电力电子技术(第二版)

第1章 绪论 1.1 电力电子技术的定义 电力电子技术是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科，被国际电工委员会（IEE）命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。 1955年，美国通用电器公司（General Electronic Company）发明**个大功率5A硅整流二极管（Silicon Rectifier），仅在两年后的1957年，GE公司又发明了全世界**个晶闸管（Thyristor，俗称“可控硅”）。大功率硅整流二极管以及晶闸管的发明标志着现代意义上电力电子技术的诞生。1974年，在第四届国际电力电子会议上，美国学者W.Newell首次提出电力电子技术的定义，并用图1-1所示的“倒三角”图形表示。随着电力电子技术的发展，W.Newell的定义已得到很多学者的认同。而美国电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会则将电力电子技术定义为：电力电子技术是有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的有效变换和控制的技术，包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。为了使电力电子技术定义更加具体化，美国著名学者B.K.Bose 教授于1980年对W.Newell的定义进行了拓展，提出了电力电子技术的Bose 定义，如图1-2 所示。由于电力电子技术的快速发展，电力电子技术的定义也得到不断地拓展、延伸，因此，至今国际上还没有一个关于电力电子技术的公认的或权威性的定义。 图1-1 电力电子技术的Newell 定义 实际上，就其内容而言，电力电子技术主要完成各种电能形式的变换，以电能输入输出变换的形式来分，主要包括以下四种基本变换。 （1） 交流-直流（AC-DC）变换。交流-直流的变换一般称为整流，完成交流-直流变换的电力电子装置称为整流器（Rectifier）。交流-直流的变换常应用于直流电动机调速、家用电器前级直流供电、蓄电池充电、电镀、电解以及其他直流供电电源等。 （2） 直流-交流（DC-AC）变换。直流-交流的变换一般称为逆变，完成直流-交流变换的电力电子装置通常称为逆变器（Inverter）。当逆变器的交流输出与电网相连时，其直流-交流变换称为有源逆变；当逆变器的交流输出与电机等无源负载连接时，其直流-交流变换则称为无源逆变。有源逆变实际上是整流器的逆运行状态，主要用于电能的连网馈电，如交、直流调速四象限运行中的电能回馈、太阳能、风能等新能源的并网发电等；无源逆变主要用于交流调速、恒频恒压（CFCV）逆变电源、不间断供电电源（UPS）以及中频感应加热电源等。 （3） 交流-交流（AC-AC）变换。交流-交流变换主要有交流调压和交-交变频两种基本形式，其中：交流调压只调节交流电压而频率不变，常应用于调温、调光、交流电动机的调压调速等场合；交-交变频则是频率和电压均可调节，完成交-交变频的电力电子装置也称为周波变换器（Cycloconverter），主要用于大功率交流变频调速等场合。 （4） 直流-直流（DC-DC）变换。直流-直流变换主要完成直流电压的变换与调节，主要包括升压、降压和升-降压变换等。直流-直流变换器包括隔离和非隔离两种类型，通常采用脉宽调制（PWM）技术实现直流-直流变换。直流-直流变换常应用于开关电源、电动汽车直流电源、电池充放电控制、升降压直流电压控制等。 图1-2 电力电子技术的Bose定义 1.2 电力电子技术的发展 随着电力电子技术的迅速发展，电力电子技术也逐步发展成为一门独立的技术、学科领域。电力电子技术的应用已渗透到经济、国防、科技和社会生活的各个方面，并已成为电气工程技术领域*为活跃、*为关键的核心技术之一。相应的电力电子技术产业也是当今世界发展*快、潜力巨大的产业之一，电力电子技术产业发展的成功与否，对一个国家的国民经济整体水平有着重要的影响。电力电子技术将成为21世纪国民经济装备技术领域的关键支撑技术。 电力电子技术具有发展迅速、学科交叉、渗透力强等特点。大容量化、高效化、小型化、模块化、智能化和低成本化等则是电力电子技术发展的趋势。可以预见，随着未来高效能、低成本的新型电力电子器件与控制技术的发展，电力电子技术还将产生新的飞跃，并将与计算机信息、运动控制等关键技术一起共同支撑新一代工程技术装备的科技腾飞。 电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先后经历了以低频技术为主的传统电力电子技术时期，以及以高频技术为主的现代电力电子技术时期。低频技术时期的研究与应用主要针对基于整流二极管、晶闸管的变流器（如相控整流器与逆变器等），而高频技术时期的研究与应用则主要针对基于可关断器件（如MOSFET、IGBT、GTO、IGCT等）的开关变换器（如PWM整流器、变频器、直流电源以及其他功率变换器和电源等）。 在20世纪80年代末90年代初发展起来的以功率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，表明电力电子技术已经进入现代电力电子时代。进入90年代以后，电力电子技术进入了一个崭新的快速发展时期。理论分析和实验表明：电力电子产品的体积、重量与供电频率的平方根成反比，因此高频化是今后电力电子技术创新与发展的主导方向；另外为提高电力电子产品的研发速度、生产效率、故障冗余及维护性能，标准模块化、集成化的理念得以提出并加以贯彻；而为进一步提高电力电子产品的系统性能，电力电子智能化技术也得到了发展。因此，电力电子技术已进入高频化、标准化、模块化、集成化和智能化的发展时期。 近年来，随着能源危机的出现，电力电子技术在新能源发电、变频调速与节能等方面得到了快速发展，世界各国对电力电子技术也更加重视。一方面，具有自关断能力的大功率高频新器件及其应用技术取得了显著而快速的发展；另一方面，同微电子技术紧密结合的新一代智能化功率集成电力电子技术初露锋芒。 展望未来，随着具有高可靠性的集成电力电子模块（Integrated Power Electronic Modules，IPEM）技术以及具有导通损耗小、耐压高、高结温等特点的硅等新一代宽禁带器件的应用，电力电子技术将会发生新一轮革命性的变化，从而带动国民经济及其装备技术水平的飞速发展。 电力电子学发展过程中的重要事件如下： 1803年 整流器的发明。 1876年 硒整流器的发明。 1896年 单相桥式整流电路的发明。 1897年 三相桥式整流电路的发明。 1902年 水银整流器的发明。 1903年 相控整流原理的提出。 1911年 金属封装水银整流器的发明。 1922年 周波变换器原理的提出。 1923年 电子晶闸管的发明。 1924年 斩波器原理的提出。 1925年 逆变器换流原理的提出。 1926年 热阴极电子晶闸管的发明。 1931年 铁路牵引用周波变换器的发明。 1933年 引燃管的发明。 1935年 高压直流输电系统的提出。 1939年 电机驱动概念的引入。 1942年 20MW 25/60Hz功率变换器的发明。 1953年 100A锗功率二极管的发明。 1954年 硅功率二极管的发明。 1957年 半导体晶闸管的发明。 1958年 半导体晶闸管的商业化。 1961年 小功率可关断晶闸管（GTO）的发明。 1964年 三端双向可控开关元件用于直流电机驱动理论的提出。 1965年 光激硅可控整流器的发明。 1967年 用于高压直流输电系统的晶闸管的发明。 1970年 500V/20A硅双极型晶体管（BJT）的发明。 1971年 磁场定向原理的提出（矢量控制）。 1973年 用周波变换器实现的无齿轮传动球磨机的发明。 1975年 300V/400A巨型晶体管（GTR）的发明。 1978年 100V/25A功率场效应管（MOSFET）的发明。 1979年 采用微处理器实现矢量控制的晶体管逆变器（LEONHARD）的发明。 1980年 矩阵变换器的发明； 4kV/1.5kA光触发晶闸管的发明； 开关磁阻电机的发明。 1981年 2500V/1000A GTO的发明； 周波变换器实现的球磨机驱动的成功。 1982年 CUK变换器的发明。 1983年 IGBT变换器的发明； 谐振链DC-DC变换器的发明。 1986年 柔性输电概念的提出。 1987年 双向PWM RECTIFIER-INVERTER系统的实现。 1987年 场控晶闸管（MCT）的发明； 电力系统有功功率控制器（APLC）的发明； 直接转矩控制理论的提出。 1989年 85MW变速泵储能系统的完成； 准谐振变换器的发明。 1990年 SMART功率驱动的实现。 1991年 80Mvar（1var=1W）静止无功功率补偿器（SVC）的发明。 1992年 6kV/2.5kA，300MW直流输电的成功。 1993年 模糊逻辑神经元网络在电力电子学及电力传动上的应用。 1994年 1MV A IGBT不停电电源（UPS）的发明； 38MV A GTO牵引逆变器的发明； 400MW 变速泵储能系统的完成。 1995年 3电平GTO/IGBT逆变器在球磨机传动中的应用（15/1.5MV A）； 100Mvar 静止无功补偿装置（TVA）的发明。 1997年 IGCT概念的提出和商业化。 1998年 5MW 3电平直接转矩控制变换器的实现； 1MW 50kHz电流型感应加热逆变器的运行。 1998年 300MW GTO高压输电变换系统的完成； 6.5kV 双向晶闸管（BCT）的发明。 1999年 6.5kV/600A IGBT 模块在3000V 直流系统中成功替代GTO； 双向MOS 开关（MBS）的发明。 2000年 反向阻断性IGBT的发明； 用3电平IGCT逆变器实现的45MV A动态电压补偿器（DVR）的完成； 矩阵变换器模块的发明。 2001年 英飞凌公司推出首*商业化的碳化硅肖特基二极管。 2003年 碳化硅GCT（SICGT）高压模块的成功研制。 2006年 中国株洲中车电气成功研制出世界上**只6英寸8500V商用HVDC晶闸管。 2009年 中国成功投运世界首*±800kV高压直流输电工程——云南至广东直流工程。 2013年 ABB 推出6.5kV等级的IGCT（集成门极换流晶闸管）。 2013年 中国许继集团研制出世界首*额定电流6250A 的特高压直流输电换流阀组件。 2016年 美国Cree半导体器件商推出1700V电压等级的碳化硅肖特基二极管。 2017年 ABB宣布轻型高压直流领域的*新进展，传输能力达到3000MW。 2017年 中国研制出世界首套±1100kV/5500A换流阀样机。 2018年 ABB推出了全球首台集成了数字化解决方案的电力变压器——ABB AbilityTM数字化电力变压器。 1.3 电力电子技术的应用 1. 电力电子技术在电源中的应用 现代电力电子技术在高质量、高效