我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇.doc
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2004年8月
第19卷第8期
电工技术学报
TRANSACTIONS0FCHINAELECTROTECHNICALSOCIETY
V01.19NO.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檩生
(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成
中图分类号:
TN60;TM921.0
ChallengeandOpportunityforPowerElectronicsandElectricalDriveinChina
QianZhaomingZhangJunmingLUZhengyuPengFangzhengWangYousheng(ZhejiangUniversityHangzhou310027China)
AbstractNewestdevelopmentsinpowerdevicesandapplicationsofpowerelectronicsandelectricaldrivesfortherenewableenergysources,thedistributedpowersystem,theenergyqualitycontrol,thetractionandmotordrive,andthegreenlighting,aswellasthepowerelectronicsystemintegrationhavebeenreviewed.ItispointedthatthepowerelectronicsandelectricaldrivesindustryinChinaisfacingbothgoodopportunityandseriouschallenge.
Keywords:
Powerelectronicsandelectricaldrives,challengeandopportunity,appliedpowerelectronics,powerelectronicsystemintegration
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(Poweric)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;大功率时的开关时问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、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缺口。
万方数据
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
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:
第一时期1950~1960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1970~1980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‘¨。
图1功率半导体器件发展‘1】
Fig.1DevelopmentoftheSemiconductorpowerdevices【1】
在电力电子器件的发展过程中,功率频率乘积(powerfrequencyproduct)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109~1010W·Hz的水平【21。
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。
万方数据
12电工技术学报2004年8月
频率f/Hz
图2功率半导体器件的功率频率乘积‘2】
Fig.2Thepowerfrequencyproductofthe
semiconductorpowerdevice【2】
2.1新的功率器件结构【l’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(SuperJunction,SJ)
和浮动结(FloatingJunction,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
(activelayer)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。
采用这个
方法,单位面积导通电阻可降低5~10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40mQ·cm2。
导通电
阻低于26mf2·cm2的600VSJ.MOSFET也见诸报
道,导通电阻低于10mf2·cm2的600VSJ—MOSFET
不久也将进入市场【11。
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。
·a。
(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CPU
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/I.ts,开关频率需要达到
45MHz【5】。
为了实现这些指标,用于同步整流的
MOSFET的尺。
·级值需要达到0.65Q·pF,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
得更小的尺。
。
·Q。
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R0Ⅱ·Q。
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
MOSFET-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1~3500A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。
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1~2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。
年份
图3IGBT器件电压电流耐量趋势‘71
Fig.3Thetrendofthevoltageandcurrentrating
ofIGBTdevicest7】
多~r钆静餐
万方数据
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“,7~91
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4所示。
图4Baliga提出的半导体材料的特征指标(BFM)【11
Fig.4FigureofMerit(FOM)forsemiconductor
materialsproposedbyBaliga【1】
BFM=q‘/.t。
‘鹾=4喵VZBD/R。
。
其中%D——阻断电压
R。
。
——导通电阻
玎——电介质常数
∥。
——电子迁移率
E——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:
·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
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300~3000V、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
1.0mQ·cm2的600VSiC.SBD已经在实验室中试制成功,另外600V6A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3mr2·cm2,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。
由于碳化硅pn结固有电压(约2.5V)比硅pn结结电压(0.7~0.8V)高得多,故而和硅半导体器件相比,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,这是不可缺少的动力。
3可再生能源、分布式发电系统和电能质
量控制‘10~12】
在全球范围内,一方面,人们对电力需求持续
不断增长,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C02
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
万方数据
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
C02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C02、NOx、S02
等污染物;油电、气电存在温室效应问题;核电虽
说在发电期问污染比火电少,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C02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【121。
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【12~141
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、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】。
万方数据
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。
白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,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l%,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.1Installedpowercapacityandaverageannual
growthspeedoftheglobalwindpowergeneration【3】
注:
表1中的数据已修正退役容量
目前的风机功率为1~1.3MW,海上应用的
4~5MW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
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- 我国电力 电子 电力 传动 面临 挑战 机遇