电力电气自动化的电力系统与元件技术的应用分析

电力电气自动化的电力系统与元件技术的应用分析

张超  丁佳卉

陕西陕化煤化工集团有限公司 （陕西 华州 714100 ）

摘要：越来越多的电气化和控制功能在消费，商业，工业，运输，甚至医疗应用中不断发展的趋势，保证了电力电子器件的动态和日益重要的作用。电力系统与元件技术在能源系统中的渗透率越来越高，这是由新材料（例如SiC和GaN）以及新的封装技术推动的，这些新技术使电力系统与元件技术能够与动力和受控设备（例如电动机）进行物理集成。由SiC和GaN器件的应用导致的超高频率转换的进展有望使单芯片转换器技术成为可能，但是无源元件技术的同时发展也是必要的。应用程序渗透的主要挑战仍然是降低成本。

关键词：电气自动化 电力系统 电力元件 应用分析

0 引言

功率电子设备是指其主要功能是处理能量的电子电路。这与处理信息的信号级电路相反。电力系统与元件技术包括这两个电路类别的结合，介于电能的源和宿之间。除了作为计算机和电信设备电源的电力电子系统的常规应用之外，电气自动化正迅速取代机械系统的气动和液压致动。电力系统与元件技术的电子部分包括以各种拓扑形式控制和配置的半导体开关，以产生所需的转换功能。电力电子在商业，工业和军事应用中的渗透率不断提高是由三方面推动的：降低成本使固态电源技术在经济上更具吸引力；新型半导体材料可控制更高的电压和在更高的温度和频率下运行，以及需要对过程进行更复杂、更节能的控制。

1 电力系统

1.1系统元件

系统中构成电力电子电路的设备和组件对转换性能施加了约束。其中包括由于半导体，变压器或电感器的耗散而引起的热问题，电解电容器的热极限和有限的寿命，以及功率半导体器件限制的电压，电流和开关速度。新技术，特别是新的半导体材料，显示出有望缓解其中一些限制的希望。此外，新的封装和热管理技术为将电子设备物理集成到应用程序包中提供了机会。高性能和低成本IGBT和MOSFET的持续发展是主要的条件之一，也是电力系统与元件技术应用不断扩展的推动力^[1]。硅IGBT现在可提供高达6.5 kV的电压和高达1 kA的电流，这使得它在高压公用事业环境和高功率牵引驱动系统中成为实际的PWM应用。

影响电力系统与元件技术未来应用的最重要的最新进展之一是制造实用的SiC和GaN功率器件。。富士通最近发布了将其GaN高电子迁移率晶体管应用于2.5 kW，380 Vdc电源的功率因数校正电路的结果。这些电力系统与元件技术的广泛应用面临的挑战是化合物半导体材料的成本。晶体生长，特别是对于GaN而言，是一个复杂的过程，尚不能生产出大型的无缺陷衬底。导致的接口不匹配会产生许多问题，这些都是正在进行的研究的主题。

1.2电容器系统

图1 电容器系统图

对于装有电容器的系统，电解电容器仍然是电力系统与元件技术进行应用的最大的可靠性挑战之一，尽管已进行了改进和监视其状态的尝试，但它们仍对功率转换器的工作温度和质量/体积施加了限制。正在开发采用可适应较大纹波电压的有源开关电容器的电路技术，从而导致通过固体介电电容器满足滤波要求，结果是电力系统与元件技术使用寿命和可靠性的有了显着的提高^[2]。

2 电力元件技术

2.1 高级设备和元件数据中心

数据中心是计算机和内存的大集合，支持高强度数据处理，是电力系统与元件技术的大用户。对于电力系统与元件技术来讲，其可靠性是最重要的，因此大型不间断电源（UPS）始终是此类中心或服务器场的一部分。为了最大程度地降低成本，简化架构并增加扩展灵活性，正在考虑在中心内进行直流分配，尽管有关这种系统是否提高交流电源和配电架构本来就已经很高的效率仍有争议^[3]。

从历史上看，数据中心在满负荷的情况下运行，而与要处理的数据量的变化无关。这导致用于计算效率的能量大约为10％，并且用于电力系统与元件技术的财务和能量支出很大。在此领域中，影响最大的是处理器的动态控制，以使其活动和速度与计算负荷相匹配。然后，通过动态控制电源来适应由此产生的电气负载降低，例如，通过使一些电源脱机并将其余电源保持在其峰值效率负载，而不是在降低电源和效率的情况下操作所有电源。

2.2 元件推进系统

图2 电路元件图

实际上几乎每种电力系统与元件技术的方式都在发生重大变化，包括引入一些基于电动的推进系统和由电动辅助系统组成的组合。在不同的方式之间，驱动这些变化的价值主张以惊人的方式变化。但是，存在一些共同的潜在动机，包括对更高燃油的经济性，改善的车辆可控制性的需求，以及对用于大型辅助负载和辅助负载的大量经过处理的电力的需求不断增长。

这些车辆中电机驱动器的峰值额定功率从轻度混合动力配置中的<10 kW到高性能强混合动力和电池-电动传动系统中的> 175 kW不等。迄今为止，室内永磁同步电机是全世界生产混合动力汽车和BEV的主要电机类型，这反映出这些电机在实现高扭矩/功率密度和高效率方面的优势。然而，人们对稀土磁体的成本和可用性的担忧已引起对永磁电机替代品的重大重新评估，包括感应和开关磁阻电机，以确定它们是否适合在未来电力系统与元件技术中使用。尽管这些其他候选机器的性能指标不太可能会超过精心设计的PM机器的性能指标，但如果其成本/性能折衷看起来足够吸引人，则设计研究可能仍倾向于一个或多个挑战者

2.3 在住宅方面的应用

近年来，电力电子和变速电机驱动器在住宅和消费类电子产品中的应用已在全球范围内显着扩展。如前所述，这种扩展的驱动因素是一种熟悉的组合，包括性能优势，节能和降低电力电子设备成本。长期以来，日本一直是电力系统与元件技术开发和商业化的国际领导者，这反映了其传统上较高的能源成本提供了动力。在美国，越来越严格的政府关于家用电器和供暖，通风和空调（HVAC）设备的能效法规已经刺激了产品向同一方向发展。长期以来，用变速驱动器代替制冷和HVAC设备中的电动机的ON-OFF循环控制可以节省大量能源，并提高建筑居民的舒适度。

3 结束语

新技术向市场的渗透要求它们对应用具有成本效益。许多潜在应用的市场强烈依赖价格，例如白色家电，照明和汽车。例如，除非能获得压倒性的性能优势，否则电力系统与元件技术在这些应用中将不实用，直到它们的成本与Si变得具有竞争力为止。工业应用更可能基于生命周期成本分析来评估，在这种情况下，可以基于效率，体积，重量或性能考虑进行评估。但是，直到无源元件的高频性能有所提高，才能真正利用这些宽带隙器件实现的非常高的频率操作。在这里已经介绍了在消费，商业，工业，运输，甚至医疗应用中实现更大的电气化和功能控制的电力系统与元件技术持续趋势，这在电力电子领域将发挥动态和日益重要的作用。

参考文献

[1] 齐秀锋.浅谈电力电气自动化系统及元件技术的运用[J].中国新技术新产品,2016(06):7.

[2]黄敏.电力系统领域中电气自动化元件技术的应用探讨[J].中国新技术新产品,2015(06):11.

[3]黄淑霞.电力电气自动化元件技术的运用特征分析[J].科技创新与应用,2019(29):186-187.