电力电子技术的应用及发展趋势分析

王 瑛

（宝鸡职业技术学院，陕西宝鸡，721013）

电力电子技术的应用及发展趋势分析

王 瑛

（宝鸡职业技术学院，陕西宝鸡，721013）

随着现代科技的进步，现代电力电子技术已经被广泛的应用于航天、电力、制造等各个领域。本文综述各种研究资料对电力电子技术应用，并对未来电力电子技术的发展趋势进行分析。

风力系统；交流控制；电力电子；应用；趋势分析

随着科技的进步，以电力电子器件、交流电力、电力电子电力的控制为主要研究内容的电力电子技术逐渐成为涵盖电子、电力和控制技术的三大电气工程的交叉学科，而被广泛的应用到科技的各个领域。同时随着应用的深入，使得电力电子技术成为未来最具发展潜力的技术之一。

1 电力电子技术研究的内容

1.1 电力电子器件

电力电子器件作为电力电子技术中的核心，对其要求为：一是必须能够承受高压电、带电流的能力；二是必须以开关的方式运行。

1.2 交流电路

交流技术作为电力电子技术的核心，其主要的作用是对由电力电子器件构成的不同交换电力进行控制。其主要包括晶闸管在内的由电力电子器件构成的主电路，通过不同的电力拓扑结构，实现对电能的变化与控制。该技术其主要的研究方向是对变换器的主电路进行拓扑优化。换句话说，就是在进行变换器的设计当中，对元件的不同位置进行优化，从而提升其功能指标，以此达到最经济的目的的一门技术。在设计中高频化、高功率因数、高效率和低变换损耗是最终的目标。

1.3 电力电子电路的控制

该技术主要是通过电子器件对工业中的大功率的电能进行控制和交换的技术。其主要的作用是通过器件的开关，实现对电能的控制。其中开光的状态必须是可控的，并且是可以通过信号来进行控制。换句话说，就是通过为变换器中的开关器件提供信号，然后器件按照相关的指令，按照设定的规律与控制方式进行操作，从而实现对电能的控制。控制电路则主要包含时序控制、保护电路、电气隔离和功率放大。

2 电力电子技术的应用

2.1 电力电子技术在电力系统中的应用

交流技术的典型应用以现在新型三相Z 源逆变器为代表。三相Z 源逆变器被广泛的应用于风能发电，通过对电能的控制和调节，改善了风能系统运行的性能。而起主要的交流电路控制方式则分为两类：

1）不可控整流后接 Z 源逆变器控制方式

传统的不可控的整流逆变器控制方式主要包括两种，一种是以电压源型逆变器为主的控制方式，该控制方式在在风流发电中没有考虑到风力比较小的时候，其整流后的电压往往较小。面对这种情况，往往通过加强调制的深度来减小逆变部分的运行功率；另外一种是以直流侧电压稳定的逆变器为主要控制方式，但是该控制方式的缺点在于不能双向控制，而只能进行简单的升

压，同时在操纵中，受到死区时间的影响，导致控制受到限制。

其实玉敏心里没有底。姑父不言自威，她平时都不敢和姑父说话，哪能替许沁说上话呢。后来的事实证明，玉敏根本帮不上许沁，姑父也根本不相信许沁。玉敏让姑妈从中周旋，亦无结果。

与传统的逆变器控制技术相比，新型的风力发电中，在Z 源逆变器增加的基础上增加了一个Z 源网络，从而允许上下桥臂能够同时道统，以此更好的防止因器件损坏而导致直通状态改变的事故发生，从而更好的使得电路具备升降功能。具体的拓扑分析图如图1所示。

图1 不可控整流后接Z源逆变器控制方式

通过计算可以得出Z 源网络输出的直流母线电压为：

通过计算可以得出逆变器在交流侧所输出电压的峰值：

通过上述的公式，我们可以得出，可以通过对公式中的升压因子B和调制比M的调节，从而达到自动调节电压的目的。

因此，通过三相逆变器的调节作用，可以在风速比较小的时候，调节占空比，灵活进行升降压，从而达到电力中的并网要求，高效的捕获风能。

2）Z 源矩阵变换器控制方式

传统的矩阵变换器的作用是实现能量的双向的流动，但是其最大的缺点在于其矩阵变换器的电压传输比不高，从而导致可靠性降低。因此，在控制方式中加入Z 源网络，以此可很好的而解决上述的问题。具体如图2和图3所示。

图2 Z源矩阵变换器控制方式

2.2 电力电子技术在交通运输中的应用

电力电子技术在电气化的铁道中以DC/DC变换技术为代表，该变换技术被广泛的应用在了地铁、电动车中的无级变速等领域。如现代汽车中，随着汽车中的用电的不同，其设备的种类也就不同，对电源的型号的要求也就不同。而这些电源都是采用的是由蓄电池所提供的+12VDC或+24VDC的直流电压，在经过DC-DC变换器转变成+220VDC或+240VDC，后再经过DC-AC变换器转变成工频交流电源或者是变频调压电源。如采用推挽逆变-高频变压器-全桥整流方案，设计了24VDC输入-220VDC 输出、额定输出功率600W的车载高频推挽DC-DC变换器。该方案中最重要的是采用AP法设计推变变压器。

图4 推挽变压器简化后的主电路图

查看经过简化后的变压器主电路图，在输入24V的直流电源之后，经过大电容的滤波作用后，被接到了推挽变压器的原边的中间抽头部位。而变压器的另外的两个抽头则分别接全控型号的电力电子器件IGBT，并在这中间加入RC吸收电路，从而构成了推挽逆变电路。变压器的输出端在经过全桥整流之后，大电容的滤波便得到了220伏的直流电压，并通过分值得到电压的反馈信号为UOUT.

而该主电路，主要是以CA3524芯片为核心，从而构成了整个控制电路。通过对图中的6和7中的管脚间的电阻、电容的大小来调节开关的频率。在12、13的管脚出输出PWM的脉冲信号，从而驱动电路，分别对两全控型开关进行交替控制。反馈信号经1管脚，通过P2对2管脚参考，并和9中的COM端、CA3524构成调节器，从而通过调节占空比，以此达到稳定电压的目的。

3 电力电子技术未来的发展趋势

图3 三相Z源矩阵变换器拓扑图

随着科技的发展，材料的创新，未来电力电子技术的应艳红将凸显出高频化（20kHz以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无污染）四大发展方向。

3.1 电力电子器件的未来发展

电力电子器件的发展在未来的几年中将凸显出集成化、标准模块化、高频化以及智能化的特点。这主要因为以下四个原因：

第一，随着我国与世界的不断融合，特别是和发到国家的不断融合，同时在技术应用发展中，对电子器件的性能和指标的要求也越来越严。具体的说未来的电子器件将需要更大的散热能力、更高的工作的温度、更大的电流密度等，而对于航空和航天方面的来讲，还注重更好的抗辐射和抗振动能力，特别是在军事中的装甲车、坦克、火箭等。

第二，在未来的几年发展中，管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件的研发也趋于成熟，同时各种不同的结构和新的生产工艺的加入，仍可有效的提升其性能，各种不同型号的期间仍然具有市场竞争力。

第三，随着信息化等方面的提高，智能化的研发和应用也在不断地成果。在美国、以色列等国家已经相继制造出了结构更简单，功能更强大的IPM智能化功率模块，有效的提高了运行的效率。

3.2 电力电子设备与系统的未来发展

随着人们未来高效化的要求，电力电子设备正在朝着全数字控制、高频化、系统化、智能化以及低碳化方向发展。首先是因为未来的时期，各种电力半导体为主的电子设别将在未来展开常态化的竞争和发展，晶闸管仍见形成垄断地位；其次以IGBT的整流器与逆变器的应用可有效的提高效率、减轻体积和噪音，同时将别广泛的应用到工业、家电和新能源领域；第三，以IGCT为主的功率器件将逐步取代晶闸管；第四，MOSFET将在未来的电子设备和系统低功率中发挥巨大的作用。

[1] 李春杰.Z 源矩阵式变换器研究[D].青岛:山东科技大学,2011.

[2] 无刷双馈风力发电机组的模糊自适应控制,杨俊华1,2 ,李建华1,吴捷2,杨金明 2,电机与控制学报,第10 卷第 4期,2006.7,346-350.

[3] 赵争鸣.电力电子技术应用系统发展热点综述[J].变频器世界 ,2010(01).

王瑛（1960.8），女，北京；大学本科学历、工学学士；讲师。

Analysis of application and development trend of power electronic technology

Wang Ying
(Baoji Vocational Technology College，Shaanxi Baoji，721013)

Along with the progress of modern science and technology,modern power electronic technology has been widely applied in various fields of aerospace,electric power,manufacturing etc..This paper summarizes various studies on the application of power electronic technology,analysed the trend of the future of the power electronic technology.

wind system;communication control;power electronics;application;trend analysis