我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇

1、2004年8月 第19卷第8期电 工 技 术 学 报TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYVol.19 No.8 Aug. 2004我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇钱照明 张军明 吕征宇 彭方正 汪逍生（浙江大学电气工程学院 杭州 310027）摘要 对电力电子器件方面的最新发展和电力电子与电力传动技术在可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制、牵引、电机驱动、绿色照明中的应用及电力电子系统集成等进行了综述，指出我国电力电子与电力传动产业面临着良好的机遇和严峻的挑战。关键词：电力电子与电力传动 挑战与机遇 电力电子应用 电力电子系统集

2、成 中图分类号：TN60；TM921.0Challenge and Opportunity for Power Electronics andElectrical Drive in ChinaQian Zhaoming Zhang Junming L ü Zhengyu Peng Fangzheng Wang Yousheng（Zhejiang University Hangzhou 310027 China）Abstract Newest developments in power devices and applications of power electronics and

3、electrical drives for the renewable energy sources, the distributed power system, the energy quality control, the traction and motor drive, and the green lighting, as well as the power electronic system integration have been reviewed. It is pointed that the power electronics and electrical drives in

4、dustry in China is facing both good opportunity and serious challenge.Keywords ：Power electronics and electrical drives, challenge and opportunity, applied power electronics, power electronic system integration用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门，它们与数字及计算机控制技术的密切结合，已迅速发展成为一个跨学科的高新技术2。我国是一个发展中的国家，目前尚处于前工业化阶段，传统产业仍然是我

5、国国民经济的主力军，因此在近期或在较长一段时期内，传统产业的改造和发展将在很大程度上决定着我国经济的发展。电力、机械、冶金、石油、化工、交通运输是传统产业的重要支柱，这些产业技术水平的高低直接关系到我国工业基础的强弱。特别是，近年来随着经济的稳步发展，巨大的电力缺口与人们对电力的强烈需求之间的矛盾越来越明显，据统计，至1999年底全国总装机容量为2.9×106MW ；而国家预测到2010年的电力需求量将为5.4×106MW ，存在着近2.5×106MW 的电力缺口。由于我国常规能源资源的有限性和环保的巨大压力，能源建设必须走节电和开发利用可再生能源之路，这就决定了

6、在今后相当长的一段时期内，我国国民经济的发展和巨大的1 引言自从第一支晶闸管问世，电力电子器件和应用技术的发展已有近50年的历史。电力电子器件的发展经历了不控和半控器件、电流全控器件、电压全控器件和功率集成电路(Power IC等若干阶段。从最初的汞弧器件到目前的硅半导体器件，器件的体积减小了3到4个数量级；大功率时的开关时间从毫秒级降到了微秒级，低功率时甚至达到了纳秒级；工作频率从50Hz 增加到兆赫级；变流器的功率水平从微伏安提高到几百兆伏安；封装与制造技术从单片微电子芯片制造技术直至用到高电压技术2。电力电子与电力传动技术的每个进步均已得到实际应用，它们在改造传统产业（电力、机械、矿冶、

7、交通、化工、轻纺等），发展高新技术（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源中具有极其重要的作用, 电力电子技术已成为当今任何高新技术系统中不可缺少的关键技术之一， 其应第19卷第8期钱照明等 我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇11用户市场对电力电子与电力传动应用技术具有巨大的、持久的需求，这就意味着我国电力电子和电力传动产业面临着良好的机遇。经济学家认为21世纪的经济将发生巨大变革，知识经济开始替代工业经济，这对世界经济的发展将有很大推动力。今后世界市场的竞争主要表现为高新技术的竞争，谁拥有电力电子这种先进的高新科技产品，谁就掌握竞争的优势。面临我国已加入世贸组织和必须适应国际大循环的

8、形势，我们面临着严峻的挑战，因为总体说来我国当前电力电子与电力传动技术的水平落后于国际先进水平，远远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击，因此，我们必需清醒地认识到这一挑战并且要勇敢地面对。本文将着重介绍电力电子与电力传动应用技术的最新动态，分析我们面临的技术挑战，以期我国电力电子和电力传动产业，在该领域的研究有所突破，工程技术人员能迎接挑战、抓住机遇，为我国电力电子与电力传动技术赶上世界先进水平作出贡献。2 电力电子器件的发展电力电子技术是伴随着电力电子器件的出现和发展而发展的。伴随硅技术的进步，电力电子器件取得了显著的进展，如图1所示。它的发展历史可以划分成三个时期

9、：第一时期19501960年为摇篮期，在这一时期中，半导体器件包括电力电子器件的关键技术几乎全部得以完善；第二个时期19701980年末，可以称之为成长期。主要的电力电子器件像MOSFET 、IGBT 、GTO 和光触发晶闸管等迅速发展，功率变换对电力电子器件的主要要求随着上述器件的问世都基本上得以满足；第三个时期从1990年初一直到目前，为充分成长成熟期，基于硅材料的电压全控型电力电子器件和智能型集成功率模块技术得到了进一步的完善和发展1。 图1 功率半导体器件发展1Fig.1 Development of the Semiconductor power devices1在电力电子器件的发展

10、过程中，功率频率乘积（power frequency product）这个指标可以很好地反映器件水平的进展和状态，如图2所示。目前电力电子器件的水平基本上稳定在1091010W Hz 的水平2。由于每一个功率开关器件都具有寄生二极管结构，它的PN 结阻断反向电压，有源层控制正向电流导通，因而功率器件先天性地受到这个寄生二极管的限制。目前传统的功率器件已经逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用新的器件结构，二是采用宽能带间隙的半导体器件。12电 工 技 术 学 报2004年8月 45MHz 5。为了实现这些指标，用于同步整流的MOSFET 的

11、R on Q g 值需要达到0.65pF ，目前的垂直沟道VDMOS 结构将不再适合于这方面将来的应用。尽管采用前述新的器件结构和工艺，如超级结MOSFET 和沟槽（trench ）MOSFET ，可以获得更小的R on Q g 值，但这些工艺显然不适合集成电路工艺，如BiCMOS 工艺，目前正在研究的基于薄绝缘硅片的横向轻掺杂漏极MOSFET （LDD MOSFET-SOI ）可以提供更好的性能。其R on Q g 乘积比理论上最好的VDMOS 还要小3倍，比沟槽 MOSFET 小7倍。更重要的是，其工艺可以和VLSI 的BiCMOS 工艺兼容3。可以预见，此类LDD图2 功率半导体器件的功

12、率频率乘积2 Fig.2 The power frequency product of thesemiconductor power device2MOSFET-SOI 在低压大电流应用场合将会有广泛的应用前景。自1985年绝缘门极双极型晶体管（IGBT ）进入实际应用以来，IGBT 已经涵盖了600V 6.5kV 的电压范围和13500A 的电流范围，如图3所示，并且表现出在更高和更低的电压和电流、更高的频率和更低的功率损耗方面具有进一步发展的诸多潜质。IGBT 在低功耗、高可控性方面取得的巨大进步，使得10MW 级的IGBT 功率变流器已进入商品化，100MW 级的逆变器同样也有商品问世。

13、日本东芝公司提出了一种新的加强型IGBT （也叫IEGT ），在关断损耗和导通电压上均取得了很好的折衷。在中小功率应用场合, 日本三菱公司最近提出了基于薄晶片LPT 技术的反向导通型IGBT （RC-IGBT ）和反向阻断型IGBT （RB-IGBT ）具有良好的应用前景，尤其是RB-IGBT ，由于其反向阻断能力，特别适合矩阵变换器等需要双向开关的应用场合6。在最近12年内，有关IGBT 的研究工作已经开始出现减缓的迹象，因为目前IGBT 的性能已经达到了一个很高的水平，如果在器件材料上没有新的突破，很难在不久的将来期望IGBT 在性能上有更大的突破。6电压k V 4201980500电压电

14、流2.1 新的功率器件结构1，3，4新功率器件结构通过MOSFET 、IGBT 、GTO 等的应用，进一步提高了这些器件的特性，如降低导通电阻和饱和压降、减小开关损耗和更方便的门极驱动等。人们已经开发出了超级结（Super Junction，SJ ）和浮动结（Floating Junction，FJ ）等新型结构的功率器件。这类器件的设计理念是通过在有源层（active layer）引入三维结构，降低PN 结周围的最大电场值。以SJ-MOSFET 为例，它在寄生二极管的有源层中采用了垂直PN 细条的三维结构, 它能维持相同的阻断电压，但是由于减小了垂直PN 条的宽度，导通电阻得以成比例的减小。

15、采用这个方法，单位面积导通电阻可降低510倍，开关、驱动损耗可降低2倍左右。现已商品化的600V SJ-MOSFET （CoolMOS ）的导通电阻只有普通MOSFET 导通电阻的1/3，约40m cm 2。导通电阻低于26m cm 的600V SJ-MOSFET也见诸报道，导通电阻低于10m cm 2的600V SJ-MOSFET不久也将进入市场1。在低电压大电流应用场合，如VRM 应用中，要求器件（MOSFET ）具有更小的R on Q g （导通电阻和门极电荷乘积）的值，更小的米勒电容和更适合于与CPU 集成，以达到更高的效率和功率密度。根据CPU 发展的进程图，预计在2016年，通用C

16、PU 的供电电压将会下降到0.4V ，供电电流将达到400A ，电流变化率为400A/µs ，开关频率需要达到21000电流A1990年份20007图3 IGBT 器件电压电流耐量趋势 Fig.3 The trend of the voltage and current ratingof IGBT devices7第19卷第8期钱照明等 我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇13在超大功率应用场合，门极可关断晶闸管（GTO ）现在已经发展为逆阻断型晶闸管（GCT ）或集成门极换流晶闸管（IGCT ）7。与GTO 比较，IGCT 的优点为：关断电流分布均匀、容许瞬态损耗大、可省略吸收电

17、路、通断延迟时间仅为GTO 的1/10，因而可提高开关频率、延迟时间的分散性小，容易串并联、总损耗为GTO 的一半、关断门极电荷仅为1/2等。这两种用来制造电压源PWM 逆变器和电流源PWM 逆变器的器件目前都可以在市场上找到。2.2 采用宽能带间隙的半导体器件1，4，79宽能带间隙半导体的出现突破了硅半导体器件原有的极限。由于材料的最高击穿电场强度决定了器件的最高阻断电压，故而可以通过使用宽能带间隙半导体材料如碳化硅（SiC ）、氮化镓（GaN ）和金刚石等，来改善最大阻断电压和导通电阻两者之间的折衷关系。Baliga 提出了一种比较有名的材料特征指标（BFM ），上述几种材料的BFM 如图

18、4所示。 材料特征指标（B F M ）10000010000100010010极型多子器件，例如肖特基二极管（SBD ），结型场效应管（JFET ），静电感应晶体管（SIT ）或MOSFET 等。碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD ）是一个最有前途的器件，它在关断时几乎没有反向恢复电流，同时在3003000V 、开关频率高于50kHz 的应用场合格外有吸引力。目前，导通阻抗只有1.0m cm 2的600V SiC-SBD已经在实验室中试制成功，另外600V 6A等级的SiC-SBD 已经在市场上供应。高达1700V/50A的SiC-SBD 也将在未来几年内出现在市场上。这样的SiC-SBD 在

19、电压源PWM 逆变器中的应用将会使二极管关断损耗和IGBT 开通损耗大幅度下降。对基于SiC 的开关器件，在导通损耗方面要比目前的Si 器件有明显的改进，以1000V 级的器件为例，SiC 的开关器件导通电阻目前已做到了低于3m cm 2，只是目前Si-MOSFET 导通电阻的十分之几，是Si-IGBT 导通电阻的十分之一。已有文献报道，采用600V/25A等级的SiC-JFET 和SiC-SBD 制造的电压源PWM 逆变器，在开关频率为4kHz ，负载6.5kW 时的总逆变器损耗只有41.1W 。这就意味着基于SiC 器件的逆变器效率可以达到99.4%，远远高于现有的硅器件逆变器的效率。由于

20、碳化硅pn 结固有电压（约2.5V ）比硅pn 结结电压（0.70.8V ）高得多，故而和硅半导体器SiGaAs3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC GaN金刚石件相比，碳化硅双极型器件如SiC-IGBT 和SiC-PIN 二极管等在几百伏工作电压范围内对降低导通损耗没有优势，但是它具有由窄的有源层带来的开关速度提高的优势。所以在高压（如大于3kV 电压）应用场合，碳化硅双极型器件可望具有很好的优势。从上面的阐述可以发现，在过去的10年里，受到合理利用能源、电子系统小型化和实际应用的推动，电力电子器件仍然有较大的发展，在未来的几年内，一些性能更优越的器件仍然有较大的需求，对器件的研发而言，

21、这是不可缺少的动力。图4 Baliga提出的半导体材料的特征指标（BFM ）1 Fig.4 Figure of Merit（FOM ）for semiconductormaterials proposed by Baliga132BFM=q µ n E c =4V BD V 2BD /R on其中 V BD 阻断电压R on 导通电阻 q 电介质常数 µ n 电子迁移率 E c 最大电场强度目前已有很多有关碳化硅器件的研究成果报道。根据材料特性，碳化硅器件与硅器件相比有如下优势：3 可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制1012在全球范围内，一方面，人们对电力需求持续不断

22、增长，而当今电力生产又主要依靠火力发电厂，它所排放的废气是造成空气污染、酸雨、烟雾、温室效应乃至使全球气侯变化的重要因素。据统计，火力发电厂效率每提高1%，可减少2.5%的CO 2排放量；另一方面，传统的非可再生能源需要的基础设施造价昂贵，成本不断提高，而且还会带来严碳化硅的耐压强度是硅的十倍 碳化硅的饱和速率是硅的二倍 碳化硅的导热性是硅的三倍随着外延生长工艺和相关设备的显著进步，2英寸直径的碳化硅晶片目前市场上也有供应。由于碳化硅的宽能带隙，双极型器件有一个约2.5V 的门槛或内置的结电压，所以碳化硅只适合于用于单14电 工 技 术 学 报2004年8月重的环境污染。因此发达国家都在寻求新

23、的清洁的发电方式（如风力，太阳能发电等），同时采取各种节能措施以力求节约能源，相当于提高发电效率。20世纪70年代初，世界出现石油危机后，许多国家曾经加大过对新能源和可再生能源发展的投入和支持，但是后来由于其高昂的成本，新能源和可再生能源技术发展速度减缓；20世纪80年代出现了第二次全球环境浪潮，对常规能源燃烧排放CO 2可能导致地球气候变化开始关注。特别是自巴西里约热内卢召开国际环保大会以后，各国领导人对环保问题更加关注：煤电产生CO 2、NOx 、SO 2等污染物；油电、气电存在温室效应问题；核电虽说在发电期间污染比火电少，但核废料及核设备报废后的处理，始终没有可靠而妥善的解决办法；水电在

24、发达国家进一步发展中也遇到了移民、鱼类保护以及其他各种问题。还有一种理论认为建了水电站，淹没了陆地，植物减少，植物的光合作用减少，氧气排放减少，会增加大气中的CO 2含量上述情况重新引起了各国政府对发展新能源和可再生能源的重视，并且一些新能源和可再生能源技术迅速地实现了商业化（主要有五种：小水电、光伏发电、风电、生物质能、地热发电）。特别是风力发电和光伏电池，以令人惊叹速度蓬勃发展。当今，世界可再生能源增长率已远远地超过了常规能源的增长率，许多发达国家新能源和可再生能源消费已占其总能源消费的5%10%。我国具有丰富的新能源和可再生能源：水能可开发资源为3.78亿kW ，目前已开发利用11%；生

25、物质能资源，包括农作物秸秆、薪柴和各种有机物，利用量约2.6亿t 标准煤（每年），占农村生活能源消费70%，整个用能的50%；太阳能年总辐射超过60万J/cm2，开发利用前景广阔；风能资源总量16亿kW ，约10%可供开发利用12。为了让可再生能源的市场以更快的速度增长，必须使其可靠性和成本达到传统供电系统的水平。为了提高能源的安全性和使用效率，分布式发电系统、电能质量控制的研究和开发也得到了人们普遍的关注。在几乎所有的可再生能源发电系统中，都涉及到一系列的大功率、高效、高质量的能量转换和控制，电力电子与电力传动技术是其中的关键、核心技术之一。因为可再生能源既可产生直流电，也可产生频率变化的交

26、流电，它们必须通过功率变流器，产生与电网频率、相位、电压幅度一致的能量，可以直接供给用户或并入电网。随着可再生能源发电的装机容量到达上千兆瓦，电力电子与电力传动技术必需得到长足、同步的发展。不言而喻，人们对电力不断持续增长的需求、我国严重缺电的事实、人们对使用新能源和可再生能源发电的渴望和各国政府的重视，决定了在相当长的一段时间内，电力电子与电力传动在该领域的应用存在着极好的机遇和挑战。下面着重对可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制方面的最新发展进行综述。 3.1 可再生能源1214可再生能源（RE ）主要包括风能、太阳能、生物和地热能等。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能

27、、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor 提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收

28、涂层，这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。20世纪70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元，1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在20世纪70年代制定了阳光计划，1993年将月光计划（节能计划）、环境计划、阳光计划合并成新阳光计划。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。20世纪90年代以来联合国召开了一系列由各国领导人参加的高峰会议，讨论和制

29、定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容12。第19卷第8期钱照明等 我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇15风能因其具有环保和可再生特征，现已成为世界各国能源中增长最快的一种。截至2000年，全球风力发电装机容量已达18499MW ，装机总容量年平均增长速度31%，并且风电成本也急剧下降，美国风能发电成本已从20世纪80年代35美分/度降低到目前4美分/度。我国风力发电从20世纪80年代起步到2002年底，全国共建风力发电厂32个，装机容

30、量468MW ，单机容量已从200300kW 发展到6001300kW ，但在我国电力总装机容量中仅占0.11%，占实际可开发容量的比例也很低。预计到2006年，世界上风力发电的新装机容量将达到14GW ，到2010年，全世界风力发电的总装机容量将达到150GW 。自1995年以来，世界风能发电几乎增加了5倍，同一时期煤发电却下降了9%。在风能发电方面，德国居世界第一，装机容量6107MW （截至2000年累计装机容量），西班牙装机容量2836MW ，排世界第二，美国装机容量2610MW ，排世界第三，丹麦装机容量2341MW ，居世界第四。在亚洲，印度风电总装机容量1220MW ，居第一位，

31、中国装机容量352MW 。据美国地球政策研究所测算，一个国家若其风电跨过100MW 这一门槛，则风电发展速度就会明显加快。美国早在1983年风电就达到了100MW ，丹麦、德国、印度分别在1987年、1991年、1994年达到；加拿大、中国、意大利、荷兰、瑞典及英国则于1999 年跨过这一门槛，进入2002 年初，包括世界人口一半的16个国家都将进入风电快速发展期。全球风力发电装机总容量年平均增长速度如表1所示，相比之下，世界核电能力平均增长速度低于1%，而燃煤电站发电能力几乎没有增长。表1 全球风力发电装机容量及年平均增长速度13 Tab.1 Installed power capacity

32、 and average annual growth speed of the global wind power generation3年度 1995 1996 1997 1998 1999 2000 平均销售容量 /MW 1290 1292 1566 2597 3922 4495 2527年底的总装机 容量/MW 4778 6070 7636 10153 13932 18449 10169.7总容量的增长 速度（%）27 26 33 37 32 31注：表1中的数据已修正退役容量目前的风机功率为11.3MW ，海上应用的45MW 的风机正在研制过程中。为了使风机可变速运行并且向电网提供连续

33、可调的能量，图5给出目前应用的两种主要结构14：（1）AC-DC-AC 方式。同步发电机发出的交流电经整流器后变为直流，之后通过逆变器产生所需的交流电。（2）AC-AC 方式。通过双馈感应发电机和一个AC-AC 变换器控制能量。变换器的容量为0.3/单位功率。但是为了适应电网的各种暂态过程和稳定性要求，变换器容量为0.5/单位功率。这两种典型设计都使用低压功率变换器件。电压通过线性变压器升至中压水平。在海上应用中，为了远距离输电，电压被升到输电电压水平（大约69kV ）。3齿轮箱同步发电机整流器3栅格IGBT 逆变器变压器绕线转子感应发电机变压器3齿轮箱栅格3IGBT 功率变流器3图5 目前应

34、用的两种风能发电主要电气结构示意图14Fig.5 The electrical structure sketch maps for two recent used wind energy power generation systems1416电 工 技 术 学 报2004年8月风力发电和电网兼容的问题受到了极大的关注。如今的风机和风场还不能适应较大的电网电压和频率暂态变化，当电网电压跌落时，风机脱离电网，而当电网稳定后风机重新并网运行。对于风机较少的电网来说，这是可以接受的，但是当风力发电量增长到电网容量的10%15%时，风场必须支持电网稳定，并且其行为必须和传统发电设备相似，这对变流器提出

35、了更为苛刻的要求。为大力发展新能源，对新能源在欧洲各国发电量中所占比例进行了立法，其规定示于表2。由表2可见，欧盟15国新能源在发电总量中所占比例将由1997年的3.2%提高到2010年的12.5%表2 欧洲新能源立法规定：新能源在发电量的比例（%）13Tab.2 The european legislation for the new energysources ：the new energy sources proportionin the total power generation国家 1997年 2010年 德国 2.4 10.3 西班牙 3.6 17.5 丹麦 8.7 29.0 荷

36、兰 3.5 12.0 意大利 4.5 14.9 希腊 0.4 14.5 瑞典 5.1 15.7 爱尔兰 1.1 11.7 葡萄牙 4.8 21.5 奥地利 10.7 21.1 法国 2.2 8.9 芬兰 10.4 21.7 比利时 0.9 5.8 卢森堡 2.1 5.7 欧盟十五国3.212.5光伏电池和太阳能光伏发电也是可再生能源的一个重要组成部分，在2002年，大约有400MW 的光伏电池模块进入了世界市场，其中90以上是基于硅太阳能电池技术。如今生产的大部分硅太阳能电池使用薄片晶体或多晶体的硅晶片，其太阳能转换效率仅为1420。这种技术主要的缺点是太阳能电池成本太高。在新型光伏电池，如有

37、机光伏电池等付诸实用、其成本指望下降一个数量级以前（价格低于1美分/峰瓦），太阳能发电还很难成为可再生能源规模发电的主体。图6是一个有储能系统的光伏系统的典型结构14，该系统对逆变器性能要求很高。逆变器给电池充电，在需要时自动从电网获取能量储存在电池中。由单个光伏模块组成的光伏阵列是一个直流输入源，其工作电压范围是200500V 。对逆变器的其他要求是要符合标准和安全法规，应与电网同步，直流输入和交流输出还需要变压器隔离。图6中的直流和交流开关，起到了隔离光伏系统的直流和电网交流的作用，当电网停电时，逆变器和电网以及负载隔离。 第19卷第8期钱照明等 我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇17

38、性和功能，并降低成本。 3.2 分布式发电系统去年发生在美国东海岸的大面积停电为电力系统的发展提供了又一个机遇。各国电网公司均在努力提高电网本身的可靠性。与此同时，分布式发电技术（Distributed Generation，简称DG ）得到了人们普遍的关注。目前，国外已有多种分布式发电技术获得了工业应用，它使得发电设备更加靠近用户，不但减小了人们对远距离输电的依赖，而且提高了人们使用可再生能源发电的兴趣，提高了用户用电的独立性和可靠性。风能发电、太阳能发电、燃料电池发电和小型高速涡轮发电机（Micro Turbine Generator）发电等所有这些分布式电能都有赖于电力电子技术以实现高效

39、的运行。燃料电池是很有前景的分布式发电的一个代表。燃料电池具有较高的发电效率，并且没有污染，不会产生温室效应的气体。功率范围在5100MW 的工业和公用事业部门，燃料电池的应用目前还处于起步阶段，这些系统比汽车和民用燃料电池系统要复杂得多，因为单个燃料电池的正常电压仅为0.75V 左右，电流密度约为0.21A/cm2，上述系统大约需要110万只燃料电池，被装在1001000V/100700kW 的盒中。美国能源部等5个单位在1999年联合投资1600万美金进行第一台燃料电池小型高速涡轮发电机发电混合分布式发电系统的研究。图7是一个由固体氧化物燃料电池和一个小型高速涡轮发电机组成的混合发电系统结

40、构示意图14。 小型高速涡轮机产生的高温热量用来维持高温下运行的固体氧化物燃料电池，在现有技术得到极大提高的情况下，这个系统的效率预计将达到70%左右，超过当今任何发电系统的效率。功率调节系统则由多个逆变器组成，这些逆变器可能是工作在六阶梯模式下的三相晶闸管桥式电路，它通过移相变压器和电网相连，当然也可以使用PWM 逆变器。功率变换和控制装置必须考虑许多重要因素：和电网的连接、燃料电池的容量和诸多系统级控制功能：如系统效率、输出波形质量、隔离和保护、电网电压跌落时逆变器的承受能力、无功控制、逆变器故障容量及返回到燃料电池盒的电流纹波等等。对于高功率燃料电池系统，将需要新的电路拓扑、智能集成功率

41、变流器和智能系统级控制方法。根据Darnell 公司的研究，20032008年，全球用于分布式与混合式发电设备（DCG ）中的电力电子产品（包括逆变器、频率变流器、静态传输开关，DC-DC 变流器、AC-DC 电源和集成HP 电机驱动器）将以年均12.2%的速度增长，即将从18550MVA 增加到32981MVA 。未来的电力系统将是一个非常复杂的、混合的系统，它将用到不同的能量产生、能量储存和能量传输方式，如图8所示。因此，另一个对电力电子在电力系统中应用有推动作用的是交互联结的需求。电力电子是实现DCG 系统与电网可靠联结，从而避免影响电网质量与稳定性的必要手段。与传统的电力-机械测量设备

42、相比，电力电子测量设备也提供了很高的测量精度，良好的可操作性，并且有效地提高了测量数据的可靠性。IEEE P1547和UL1741，这两种关于联结和电力电子设备的标准，将会保证市场的进一步扩大。他们有效地消除了过去在不同场合的各种联结要求所造成的负面影响。电力电子工业将会从RE 和DG 技术的使用中获得大量机会。为了提高与电网联结的可靠性，后备电池、逆变器、DC-DC 变换器、静态传输开关和其他的电源设备的制造商都会从中获利。混合发电技术的发展将进一步促进电力电子技术朝着标准化、模块化、高可靠性和智能化的方向发展。 3.3 电能质量控制15，16电力电子与电力传动技术在输、配电中的应用是电力电

43、子应用技术具有潜在市场的又一大领域。众所周知，从用电角度来说，利用电力电子与电力传动技术可以进行节能改造，提高用电效率；从输、图7 固体氧化物燃料电池和小型高速涡轮发电机组成的混合发电系统结构示意图14Fig.7 Configuration sketch map for a hybrid power generation system consisting of solid oxide fuel cells and amicro turbine generation1418电 工 技 术 学 报2004年8月负载风力涡轮发电机海水淡化民用电电力调节与控制飞轮电池可逆燃料电池抽水蓄能水力发电废弃

44、能量负载（热能）氢存储罐柴油发电机其他能源系统储能罐图8 未来混合式发电系统示意图14Fig.8 A sketch map for the future hybrid power generation system14配电角度来说，必须利用电力电子技术提高输配电质量。现代电力系统的控制必须包括下列两个方面的要求：维持电源电压和频率的稳定，满足负荷的要求。特别要求系统具有良好的高峰/低谷调节能力，并能满足对电能质量的要求，即：稳定的电压、频率；三相对称；低的谐波分量等。在系统发生故障时，系统应具有自动防止故障扩大和消除故障的能力，以保护系统免于崩溃。近十几年来，随着电力电子器件和变流技术的飞速发

45、展，高压大功率电力电子装置的诸多优良特性决定了它在输、配电应用中具有强大的生命力。目前，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用，如表3所示。表3 电力电子技术在电力系统中的应用 Tab.3 Applications of power electronicsin power systems应用分类 发电护装置高压直流输电系统、灵活交流输电系统（包括静输电止无功补偿器）直流供电系统、电能质量保证设备、高压电子开配电关、保护设备用电牵引、调速装置、各种大功率电源应用装置举例发电机交、直流励磁装置，厂用电故障监测及保制中的应用已经成为热门课题，为了得到最高输电量和保

46、证在分布系统的公共点高的电力质量，电压调节、无功/谐波控制和补偿以及电力潮流控制等已成为必不可少的技术，典型的设备有电力调节器、静止无功发生器(SVG、有源滤波器、静止调相机（STATCOM ）和电力潮流控制器等16。图9是级联型多电平逆变器用于电压调节器和调相器的系统结构示意图。该逆变器串联在电力系统中并且控制输出电压VC 与线电流相移90°。这样，逆变器能对电压跌落、摆动和谐波敏感的各种负载提供一 15非线性负载其他负载敏感负载图9 用于电压调节、移相和谐波隔离的串补系统示意图16Fig.9 A sketch map for a series compensation syste

47、m for voltage ，phase shift regulations and harmonics isolation16以在配电中的应用为例，近年来，因为对电力需求的增加和非线性电子设备和敏感负载对电力质量的高要求，电力电子装置在配电和电力质量控第19卷第8期钱照明等 我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇19个稳定的正弦电压或者为功率流控制提供需要的相移。在上述三个应用领域，大功率的逆变技术是这些应用场合的关键技术之一。近几年，多电平逆变技术以及多电平级联技术由于其在输出波形质量、开关损耗、器件应力等方面的突出优点，引起广泛的关注和日益广泛的应用。随着门极可关断高压半导体器件的发展和

48、多电平逆变器技术的不断发展，可以预见，电压型多电平逆变器将在这些领域得到更广泛的应用。并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发展。近10年来，美国、日本、欧洲的一些国家和跨国公司已投入超过100亿美元的资金，并且以每年不少于10亿美元的力度继续开发。我国从“八五”期间开始了电动汽车的研究开发，并有专项资金用来支持电动汽车工业的发展。电动汽车是电力电子与电力传动技术的主要应用场合之一，也是目前电力电子与电力传动技术研究的一个重要方向。相对电动汽车领域的电池技术而言，电力电子与电力传动技术显得要相对成熟一些。展望燃料电池时代，最近已经有人提出了电力机车新结构的设计理念。这一新理念设计方法是把

49、整个驱动系统安装在汽车车体底板下面，为了做到这一点，电能控制单元（PCU ）的体积必须进一步减小。据诸多研究讨论预测，电能控制单元（PCU ）的体积将为3L ，与此相适应的输出功率密度为30 W/cm3。这些需求不但需要半导体器件的发展，也需要电力电子系统集成的设计方法。4 牵引和电机驱动在发达国家，能量约有40%是通过电能消耗的，而总电能的50%60%用于电机驱动场合，其中的大部分是风机和水泵，然而在这些应用场合，使用逆变器驱动的比例则少于10%。如果采用变频器调速的话，大概可以节约30的能量。如在日本，70的空调已经采用变频调速以节约能耗，而在美国几乎没有。Darnell 公司认为，从20

50、032008年，北美市场的变频调速器将会以每年11.5%的速度增长，从3.63亿美元增加到6.28亿美元。这一增长一方面来源于市场需要，另一方面则是政府节能法规的影响11。在通用场合采用电力电子与电力传动技术进行电机调速已经比较成熟，但在一些高压大功率应用场合，如电力机车、高压电机驱动等，目前依然是电力电子与电力传动技术的一个研究热点，这些研究主要包括：更好的调速性能、控制技术和降低成本等。如矩阵变换器技术，由于其转换中间环节少、无需中间大电容储能元件等优点，被视为电机驱动的核心技术之一18。得益于半导体技术的进步，更大容量的IGBT 器件、高速DSP 芯片和多电平变流技术的发展，电力电子与电

51、力传动技术在大功率牵引、调速上的应用将日趋广泛，并且具有广阔的市场需求。另外，汽车工业发展所带来的对石油资源需求的激增和对环保的负面影响也日益引起人们的注意，而电动汽车（EV ）和混合动力电动汽车（HV ）在节能和减少环境污染方面起到举足轻重的作用。采用内燃机的汽车总体效率十分低下，其消耗的石油能量大约只有10被传递到轮子，而电动汽车的总体效率大概可以接近2014。面临能源和环境的压力，国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车，世界发达国家不惜投入巨资进行研究开发，5 节能照明技术照明是电力电子技术应用的另一个重要方面。据估计，大约有20的电能被消耗在照明上面。照明用电的迅速增加不但要增加大

52、量的电力投资，而且还会产生大量污染。照明在能源及其环境污染上的严重问题已引起了人们的共识，为此工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。美国环境保护署（EPA ）1991年曾提出一项“绿色照明”计划，目的是使美国照明用电量（占全美总发电量20%30 %）节约一半，大约可节电122亿度，合电费8.9亿美元，达到这一目标后，可降低CO 2排放量，相当于4300万辆燃油汽车排出的废气总量，从而大大减少对空气的污染。我国也在1996年正式启动了绿色照明工程，其目的就是制定一系列经济与政策措施，扶持重点企业发展节能光源，节能电器和节能灯具，实施节能照明。电力电子技术在这个领域的应用，对缓解能源压力和环境保

53、护有积极作用。如荧光灯的效率大概比普通的白炽灯高23倍，采用电子整流器来驱动荧光灯可以再提高20的效率14。因此在照明领域，电力电子技术的发展十分迅速，各种新型电光源和电子整流器已经开始被广泛采用。最近发展起来的固态照明技术是一个重要的发展领域。即使在2002年经济低迷的时候，高流明发光二极管（HBLED ）仍然取得了51%的增长，20 电 工 技 术 学 报 2004 年 8 月 产值达到了 18 亿美元，而且目前依然持续增长 11。 HBLED 的一个广泛应用的领域是交通信号灯，这 是一个典型的通过 AC-DC 电源提高产品附加值的 例子。 白色 HBLED 的光效早就可以与白炽灯相比，

54、但是如果没有有效的功率因数校正，那么所使用的 电源将会严重阻碍 LED 的实际应用。早期的 LED 交通灯的 PF 只有 0.6，由于各种鼓励项目，目前功 率因数超过 0.9 的产品已经十分普遍。同时，LED 的光输出对温度很敏感，所以电源常常需要能补偿 这种温度影响。 是在目前的电力电子变换器结构模式下，成本、性 能与可靠性成为限制应用领域扩大的原因。 因此，在过去十年中，电力电子技术出现停滞 现象并不让人惊奇。如果重新仔细思考目前的整个 技术，就会发现电力电子技术正在发生根本性的改 变，而不仅仅是器件。这一转变将使系统的性能、 可靠性和成本得到很大的改善，大大扩展电力电子 的应用范围。与自

55、动化领域的大系统集成和机械制 造领域的 CIMS 系统集成一样， 电力电子系统集成、 标准化和模块化技术是解决上述这些问题的十分 重要的途径，也是本世纪电力电子技术发展的必由 之路。人们希望它能与大规模集成电路（ VLSI）的 进步和发展给电子技术、计算机、信息、工业自动 化领域带来一场革命性的变革一样，不但对电力电 子技术的进一步的发展，而且对能源、工业生产过 程实现全面自动化的发展产生深远、革命性的影 响。一个标准的、模块化的、可编程的系统有利于 加速系统级水平的设计和有利于系统性能的精确 仿真，可以极大地提高电力电子产品的标准化、模 块化、智能化和生产自动化程度，从而使任何现代 工业生产

56、自动化过程中必不可少的、实现高效、优 质的电能变换和供给的一个重要环节，电力电子系 统将真正成为现代工业生产自动化大系统中的一 个名副其实的智能部件。同样，通过系统集成，扩 大电力电子的 应 用 场 合 ， 产 生 大 量 的 新 的 应用领 域，比如说，在早期由于造价昂贵而被迫放弃的一 些领域，将来可能是可行的，从而能够开发出一大 块新的市场。 电力电子系统集成应包含两个层次的集成：一 个是模块级的集成，即电力电子子系统的集成；另 一个是系统级的集成，即电力电子实际应用系统的 集成。 电力电子子系统级的集成目标是建立系列电 力电子集成标准模块，它是一个高度集成的、能完 成特定功能的、标准的电

57、能处理单位。典型的集成 电力电子标准模块如图 10 所示。 输出 6 电力电子系统集成技术 19 随着电力电子与电力传动技术的发展，其应用 范围还在进一步扩大，正是由于在应用领域的扩 展，电力电子与电力传动工业的前景与发展甚至超 过了电子工业。 虽然从 20 世纪 80 年代发展的 Smart Power IC 或 Intelligent Power Module 实际上是一种小规模的 集成电力电子模块 （Integrated PE Module， 简称 IPEM） , 它将驱动、自保护、自诊断功能的 IC 与电力电子 器件集成在一个模块中，并已用于 10100W 电力 传动系统，但是，从总体

58、上讲，现今绝大多数的电 力电子装置仍然主要是建立在分立元件的基础之 上，均是按用户的不同用途和要求进行特殊设计 的，而且设备的设计和制造均采用大量的非标准化 器件或部件。所以，往往研制周期长、成本高、使 用不灵活，而且制造一台新的设备还需要花费大量 的手工劳动，这就大大限制了电力电子产品生产成 本的进一步降低，影响产品可靠性的进一步提高和 限制了工业生产过程实现全面自动化的发展速度。 电力电子产品的开发不但需要专业的电力电 子工程师，而且需要众多的生产设备和大量的手工 劳动，这就限制了生产成本的进一步降低和可靠性 的提高。该行业的各家公司始终处在巨大的压力之 下：他们必须生产出功能更强大、更可靠耐用、体 积更小、重量更轻的产品，还要尽可能的降低产品 的价格。 虽然目前传统的电力电子变换器构