电气工程新技术参考资料

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1、智能电网（smart power grids），就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。“自愈”指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来并且在很少或不用人为干预的情况下可以使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。智能电网必须更加可靠智能电网不管用户在何时何地

2、，都能提供可靠的电力供应。它对电网可能出现的问题提出充分的告警，并能忍受大多数的电网扰动而不会断电。智能电网必须更加安全智能电网能够经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电或者不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。智能电网必须更加经济智能电网运行在供求平衡的基本规律之下，价格公平且供应充足。 孙元章 智能电网的研究与发展趋势广域测量系统（Wide Area Measurement System,WAMS)是以同步向量测量技术为基础，以电力系统动态过程检测、分析和控制为目标的实时监控系统。WAMS具有异地高精度同步向量测量、高速通信和快速反映等技术特点，非常适合大跨度电网，尤其

3、是我国互联电网的动态过程实时监控。采用PMU技术能方便地实现相量测量、扰动监测，可直接反映系统的各种扰动，检测和记录电力系统的非常运行状态，将现有的监测由静态提高到动态水平。可实现动态电网安全稳定预警，最早时间内实现预先调整，最大程度地减小事故范围，是加强电网监测、提高安全预警能力和趋势分析的重要手段，同时也可为能量管理系统(EMS)、计算分析软件等提供实时数据，从而提高系统监测的实时性，为电网的安全稳定运行和电力市场服务。实时监测是广域测量系统应用到调度台上的重要功能。根据WAMS直接测量母线电压角度的优势，实现与角度相关的静态和动态过程监视、发电机功角监视;根据WAMS数据密度大，实时性强

4、的优势，应重点实现功率、频率、电压等调度常规监测物理量的动态过程监视。 林涛 电力系统广域量测系统技术电力系统可靠性评估(Reliability Evaluation of Electric System)是指对电力系统设施或网架结构的静态或动态性能,或各种性能改进措施的效果是否满足规定的可靠性准则进行分析、预计和认定的系列工作。工作包含基于系统偶发故障的概率分布及其后果分析，对系统持续供电能力进行快速和准确的评价，找出影响系统可靠性水平的薄弱环节以寻求改善可靠性水平的措施，为电力系统规划和运行提供决策支持。电力系统可靠性评估分为充裕度评估和安全性评估。充裕度评估可分为以下三个层次：发电设备可

5、靠性评估或电源可靠性评估；发输电系统（大电力系统）可靠性评估 ；整体可靠性评估，包括发电、输电和配电三个部分。 安全性评估也称动态可靠性评估，即在电力系统承受突然发生扰动的动态条件下（例如发生短路），评估电力系统经受住突然扰动时能否不间断地向用户供电的能力。 丁坚勇 电力系统可靠性评估技术及应用物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。智能电网的实现，首先依赖于电网各个环节重要运行参数的在线监测和实时信息掌控，物联网作为推动

6、智能电网发展的信息感知和“物物互联”重要技术手段，已经在电力设备状态监测、智能巡检、用电信息采集、智能用电等方面得到一定范围的应用。利用物联网技术在常规机组内部布置传感监测点，可了解机组的运行情况，包括各种技术指标与参数，从而提高常规机组状态监测的水平。利用物联网技术，可以提高对输电线路、高压电气等电网设备的感知能力，并很好地结合信息通信网络，实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，提高电网的技术水平和智能化水平。利用物联网技术， 可以提高电网设备的自动化和数字化水平、设备检修水平及自动诊断水平。通过物联网可对设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息进行实时监测和预警诊断，提前做好故障预

7、判、设备检修等工作。 孙云莲 物联网及其在电力系统应用风力发电的原理,简单来说：风力发电原理是把风的动能转换为风轮轴的机械能最后到电能！双馈电机是在大型风电机组应用最为广泛的一种电机，具有其独特的优点。下面根据讲座的内容简略的介绍一下双馈电机。现代变速双馈风力发电机的工作原理:就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。在风力发电中，由于风速变幻莫测，使对其的利用存在一定的困难。所以改善风力发电技术，提高风力发电机组的效率，

8、最充分地利用风能资源，有着十分重要的意义。任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。 应黎明 机电能量转换(大型风力发电机组及其控制系统）永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能

9、、尺寸和电机运行状态而变化。永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。永磁发电机的优点：体积小、重量轻、比功率大；结构简单、可靠性高；中、低速发电性能好；能显著地延长蓄电池寿命，减少蓄电池维护工作。稀土永磁同步电机的开发与应用扩大了永磁同步电动机在各个行业的应用，稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。它与电力电子技术和微电子控

10、制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电一体化产品，如数控机床，加工中心，柔性生产线，机器人，电动车，高性能家用电器，计算机等等。 樊亚东 电磁分析新技术（永磁电机概述）等离子体广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。等离子体是物质的第四态，即电离子的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星

11、不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99。低温等离子体是在 常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。等离子体与气体的性质差异很大，分子之间相互作用力是短程力，局部短程碰撞才有效果，等离子体中起主导作用的是长程的库仑力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，而且电子的质量很小，可以自由运动，因此等离子体中存在显著的集体过程，如振荡与波动行为。脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，它是一个研究在相对较长的时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域。脉冲功率技术在

12、技术上的特征是： 高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。脉冲功率技术的研究内容主要是能量的储存、高功率脉冲的产生和应用。一般包括下列内容。（1能量的储存： 电容储能、电感储能、机械储能（脉冲发电机组、单极脉冲发电机等）、化学能储能（蓄电瓶、炸药等）。如何提高储能密度和高效率地把储存的能量传输给形成线，这是能量储存研究中的重要课题。（2）高功率脉冲的产生： 用传输线方法获得高压纳秒级高功率脉冲，常用的是 Blumlein 传输线和单传输线技术、大容量电容器组并联放电技术、Marx 发生器及 Marx 陡化电容器技术以及如何获得更高功率的脉冲（如1000TW），并高效率地把能量传输给负载。（

13、3）开关技术： 开关是脉冲功率装置中的关键器件之一。要求开关通流能力大、固有电感小、放电时延及其分散性小等。开关种类繁多，如： 场畸变火花开关、多极多通道开关、激光开关、磁开关、光导半导体开关、水开关和等离子体断路开关等，主要研究开关的放电过程及物理特性。 （4） 脉冲功率装置及其相关技术： 作为负载的真空二极管、纳秒级高电压脉冲下介质的绝缘特性及相关的测量与诊断技术。 陈仕修 等离子体与脉冲功率新技术所谓绝缘就是使用不导电的物质将带电体隔离或包裹起来，以对触电起保护作用的一种安全措施。良好的绝缘对于保证电气设备与线路的安全运行，防止人身触电事故的发生是最基本的和最可靠的手段。绝缘通常可分为气

14、体绝缘、液体绝缘和固体绝缘三类。在实际应用中，固体绝缘仍是最为广泛使用，且最为可靠的一种绝缘物质。有强电作用下，绝缘物质可能被击穿而丧失其绝缘性能。在上述三种绝缘物质中，气体绝缘物质被击穿后，一旦去掉外界因素（强电场）后即可自行恢复其固有的电气绝缘性能；而固体绝缘物质被击穿以后，则不可逆地完全丧失了其电气绝缘性能。因此，电气线路与设备的绝缘选择必须与电压等级相配合，而且须与使用环境及运行条件相适应，以保证绝缘的安全作用。 内绝缘：设备内部绝缘的固体、液体、气体部分，基本不受大气、污秽、潮湿、异物等外界条件影。外绝缘：暴露在大气环境中的空气间隙及设备固体绝缘的外露表面(的绝缘)。其绝缘耐受强度随

15、大气环境条件(如气压、温度、湿度、淋雨、污秽、覆冰等)的变化而变化。接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。 王建国 绝缘与接地技术纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米

16、科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术。纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。随着我国经济飞速发展，新建变电站容量不断增加及投入运行的输电线路越来越多，对接地网的要求也越来越严格。在输电、变电、配电等电力系统中，要求接地网与大地的接触电阻越小越好。假如接地网遭受严重腐蚀，带电设备在运行满足不了要求时就会发生短路而烧断接地网，导致电位升高，高压窜入二次回路，造成人身设备事故，因此接地网是电力系统安全运行的重要保障之一，它能防止

17、电网高压窜入二次回路及操作系统，从而保护人身和设备安全。电力系统接地网的腐蚀与防护研究关乎电力工业安全生产，其对电力系统的重要性不言而喻。而导电涂料在对接地网腐蚀的保护中发挥着重要的作用，随着纳米技术的发展，其在电力系统中将会得到更加广泛的应用。纳米材料的表面效应在能量储存和转换上有很大的应用空间。促进了新型电池的发展以及能源的利用率，提高电池的寿命和功率密度。 蓝磊 纳米技术及其在电力系统应用能源以煤炭为主，可再生资源开发利用程度很低。在世界能源由煤炭为主向油气为主的结构转变过程中，中国仍是世界上极少数几个能源以煤为主的国家之一。能源消费总量不断增长，能源利用效率较低。随着经济规模的不断扩大

18、，中国的能源消费呈持续上升趋势。能源消费以国内供应为主，环境污染状况加剧，优质能源供应不足。中国经济发展主要建立在国产能源生产与供应基础之上，能源技术装备也主要依靠国内供应。核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳。核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经

19、济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。核能发展对安全要求高，核岛对扰动敏感电压，频率的稳定性要求高；核能的停堆换料时间长有足够的备用容量；功率调节复杂，调节速度慢暂态动态稳定性；大机组扰动，对电网冲击大调峰、调频容量；要坚持“安全第一”的核电发展原则。 刘涤尘 核电新技术及接入电网技术电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。从20世纪50年代中到70年代

20、末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用,今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展

21、。 査小明 电力电子新技术 现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具 体应用。 当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。 1. 电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起

22、始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 1.1 整流器时代 大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电

23、转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。 1.2 逆变器时代 七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作

24、频率较低,仅局限在中低频范围内。 1.3 变频器时代 进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展

25、不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。 2. 现代电力电子的应用领域 2.1 计算机高效率绿色电源 高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。 计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日能源之星

26、计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。 2.2 通信用高频开关电源 通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器

27、SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。 因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。 2.3 直流-直流(D

28、C/DC)变换器 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产

29、了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。 2.4 不间断电源(UPS) 不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。 现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断目前在线式U

30、PS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。 2.5 变频器电源 变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。 国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调

31、器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。 2.6 高频逆变式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。 逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC

32、)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。 由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。 国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压6075V,电

33、流调节范围5300A,重量29kg。 2.7 大功率开关型高压直流电源 大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。 自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。 国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采

34、用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。 2.8 电力有源滤波器 传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓电力公害,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(7080)%,网侧功率因数仅有0.50.6。 电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变

35、换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。 2.9 分布式开关电源供电系统 分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。 八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,

36、使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。 分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。 3. 高频开关电源的发展趋势 在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路

37、非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。 3.1 高频化 理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电

38、源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统整流行业的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为开关变换类电源,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。 3.2 模块化 模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于标准功率模块(SPM)。近年,

39、有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了智能化功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了用户专用功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散

40、热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。 3.3 数字化 在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术 拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日

41、趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。 3.4 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(

42、或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。 总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的

43、发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。 张惠 电力电子新技术电能质量问题的提出由来已久, 在电力系统发展的早期, 电力负荷的组成比较简单, 主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成,因此衡量电能质量的指标也比较简单, 主要有频率偏移和电压偏移两种。20 世纪80 年代以来, 随着电力电子技术的发展,

44、 非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛应用, 同时, 为了解决电力系统自身发展存在的问题, 直流输电和FACTS 技术不断投入实际工程应用, 调速电机以及无功功率补偿电容器也大量投入运营。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重, 谐波水平不断上升。另外, 冲击性、波动性负荷, 例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等, 运行中不仅会产生大量的高次谐波, 而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题。但另一方面, 随着各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及, 人们对电能质量的要求越来越高, 因而电能质量成为目前研究的热点。电能质量评价指标:电压中断,频率偏

45、差,电压下跌，电压上升时间，瞬时脉冲，电压波动，谐波，间谐波，过电压，欠电压。改善电能质量的装置和措施很多, 以大功率电力电子器件为核心单元的新型装置可以用来有效地抑制或抵消电力系统中出现的各种短时、瞬时扰动,而常规措施则很好地适用于稳态电压调整。电能质量控制装置按功能可分为以下三大类: 无功补偿装置、滤波器和着重于解决暂态电能质量问题的统一电能质量调节器(U PQC)。要想使电能质量控制装置充分发挥其设计功能, 采用准确、高效的分析与控制方法是至关重要的。首先要获得及时、准确的有关“源”信息, 如三相电压、三相电流、中线电流及中线对地电压等, 然后对这些源信息进行实时、快速的分析, 得到所需

46、的控制信息, 控制装置根据这些控制信息, 采用适当的控制方法产生相应的动作, 最终才能得到理想的补偿效果。 陈柏超 电能质量控制新技术所谓信号处理，就是要把记录在某种媒体上的信号进行处理，以便抽取出有用信息的过程，它是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。信号处理的目的削弱信号中的多余内容；滤出混杂的噪声和干扰；或者将信号变换成容易处理、传输、分析与识别的形式，以便后续的其它处理。控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象

47、达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。基于80C196KC MCU的无功功率检测控制器利用数字信号处理的理论，在技术上实现了数字滤波、相位差的计算和谐波谱分析等。本检测控制器通过试运行，效果良好，在功能上和精度上实现了设计要求。对电网波动不太剧烈的场合，控制效果令人满意。为了更快地跟踪并补偿电网的无功成分，可考虑用DSP芯片，以提高处理的速度。为了得到各信号间的相关特征，可选用高速、高精度、多通道同步采样A/D转换器，以进一步提高补偿效果。电力系统具有相应于电压等级的分层结构。现代调度组织也具有由中心调度所及其下属的许多地区调度所形成的分层结构。因此，为了构成达到预期目的的综合自动化系统，把所有正在发展中的地区调度所及发电厂、变电站的自动化完善地协调起来以形成分层控制系统是比较现实的。采用分层控制系统的重要意义在于提高供电可靠性和使调度工作省力化。为实现这一目标，除了投入许多资金、人力和物力以外，还需处理涉及到的系统调度技术、组织关系、计算机技术和通信技术等多方面问题。电力系统从频率自动控制和电压无功功率控制等维持电能质量方面实现自动化以后，最终必然可以实现电力系统经济运行的自动化。 刘开培 现代信号处理与控制理论及其在电力系统应用 11 / 11