到直流电变换的整流（AC-DC）、实现直流电到交流电的逆变（DC-AC）、实现直流电到直流电的直流斩波（DC-DC）以及实现交流电到交流电的交流斩波（AC-AC），如下图所示。

这相对于只能实现电压等级变换的常规电力变压器而言，具有更广泛的意义。利用这四类基本变换，可以构成许多种复合型电力电子变换器。

二，大功率电力电子技术的应用

电力电子技术的应用主要有两类：第一类应用，电力电子开关型变换电源，这是以往40年间电力电子变流技术的主要应用领域；第二类应用，电力电子开关型电力补偿、控制器，未来20年间，将会在电力系统（发电，输电，配电）及负载电能质量控制领域得到广泛应用。

已有的研究成果表明，大功率电力电子技术应用于电力系统可提高输电能力和供电可靠性，改善电能质量，提高电网运行稳定性；同时使电气设备重量减轻、体积变小，节省大量铜、钢等原材料，广泛采用电力电子技术以后，还可以大幅度节能降耗，从而节约大量资源和一次能源，改善人类的生活环境。

1，高压直流输电

高压直流输电技术自1954年在瑞典投入工业化运行以来，全世界40多个国家建立和计划中的直流输电工程已经超过100个，总设备容量超过100GW.同时，在全控型大功率电力电子器件发展的推动下，新一代直流输电技术--轻型直流输电（HVDC Light，或称柔性直流输电）也已出现，它采用GTO、IGCT或IGBT等全控型功率器件构成电压源型换流站，应用PWM（Pulse Width Modulation）控制技术，实现电能变换和传输。其接受端既可以是有源网络，也可以是无源网络，能够实现对潮流、输出电压的大小和频率灵活控制。

2，柔性直流输电

根据1997年IEEE PES冬季会议上对FACTS的定义，所谓柔性交流输电系统，即是装有电力电子控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。20实际80年代FACTS技术的提出，极大地推进了电力电子技术在交流输电系统中的应用。从装置的角度来看，FACTS技术已经发展了第三代--复合型FACTS，即将两台或多台控制器复合成一组FACTS装置，并使其具有一个共同的、统一的控制系统。典型的FACTS控制器有：静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），晶闸管控制串联电容补偿器（Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC），静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator，SSSC）以及统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）等。

另外还有很多FACTS设备正处于研究开发或初步应用阶段，例如：晶闸管控制制动电阻（Thyristor Controlled Braking Resistor，TCBR），晶闸管控制移相器（Thyristor Controlled Phase Shifter，TCPS），超导储能器（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）等。

3，用户电力技术

用户电力技术是FACTS技术在配电系统的延伸，它和FACTS技术属于姊妹型技术，它们的共同基础是电力电子技术，各自的控制器也在结构上相似，其差别通常仅在于额定电气值和控制目标不同。用户电力技术的目的是在配电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量，具有代表性的用户电力技术装置有：动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR），固态断路器（Solid State Circuit Breaker，SSCB），故障电流限制器（Fault Current Limiter，FCL），有源电力滤波器（Active Power Filter，APF），统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）和功率因数校正器（Power Factor Correction，PFC）等。

这些电力电子装置的出现，使电力系统的运行方式发生了深刻的变化，产生了深远的影响。通过控制这些电力电子设备来提高电力系统稳定性、优化系统各线路潮流的大小和流向，降低网络传输损耗，提高电能传输效率或者改善电能质量等。

大功率电力电子技术已被引入到滤波器、断路器、电流限制器的设计中，并取得了良好的效果。因此，是否也有可能将电力电子技术应用到变压器的设计中，使变压器的功能得以扩展，是一个值得研究的课题。电力电子变压器（Electronic Power Ttansformer，EPT）正是在这一背景下出现的一种新型变压器。这是一种通过电力电子变换和电磁耦合实现电力系统中的电压变换和能量传递的新型智能变压器。

电子电力变压器1——电力电子变换技术概述

导语

20世纪40年代，正值二战期间，战场上各种武器层出不穷，让人目不暇接。

在当时最流行的武器中，电子管式装置凭借其超高的作战效能备受青睐。

同时，在战争结束后，电子管式装置收到的影响也逐渐扩大，各个国家开始将其逐渐转化为民用端的设备，用于电力端。

1947年，贝尔电话实验室成功推出了第一个半导体器件——点接触晶体管，正式开启了电子电力变压器的发展时代。

而在1985年，全球第一款商用晶闸管问世，其出台被认为是电力电子技术领域的一次重大突破。

我国在1989年也推出了第一款商用晶闸管，由此打开了我国电力电子技术的新时代。

那么，电力电子技术到底是什么?

它又有哪些应用?

电力电子技术概述

电力电子技术又被称作电力电子学，是指电子技术、电力技术以及控制技术的交叉学科。

它是我国在进行电力相关设备升级和改造进程中，逐渐发展起来的一个新兴学科。

作为电力电子技术的重要组成部分，电力电子器件和电力电子变流技术共同构成了电力电子学的主要理论基础和技术支撑。

在电力电子器件方面，伴随着技术的逐步发展，电力电子器件的形式也不断演化。

在技术刚刚兴起时，最为原始的电力电子器件实际上是采用真空管或者晶体管来进行电压的转换。

在1950年代，随着半导体材料和器件的深入研究，基于晶体管的器件逐渐转向了采用半控型器件的方案。

此方案的优势在于相较于真空管，半控型器件不仅体积更小、重量更轻，同时抗振动能力更强，并且有着更高的操作安全性。

而且由于采用了半控型器件的方案，电力电子器件的控制灵活性得到了显著提升。

然而，随着技术的进一步发展，科研人员发现半控型器件在操作灵活性和反应速度方面仍然存在一定的不足，于是他们开始向全控型器件的方向努力。

在1960年代，全控型器件正式问世，其中最为典型的就是晶闸管。

全控型器件的出现不仅进一步提高了电力开关的控制灵活性，同时还极大地提升了开关的工作效率。

在1970年代，复合型器件相继问世，其中最为典型的就是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和绝缘栅换流管(IGCT)。

这些复合型器件凭借其优越的性能和广泛的适用性，迅速获得了市场的认可和广泛应用。

然而，尽管复合型器件在电力电子技术领域发挥了重要的作用，但在其发展过程中，科研人员并未止步不前，而是继续进行深入研究和改进。

随着时间的推移，复合型器件逐渐演化出多种新型器件，这些新型器件在性能、效率和控制能力方面取得了显著的提升。

电力电子器件技术的发展不仅为电力系统的稳定性和可靠性提供了保障。

电力电子变流技术是电力电子技术的核心内容之一，它涉及到交流电和直流电之间的相互变换过程。

电力电子变流技术可以实现电能在多种形态之间的灵活变换，主要包括AC-DC、DC-AC、DC-DC和AC-AC四类基本变换。

其核心原理是通过控制电力电子器件的开关状态，以达到改变电流类型、频率或者电压等参数的目的。

电力电子变流技术在电力系统中发挥着重要的作用，主要应用于高压直流输电和柔性交流输电等领域。

高压直流输电技术允许远距离电能以直流的形式进行输送，这种技术不仅提高了电网的输电能力，还降低了输电损耗，极大地提升了电力资源的利用效率。

柔性交流输电技术则通过控制交流电的相位和幅度，以实现对电力系统中功率流向和功率分配的灵活调节。

这种技术在电力系统中起到了稳定电网、降低功率波动和提高系统可靠性的作用。

随着电力电子技术的发展，电力电子变流技术的应用范围也在不断扩展。

未来，电力电子变流技术有望在电力质量控制和自适应控制等方面发挥更加重要的作用。

通过对电力电子器件和变流技术的深入研究和应用，我们能够更好地实现对电能的高效利用和可控管理，为电力系统的稳定运行和可持续发展提供有力保障。

电力电子技术应用分析。

电力电子技术在多个领域具有广泛的应用，其主要作用是在电力系统中进行电能的高效变换和控制。

以下是电力电子技术的几个重要应用领域:

1. 高压直流输电技术(HVDC)

高压直流输电技术是电力电子技术在电力传输中的重要应用之一。

传统的交流输电技术在长距离输电中存在一定的损耗和效率问题，而高压直流输电技术通过将电能以直流的形式进行输送，能够显著提高输电效率并降低线路损耗。

高压直流输电技术应用于远距离大功率电能的输送，能够有效降低输送过程中的能量损失，并能够将电能进行高效转换和调节。

这种技术在多个国家中得到了广泛应用，特别是在中国，随着多个大型高压直流输电项目的建设和运营，高压直流输电技术逐渐成为国家间电力资源优化配置的核心技术之一。

高压直流输电技术的应用，推动了电力电子器件和控制技术的发展，并为电力系统的稳定性和灵活性提供了有力保障。

2. 柔性交流输电系统(FACTS)

柔性交流输电系统是电力电子技术在交流输电中的一种先进应用。

传统的交流输电系统在面对负荷波动、故障和电力流向变化时，往往难以迅速调整电力传输状态，从而导致电力网络的稳定性和可靠性降低。

柔性交流输电系统通过引入基于电力电子技术的设备，能够实时监测并调整电力系统中的功率流动，使电力系统能够更灵活地应对各种电力需求和故障情况。

这些设备包括静态无功补偿器(SVC)、固定串联电容器(FC)和统一潮流控制器(UPFC)等。

柔性交流输电系统的优势在于能够提高电力系统的稳定性、提高电力传输能力并降低投资成本。

通过电力电子技术的应用，柔性交流输电系统为电力网络提供了更高的灵活性和可控性，使其能够更好地适应现代电力市场的需求和挑战。

3. 用户电力技术

用户电力技术是指在用户端利用电力电子设备实现对电力供给和消耗的优化管理。

随着可再生能源的广泛应用，用户电力技术逐渐成为电力电子技术的重要应用领域之一。

电力电子技术在用户电力端的应用主要体现在配电系统和负荷管理上。

通过使用电力电子变换器，将可再生能源生成的电能与电网实现高效互联，从而在不影响供电可靠性的前提下，将可再生能源资源最大化利用。

同时，电力电子技术还可以在用户端实现对负荷的智能调度和管理。

通过电力电子设备对负荷进行实时监测和分析，根据电力市场价格波动和电力需求变化，智能调节用电负荷以实现节能和降低电费支出。

此外，电力电子技术还能够支持用户端的储能系统，通过电池或超导储能装置实现对电力的储存和释放，以应对电力需求的高峰期和低谷期。

这种灵活性和可控性使用户能够更好地管理和优化自身电力资源，提高能源利用效率。

结语

电力电子技术作为一个交叉学科，在电力系统中发挥着越来越重要的作用。

通过高效灵活的电能变换和控制，电力电子技术为电力传输和利用提供了更高的效率和稳定性。

随着电力电子技术的不断发展，我们能够更好地适应现代电力系统的需求，为可持续发展和能源利用提供有力保障。

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