发电技术论文范文
时间：2023-03-17 18:14:20
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篇1
城市生活垃圾的处理方法主要有填埋、堆肥、焚烧等。填埋法方便易行，处理量大，是现在城市垃圾处理的一种主要方法，但是易造成二次污染，非凡是垃圾中的一些有毒有害物质填埋腐烂后，渗透到地下，引起地下水的污染；同时产生的一些有害气体
造成环境的二次污染，并且需占用大量的土地。焚烧法是最有效的方法，使城市垃圾处理基本上达到了减容化、无害化和能源化的目的。垃圾焚烧后，一般体积可减少90%以上，重量减轻80%以上；高温焚烧后还能消除垃圾中大量有害病菌和有毒物质，可有效地控制二次污染。垃圾焚烧后产生的热能可用于发电供热，实现了能源的综合利用。
2垃圾发电供热技术的可行性分析
城市生活垃圾焚烧发电技术在国外已有四十多年的历史，最先利用垃圾发电的是德国和法国，近几十年来，美国和日本在垃圾发电方面的发展也相当迅速。目前，日本拥有垃圾发电厂一百多座，发电总容量在320MW以上，单台设备最大处理垃圾能力为552吨/日。
我国垃圾焚烧发电供热技术起步较晚，现在还处于探究开发阶段。现已建立的部分垃圾发电站，基本上是引进国外的设备和技术。我国第一座垃圾发电站是在深圳，引进的是日本三菱重工生产的两台炉排式垃圾焚烧炉，日处理垃圾150吨，配置500kW的汽轮发电机组来发电供热。1992年又上了一台杭州锅炉厂(引进日本三菱重工技术)制造的垃圾焚烧炉，日处理垃圾150吨，配置1500kW汽轮发电机组。在上海、天津等城市也相继和法国、澳大利亚等国家合作建设垃圾发电厂。引进的这些垃圾锅炉基本上都是炉排炉，价格昂贵，而且在燃用低热值、高水份的垃圾时，为了保证锅炉的正常燃烧，达到需要的工艺参数，必须添加燃料油，运行成本较高，经济效益差。发展适合我国国情的垃圾焚烧炉，实现设备国产化，达到低污染和高效燃烧是众多科研单位和生产厂家正在探究开发的课题。
流化床燃烧技术是本世纪六十年代迅速发展起来的一种新型清洁燃烧技术。他利用炉内燃料的充分流动、混合，达到高效燃烧。我国在利用流化床燃烧技术燃用低热值燃料方面处于国际领先水平。非凡是浙江大学热能工程探究所多年来进行废弃物(如洗煤泥、煤矸石、城市生活垃圾等)的探究开发和应用。成功开发出异重流化床城市生活垃圾焚烧技术，可实现高效清洁燃烧。采用流化燃烧技术焚烧垃圾的优点主要表现在以下几个方面摘要：
a操作方便，运行稳定。由于流化床床料为石英沙或炉渣，蓄热量大，因而避免了床的急冷急热现象，燃烧稳定。垃圾的干燥、着火、燃烧几乎同时进行，无需复杂的调整，燃烧控制轻易，易于实现自动化和连续燃烧。
b设备寿命长。炉内没有机械运动部件，使用寿命长。
c可采用全面的防二次污染的办法。对焚烧时产生的有害物质进行处理，在不增加太多投资的前提下，可将NOX、SO2等气体排放控制在国家标准以下，炉渣呈干态排出，便于炉渣的综合利用。
d流化床焚烧炉由于炉内燃烧强度和传热强度高，相同垃圾处理量的流化床焚烧炉和炉排炉相比体积要小，故而投资小，适应于大型化发展。
e燃料适应性广，可燃烧高水分、低热值、高灰分的垃圾，床内混合均匀，燃尽度高，使垃圾容积大大减少，非凡适应于垃圾热值随季节变化很大的特征。
因此，流化床垃圾焚烧是一种综合性能优越的焚烧方式，尤其适合我国垃圾热值低、成分比较复杂的国情。随着我国人民生活水平的提高，城市生活垃圾中无机物含量将大幅度下降，有机物、纸、塑料等高热值废弃物成份逐渐上升，使之具备了能源化利用的可能。当城市生活垃圾随着季节变化或影响过低时，为保证供电或供热，可将垃圾和辅助燃料(如原煤、废油等)在同一炉内混烧。
目前，城市生活垃圾流化床焚烧发电新技术已应用到商业化运营的热电项目上。1998年浙江大学热能探究所和杭州锦江集团将联合开发的此项技术应用到余杭热电厂，把余杭热电厂原有的一台35t/h链条锅炉改造为垃圾流化床焚烧炉，燃用杭州市部分地区的城市生活垃圾。锅炉经改造后，单台炉日处理垃圾150～250吨，同时补充部分辅助燃料--原煤，以保证热电厂的正常供热和发电。
余杭热电厂的垃圾焚烧炉至今已运行十个月，运行状况良好。其运行情况如下摘要：垃圾焚烧炉运行稳定，各项技术参数和指标均达到了设计要求，保证了发电机组的正常运行；最长连续运行时间超过一个月；平均每小时焚烧垃圾约7吨，最大量可达到11吨/小时；对垃圾成分、热值随季节性变化和适应性好。
通过以上的分析说明，在我国发展垃圾发电，在技术上已经有了很大的突破，非凡是近几年来循环流化床燃烧技术发展迅速，为垃圾焚烧技术的发展创造了有利的条件。目前，我国各地热电厂循环流化床锅炉的数量正在大幅度上升，并向大型化发展，运行操作和管理水平在不断提高，并趋于成熟，对垃圾流化床焚烧炉的推广应用又创造了较好的环境。
3方案的选择
垃圾焚烧发电项目建设方案的确定，应从本地的实际情况出发，结合城市发展水平而定。国外的技术比较成熟，但设备的价格昂贵，投资太大，一般中小城市难以承受。采用国内的技术和设备，投资小，很适合我国的国情。一般来说，在一个城市是新建一座垃圾焚烧发电厂，还是利用现有的热电厂进行改造，应进行可靠的分析和探究。笔者认为，利用现有的小热电厂进行改造将比新建一座更有利，分析如下摘要：
王云翠等摘要：开发垃圾发电技术实现热电持续发展
热电技术2000年第1期(总第65期)
a新建一座垃圾发电厂，在整体布局和结构上可能合理些，但投资较大，如新建一座日处理垃圾300～500吨中型垃圾发电厂，要建3×35t/h锅炉+2×6MW汽轮发电机组，需投资1.4～1.5亿元。投资大，产出低，项目经济效益低下。
b热电厂在现有的基础上进行改造，可以利用原有的生活办公设施及生产厂区和配套设备，节省投资，见效快。同时，进行改造也可以有两个方案；一是在热电厂厂地答应的情况下，建新的垃圾焚烧炉和发电机组，那样机组分布较合理，但在目前电力需求趋于饱和的情况下，新机组发电并网比较困难；原有的锅炉进行改造，配套热电厂现有的机组，比较轻易操作，可以节省大量的投资，实施轻易，能起到事半功倍的效果。
临沂热电厂位于临沂市西南部的工业区内。现有3×35t/h链条锅炉+1×75t/h循环流化床锅炉和1×C6+1×B6+1×C12中温中压汽轮发电机组。供热主管线长20余公里，主要为50余家工业生产用户和机关宾馆居民采暖供热。现有的两台35t/h链条炉需要燃用优质烟煤，虽经几次改造，但是效果不大。锅炉效率低，经测试锅炉热效率为78%，面临着被淘汰的可能。假如把链条炉改造成流化床垃圾焚烧炉，可以解决临沂市的垃圾处理新问题，同时提高锅炉的热效率，适应时代的发展，对我厂经济效益将有很大的改观。因此，我们选择了利用原有锅炉进行改造的方案。
4锅炉改造方案
4.1锅炉本体改造
锅炉改造维持原炉膛中上部及尾部烟道不变，将炉膛下部炉排及渣斗拆除，使炉下部改为流化床密相燃烧区，密相区内布置倾斜埋管。埋管采用加装鳍片和喷涂方式防止磨损。炉体水冷壁内侧敷有耐火层，防止磨损。锅炉本体外部的汽水管道系统不变。增加了流化风室及布风板、风帽，阻力大大增加，原有风机压头不能满足要求，所以选用高压头送风机。引风机也需改型。在炉膛出口设置分离器和返料器，经分离器分离下的颗粒可实现炉内循环，增加其停留时间，这样大大提高燃烧效率，且尾部受热面的磨损程序大大减轻。
4.2垃圾处理系统
生活垃圾由汽车运至厂内垃圾储存仓，在厂内渣场位置建一座半地下的全密封的垃圾库。
和现在的输煤栈桥并行建一条密封的耐腐蚀的垃圾输送皮带。垃圾储存仓内设有破碎机，单梁吊车。并设有电磁去铁器、污水泵等。垃圾运至库内，经垃圾炉前处理系统送入炉内。预处理系统一方面可打坏特大垃圾及塑料袋、木板、玻璃瓶、砖块石块等杂物，同时也可使垃圾均匀入炉，破碎后的垃圾用吊车抓到输送带上，送到炉前，经往复式给料机送入炉内。
采用吸风管将垃圾坑内散发的臭气吸至炉内，进行燃烧脱臭，不让垃圾臭气弥散。垃圾中的污水收集在坑底废液池内，然后经泵喷射至炉内流化床段上方焚烧，使其充分裂解，减少污染。
4.3焚烧系统
因垃圾焚烧炉是链条炉改造的，用石英砂或炉渣作床料。每小时燃烧垃圾6～9吨。垃圾进入焚烧炉后，和炽热的床料混合焚烧，由于流化床良好的横向混合特性，可确保床内焚烧能保持稳定运行。焚烧炉内设计温度和烟气停留时间分别为850℃和3秒左右，并保持强烈混合，使有害成分在炉膛内充分裂解和破坏。高温烟气从炉膛出口至过热器、省煤器、空气预热器、烟气处理装置和电除尘器，最后经烟囱排入大气。
由于垃圾热值受来源、气候、季节等因素的影响很大，为达到高效低污染焚烧的目的，用煤充当辅助燃料。
点火采用床下自动点火系统，经预燃室进入风室，关入炉膛。
整个除灰系统处于干式密封状态，因此避免了厂区内粉尘污染和污水污染，排出的灰渣可综合利用。
4.4热工控制系统
焚烧炉采集了较全面的运行参数，供垃圾焚烧炉运行调节、操作和检测，主要参数有各主要部分的温度显示和记录，各主要部分的压力显示，主要管路的流量，炉膛含氧量。另外控制系统除含有常规温度、压力、流量、远控、报警等功能外，还配套垃圾预处理及焚烧炉内重要部位的实时工业电视监视。考虑到垃圾的脏臭等非凡性，绝大多数的调节手段均集中于主控室内，使运行人员工作强度降低，提高了工作效率。
4.5锅炉厂用电系统
本期工程厂用电采用380伏电压，利用原有的厂用电系统。本期工程不再增加低压厂用变压器。
4.6环保办法
垃圾流化床锅炉是城市解决环保新问题的重要设施，对保护环境、减少污染起到了很大的功能。垃圾处理实现了减量化、资源化、无害化，解决了困扰城市发展的一大难题，保护了人民身心健康，美化了城市环境，提高了人民的生活质量。垃圾流化床锅炉本身亦采取了一系列办法来解决产生的污染新问题。
4.6.1建立全密封的垃圾库。将垃圾存放在垃圾库中，并用吸风管将垃圾坑内散发的恶气送入炉内做二次风，运行燃烧脱臭；垃圾底部设有一废液池，收集污水，当达到一定量后，把污水喷射到炉内流化床段上方焚烧，使用充分分解，减少污染。
4.6.2垃圾在垃圾库中经简单破碎后，经一条全密封的皮带送入炉内。炉内设计温度为850℃左右，烟气停留时间为3秒左右，炉内床料并保持充分混合，使有害成分在炉膛内充分裂解、破坏、焚烧。
4.6.3采取较全面的防止二次污染的办法，对焚烧时产生的有害的物质进行了处理，可将NOX、SO2及HCl等气体控制在国家标准之下。为进一步净化尾气，在尾部安装了脱除有害气体的烟气处理装置。炉渣呈干态排出，无渣坑废水，亦不需处理重金属污水的设备。
当处理含硫或含氯高的垃圾时，基于流化床燃烧方式的优点，采用炉内加石灰石可脱除SO2和HCl。
4.6.4由焚烧炉尾部排出的飞灰经过电除尘器，飞灰浓度低于国家标准，排出烟囱。整个系统处于干式密闭状况，因此避免了厂区内的粉尘污染和污水污染，排出的灰渣可综合利用。
5垃圾焚烧发电项目的经济性分析
热电厂现有的三台35t/h链条炉改造为流化床垃圾焚烧炉后，日处理垃圾能达到600吨，配置一台C12MW的汽轮发电机组，原热力系统、汽水系统、输煤系统不变，新建垃圾处理系统。项目经济性分析如下摘要：
整个改造工程需要投资4800万元左右；
销售收入按设备的容量计算，销售电、汽年收入约5360万元；
年运行费用约4100万元；
年销售税金及附加费约350万元；
年获利润约900万元(包括所得税)；
项目投资回收期约5.5年；
总投资利率约18.8%；
总投资利税率约26.2%；
该项目在财务上是可行的。
垃圾焚烧发电供热项目是一项社会公益事业，主要体现了社会效益。同时热电厂通过技术改造，设备更新换代，取得了一定的经济效益，找到了新的经济增长点，实现了热电厂的可持续发展。
6结束语
6.1结论
6.1.1城市生活垃圾焚烧发电供热属一项新兴的产业，它解决了城市垃圾造成的污染。和填埋、堆肥相比节省了大量土地，减少了二次污染，同时充分利用了再生能源，达到了对垃圾处理的减容化、无害化、资源化的目的，社会效益显著。
6.1.2城市生活垃圾焚烧技术已日渐成熟，已实现了垃圾焚烧炉设备全部国产化，并有示范工程，而且已显示出它的可靠性、稳定性。我国的垃圾焚烧发电供热事业已初露端倪，并已纳入产业化轨道，其发展势头迅猛。据有关部门资料介绍，北京、天津、武汉、长沙、南京、温州、汕头、珠海、中山等城市都有发展规划。至2000年，全国将建有大中型垃圾发电厂3～5座，小型工厂10～15座，至2010年，各地将建有各类垃圾能源工厂150～200座。我省已有荷泽、平度、枣庄等市垃圾发电厂已立项及设备订货。
6.1.3热电厂的原有锅炉设备非凡是35t/h链条炉效率低，要求煤种好，需要进行更新改造。改为垃圾焚烧锅炉后，技术水平高，是一条优化组合资产，节能降耗，提高经济效益的开拓之路。
6.2建议
城市生活垃圾焚烧发电供热工程是一个社会公益和环保事业，它体现出巨大的社会环保效益，并且又是一个投资高，技术密集型的企业。就其性质来讲，它属于综合利用高新技术产业项目。它的发展需得到各级政府及有关行业的支持配合，国家应加大力度，探究落实扶持政策，促进该项目顺利运行。它应该享受有关的优惠政策。
6.2.1按照国家有关规定，该项目银行应优先布置基本建设贷款，并给予一定比例的财政贴息。
6.2.2垃圾发电的电量应全部上网，电力主管部门不布置该项目机组作调峰运行。
6.2.3垃圾发电供热机组的并网运行电价、供热热价在还款期内应实行“生产成本+本付息+合理利润”的定价原则。
篇2
在发电领域减少二氧化碳产生的途径包括：提高发电效率减少燃耗；采用原子能发电；使用再生(天然)能源。每单位发电量二氧化碳的产生，以矿物燃料发电最高，特别是烧煤电厂。再生能源发电虽然设施的建造会产生二氧化碳，但发电本身不会产生二氧化碳。因此，增加使用再生能源发电和有效使用矿物燃料，是抑制产生二氧化碳的有效方法。
再生能源发电技术可分为水力发电；风力发电；太阳能发电(太阳─热发电和光伏发电)；海洋发电(海洋-热能转换、潮汐、洋流、海波)；地热发电。
水力发电
水力发电是目前发电技术中每单位发电量产生二氧化碳最低的。它不会产生破坏环境的物质；在径流式水电站的情况下，也不需要水库，对保护环境最为有利。在水库型和抽水储能型电站情况下，必须考虑水库建造对环境的影响。
风力发电
欧洲和美洲在风力涡轮的发展上处于领先地位，随着在美国公用事业管理政策条例(PURPA)的制定和加州减免赋税，它们的实际应用迅速取得进展。三菱重工(MHI)已在美国加州安装了660台275千瓦级的风力涡轮。实际应用的这些涡轮机，其输出功率范围从100千瓦到600千瓦，而兆瓦级的风力涡轮目前正处于中试阶段。在日本，迄今输出功率最高为300-400千瓦，但MHI开发的500千瓦级的涡轮在1996年10月已成功运转。
太阳-热发电
太阳能发电技术可分为太阳-热发电和光伏发电。在前一种情况下，通过搜集的太阳热能，用水或低沸点流体直接或间接产生的蒸汽驱动汽轮发电机；在后一种情况下，通过p-型和n-型半导体的组合，将阳光直接转换为电。太阳-热发电又分为直接和间接(二元循环)型发电系统。在前一种情况下，使用一台冷凝器，通过直接产生的蒸汽驱动汽轮机；而在后一种情况下，是在主系统使用一种沸点高于水的熔盐或液态钠，通过热交换加热辅助系统内的工作流体-水或低沸点流体产生蒸汽。虽然前一种系统简单，但热效率低于后者，难以在高温下取得蒸汽，需要辅助燃料点火。
在日本已建成输出功率1000千瓦的中试装置，应用了塔型和曲线-直线型冷凝器，用热水蓄热设施予以补充。美国在1982年开始对10兆瓦级的发电机进行研究，随后建成了实际应用输出功率超过30兆瓦的装置。
再生能源发电尚有一些问题需研究解决：
(1)由于日光能量密度低(在白天，最高每平方米1千瓦)，要放置太阳热能收集器需要巨大的空间。
(2)太阳辐射的强度变化大，因发电取决于时间和天气，所以不能实现稳定发电。
(3)由于难以通过热积累把蒸汽的温度提高到一个高水平，所以不能实现高效率的兰金循环(总效率10%～15%)。
为减少成本，实现电力的稳定供应和提高效率，要解决的问题(1)必须改善抛物面反向镜型和定日镜塔型系统的热收集效率；(2)必须应用一补充锅炉或蓄热系统；(3)需使用一个二元循环提高温度，并通过应用低沸点混合液体改善兰金循环。
光伏发电
应用光伏发电所产生的二氧化碳量仅次于水力发电技术，也不会产生污染环境的物质，是一种理想的干净发电技术。为发电提供能量的日光是无限的。假定在白天太阳辐射的最高强度是每平方米1千瓦，发电效率为10%，整个地面上每年可能的发电量为1.4亿亿度，大约相当于全世界能耗量的100倍。这意味着如果把太阳电池放置于不到全球陆地面积的1/100，或其沙漠面积的1/20，所发电量就足以满足全世界能量的需求。
这种再生能源每单位面积的输出功率密度低，所需要的面积大约为烧煤电站的20倍。在美国和印度，沙漠面积巨大，目前正在进行的计划是建造188兆瓦(美国)或50兆瓦(印度)的光伏发电厂。由于世界上有许多地区适用于大规模光伏发电，作为新日照计划的一部分，发展一种全球性的干净能源系统，即世界能源网(WENET)正在进行中，该计划的目的是，在这些地区实现中央光伏发电，用所发出的电使水分解产生氢，氢既可用做能源，又可用做蓄能和输能介质。从保护全球环境和能量生产角度看，实现这一计划很重要。
地热发电
可供发电的地热资源可粗分为蒸汽、蒸汽和热水二相流、热水。地热蒸汽可不加处理直接引入汽轮机；而二相流被分为热水和蒸汽，热水通过闪蒸器变为蒸汽，引入汽轮机的低压侧。在热水情况下，可采用上述的二元系统(通过使用主系统一侧的热水使辅助侧的低沸点液体蒸发，并通过低沸点液体驱动涡轮)。
自从1966和1967年9.5兆瓦、11兆瓦的电站(由日本三菱重工安装)分别投入运行以来，目前在日本正在运行的装置有18台，约生产530兆瓦的电。以间歇泉电站的容量最高，为151兆瓦。美国目前正在运行的间歇泉电站，功率在100万千瓦以上。
日本三菱重工的技术得到高度评价，它通过单级或双级闪蒸系统，将热水变为蒸汽并将蒸汽引入涡轮的中压或低压段，这样，双相流热资源就得到了有效应用。
这种双级闪蒸系统于1977年投入商用，目前用在60多台发电装置。
从有效使用小规模地热资源观点看，预计未来会发展小型(便携式)发热发电装置。
篇3
在“西部大开发”战略的指引下，史无前例的“西气东输”工程全面施工，引进液化天然气和管道气项目也全面开展。国家重点支持发展的天然气燃气—蒸汽轮机联合循环发电工程首批联合招标项目装机总容量8000MW，计划于2005~2006年建成发电。以引进技术形成自主开发能力为目标的燃气轮机制造产业也在分阶段实现。我国天然气燃气轮机和联合循环发电进入一个新的发展时期。
据统计，2001年世界天然气消费量达24049亿立方米，天然气在世界能源消费结构中的比例达24.7%。第16世界石油大会报告认为2010年全球天然气消费量将增加到49000亿立方米，且预计到2040年天然气在世界能源消费结构中的比例将上升到51%。
当今世界主要工业发达国家能源结构中天然气所占比例为：美国25.8%，英国38.1%，俄罗斯54.6%。而我国仅为2.5%。
此外在1995年世界电力结构中天然气发电占18.54%，当时我国是1.4%。近期我国天然气燃气轮机发电装机容量将有增加，但预计到2006年天然气发电在电力结构中的比重仅达2.7%。
以上统计说明，我国在天然气应用和天然气发电上与世界工业发达国家相比有巨大差距，努力推动我国天然气发电的任务是紧迫的，也是有很大发展空间的。
一优质燃料天然气应主要用于燃气轮机联合循环的高效发电。
天然气是化石能源中最洁净的燃料，在燃烧性能、热值、运输等各方面都是最优质的燃料。燃气轮机和联合循环发电应用热力学上布雷顿循环和朗肯循环相结合，既有利于高品位能量的转换，又能充分利用较低品位的能量，具有能源综合利用和最高效率的优点。当今燃气—蒸汽轮机联合循环发电热效率已达到60%，远高于常规或超临界火力发电水平，（见表1）。
应用天然气燃料燃气/蒸汽联合循环发电的另一个优点是最低的环境污染排放。燃气轮机具有优良的燃烧特性，控制低污染排放技术水平不断提高。天然气燃气/蒸汽轮机联合循环机组与常规火力发电机组相比具有最低的污染排放，被称为“绿色能源”，是可持续发展最有希望的发电技术（见表2）。
表2装机容量500MW燃用天然气电厂和燃煤电厂的环境影响比较
注：1原煤热值按全国平均值19678kJ/kg(4700kcal/kg)计；
2原煤含硫按1.1%，灰份按27%计；
3年耗煤量150万吨，除尘效率98.5%；
4燃天然气电厂值取国外资料
由于天然气燃气－蒸汽联合循环是最理想的发电方式，世界燃气轮机发电装机容量大幅度增长。1996年6月到1997年5月世界燃气轮机订货总功率数28222MW，1998年6月到1999年5月订货总功率翻了一番，达到64254MW。燃气轮机发电已是电力结构中的重要组成部分，在新增发电容量中更占主要份额。据报告美国南方电力公司发电新增装机容量中燃气轮机和联合循环占90%以上。
二我国燃气轮机发电应是电力结构中的又一重要组成部分
世界能源结构中，煤炭仍是最丰富的资源。预测全球石油储量尚可开发60年，天然气有120年，煤炭则有200年。我国对煤炭的依赖尤为重要。中国是煤炭大国，现探明的天然气储量有限，应用天然气还要依靠进口，在天然气发电方面也刚起步。我国以燃煤火电为主的状况将会持续一个漫长的岁月。
但是我国应积极发展天然气燃气轮机发电，目的是优化我国电力结构，提升我国电力技术水平。这就要求充分发挥天然气燃气-蒸汽联合循环发电的优点，来加速发展我国天然气发电。
燃气轮机联合循环发电与常规火力发电相比，除具有热效率高、排放污染少外，还具有灵活机动、调峰性能好，以及投资低、建设周期短、占地面积少等一系列优点。
燃气轮机和联合循环发电在电力结构中最适当的位置或用途是：
1人口密集地区、经济发达地区；摘要：本文对使用优质燃料天然气高效发电的燃气－蒸汽联合循环发电的应用特点加以分析，提出燃气－蒸汽联合循环发电在电力结构中的作用，提出研究、制定合理价格政策的建议，以推动我国天然气燃气轮机发电事业。
关键词：天然气燃气－蒸汽联合循环发电价格政策
在“西部大开发”战略的指引下，史无前例的“西气东输”工程全面施工，引进液化天然气和管道气项目也全面开展。国家重点支持发展的天然气燃气—蒸汽轮机联合循环发电工程首批联合招标项目装机总容量8000MW，计划于2005~2006年建成发电。以引进技术形成自主开发能力为目标的燃气轮机制造产业也在分阶段实现。我国天然气燃气轮机和联合循环发电进入一个新的发展时期。
据统计，2001年世界天然气消费量达24049亿立方米，天然气在世界能源消费结构中的比例达24.7%。第16世界石油大会报告认为2010年全球天然气消费量将增加到49000亿立方米，且预计到2040年天然气在世界能源消费结构中的比例将上升到51%。
在电力发展中可按满足高峰负荷来扩大装机容量，必须配备一批调峰机组或增加备用容量。这将会带来电网调整的困难，也影响电网建设的经济性。当代电力系统在继续发展以大型机组为核心大电网的同时，又注重中、小型发电的互补作用。以天然气直燃的微型燃气轮机分布式冷、热、电联供，可使用管网或车运天然气，大大减少在电网上的耗电，可化解电网峰谷差矛盾，提高电网的安全性和经济性，这已成为当代电力发展中的又一热点。
微型燃气轮机简单循环效率达40%，寿命45000小时。微型燃气轮机用于能源综合利用的冷、热、电联供热效率可达80～90%。目前美国、欧洲、日本都已批量生产微型燃气轮机，其性能见表3。
表3先进微型燃气轮机主要性能指标
性能指标
高效率燃料—电力转换效率至少为40%，热电联产效率>85%
环境氮氧化物（NOx）<7ppm(燃天然气)
耐久性大修期之间可靠运行1000小时，运行寿命至少为45000小时
发电费用系统成本<500美元/kW，发电费用能与市场应用替代方案（包
括电网）具有竞争力
燃料适应性可选用多种燃料，包括柴油、乙醇、垃圾掩埋场瓦斯和生化燃料
我国科技部863计划中有自主产权微型燃气轮机的开发项目，正在试制100kW涡轮初温900℃，简单循环供电效率29%的微型燃机，2004年将制成样机。我国发展天然气微型燃气轮机的冷、热、电联供的条件逐步具备，这将为我国解决峰谷差矛盾找新的出路。
四应根据天然气燃气轮机联合循环发电的特点研究制定合理的政策，进一步推动天然气发电的发展。
当前我国天然气燃气轮机联合循环发电正处于起步阶段，国家尚无完善的政策法规按燃机电厂在电网中发挥的特殊作用来制定合理的电价。而天然气作为优质燃料，价格偏高，且国内价格比现行国际价格更高。天然气燃气轮机联合循环发电在经济上与常规燃煤火力发电机组相比还缺少竞争力，而这点常常会限制新颖发电技术发挥作用，影响我国电力建设的普遍水平（见表4）。
在市场经济发展规律支配下，根据同网、同质、同价和公平竞争的原则，天然气燃气－蒸汽联合循环发电的重要作用，应在经济价值上合理的反映出来。
例如天然气燃气轮机在电网中担当调峰或作备用容量，首先会使机组频繁起停，直接影响经济性和降低设备维修间隔周期，增加运行成本。根据燃气轮机经济性和可靠性的统计规律，机组起停一次相当于10~20个当量运行小时。承担电网调峰作用的燃气轮机，年起停次数一般大于300次以上，相当于增加了3000~6000个运行小时数。如果实际运行3500小时，机组当量运行小时数已达6500~9500小时。
再考虑到调峰机组在负荷低谷时段不发电，在高峰或平峰时段也常减负荷，机组年运行小时数经折合后约为3500小时。若是担当电网备用的机组其年运行小时数更低。年运行小时数低的调峰机组比以基本负荷连续长期运行机组的运行成本将随运行小时数的减少而成比例增加。因电网需要而担当调峰任务的机组，折合年运行小时3500小时，但发电的价值却与7000小时左右的基本负荷相当。
调峰机组只能依靠合理的峰谷电价差来弥补其调峰带来的经济损失。发改委[2003]14号文确定峰、谷时段电价差在2~5倍当今世界主要工业发达国家能源结构中天然气所占比例为：美国25.8%，英国38.1%，俄罗斯54.6%。而我国仅为2.5%。
此外在1995年世界电力结构中天然气发电占18.54%，当时我国是1.4%。近期我国天然气燃气轮机发电装机容量将有增加，但预计到2006年天然气发电在电力结构中的比重仅达2.7%。
以上统计说明，我国在天然气应用和天然气发电上与世界工业发达国家相比有巨大差距，努力推动我国天然气发电的任务是紧迫的，也是有很大发展空间的。
一优质燃料天然气应主要用于燃气轮机联合循环的高效发电。
天然气是化石能源中最洁净的燃料，在燃烧性能、热值、运输等各方面都是最优质的燃料。燃气轮机和联合循环发电应用热力学上布雷顿循环和朗肯循环相结合，既有利于高品位能量的转换，又能充分利用较低品位的能量，具有能源综合利用和最高效率的优点。当今燃气—蒸汽轮机联合循环发电热效率已达到60%，远高于常规或超临界火力发电水平，（见表1）。
应用天然气燃料燃气/蒸汽联合循环发电的另一个优点是最低的环境污染排放。燃气轮机具有优良的燃烧特性，控制低污染排放技术水平不断提高。天然气燃气/蒸汽轮机联合循环机组与常规火力发电机组相比具有最低的污染排放，被称为“绿色能源”，是可持续发展最有希望的发电技术（见表2）。
表2装机容量500MW燃用天然气电厂和燃煤电厂的环境影响比较
注：1原煤热值按全国平均值19678kJ/kg(4700kcal/kg)计；
2原煤含硫按1.1%，灰份按27%计；
3年耗煤量150万吨，除尘效率98.5%；
4燃天然气电厂值取国外资料
由于天然气燃气－蒸汽联合循环是最理想的发电方式，世界燃气轮机发电装机容量大幅度增长。1996年6月到1997年5月世界燃气轮机订货总功率数28222MW，1998年6月到1999年5月订货总功率翻了一番，达到64254MW。燃气轮机发电已是电力结构中的重要组成部分，在新增发电容量中更占主要份额。据报告美国南方电力公司发电新增装机容量中燃气轮机和联合循环占90%以上。
二我国燃气轮机发电应是电力结构中的又一重要组成部分
世界能源结构中，煤炭仍是最丰富的资源。预测全球石油储量尚可开发60年，天然气有120年，煤炭则有200年。我国对煤炭的依赖尤为重要。中国是煤炭大国，现探明的天然气储量有限，应用天然气还要依靠进口，在天然气发电方面也刚起步。我国以燃煤火电为主的状况将会持续一个漫长的岁月。
但是我国应积极发展天然气燃气轮机发电，目的是优化我国电力结构，提升我国电力技术水平。这就要求充分发挥天然气燃气-蒸汽联合循环发电的优点，来加速发展我国天然气发电。
燃气轮机联合循环发电与常规火力发电相比，除具有热效率高、排放污染少外，还具有灵活机动、调峰性能好，以及投资低、建设周期短、占地面积少等一系列优点。
燃气轮机和联合循环发电在电力结构中最适当的位置或用途是：
1人口密集地区、经济发达地区；2负荷中心或电网末梢，以及用电极度紧张地区；
3主要用于电网的调峰
随着我国国民经济高速发展和人民生活水平的提高，在相当长的时期内，我国一方面会存在电力紧张的状况，另一方面电力负荷常常是多变、复杂且具有不稳定性，例如：
1随着电力总量增长，负荷峰谷差矛盾十分突出；
2社会专业化生产规模的提高，促进地区性电力负荷分布不平衡；
3农村城市化和偏远地区经济发展，全国大电网建设仍跟不上广大地区发展用电需求；
4电力负荷的季节性变化也越来越大。
此外大型水电站和核电站建成后在电网中以基本负荷发电，电网则急需配置充分的调峰机组。
可见，我国必须将火电、水电、核电和各种先进的发电技术相结合，也必须加快发展天然气燃气轮机发电技术。燃气轮机应以其自身特点在电网中发挥重要作用。燃气轮机发电应是电力结构中的又一重要组成部分。
三燃用天然气的分布式燃气轮机冷、热、电联供，可望为解决电力负荷峰谷差找到有效途径。
随着经济发展和人民生活水平的提高，用于空调、取暖的电力负荷明显增加，造成日负荷和季节性负荷的峰谷差，这是世界各工业国家普遍存在的问题。我国现今人均用电拥有量远远低于工业发达国家的水平。我国电力的增长，其中一大部分将是满足生活用电的增长。生活用电包括取暖、空调等各方面的电力消耗，伴随着电力负荷的增长又加剧峰谷差的扩大。
按深圳市统计为例，2000年月最大负荷为210～339.5万千瓦，月用电量为83177～187048万千瓦时，季节性峰谷差达129.5万千瓦；2002年月最大负荷为296.7～480万千瓦，月用电量为112630～261780万千瓦时，季节性峰谷差达183.3万千瓦。据预测今年深圳市最高负荷将达到600万千瓦，季节性峰谷差将超过200万千瓦。据深圳市供电部门预计，深圳市现有空调负荷很可能超过100万千瓦。
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自动电压调节的方式中，励磁系统会在输出吸收电力系统中的无功功率的同时将电压始终保持在最正常的范围内。发电机的保护者就是励磁控制，它排除发电机不允许的工况，从而控制不稳定运行在发电机系统中产生，对发电机起到相应的保护功能。
2发电机静态稳定性
发电机静态稳定性会在某些情况下受到一定的影响，例如：线路在电厂输电到负荷中心之间过少，当远端发电厂和负荷中心这两个电压向量之间的夹角达到90b或以上时，系统间会降低传输的电能可能性，震荡也会出现在电力系统中，并可能有几个孤网被解列。
如果故障导致发电厂或者负荷中心之间的线路断开，两点之间的电抗就会增加到一个能够提供传输却不能维持同步的最大电能点。发电机一系列的不同部会在震荡的状态下因刺激的跳动而引起。负荷中心同远端的电厂之间的输电线路的电抗会因系统间的断路而增加，这就导致同时出现电势衰减、与静态稳定、不稳定等种种现象。
3失磁保护
各个系统按部就班，共同协调合作才能使发电机的保护和控制协调得以实现，失磁保护的完成需要与电机容量、静态稳定和欠励限制相协调。发电机在欠励工况下运行需要经由失磁保护将状态设为允许。要及时对发电机的失磁现象进行检测，以避免因失磁或部分失磁给发电机或其他电力部分带来严重的损失。电磁失磁之后，会引起转子、阻尼提高温度，也大大提高了故障发生的概率。供给发电机磁场绕组的直流供电短路、磁场绕组短或励磁系统的断路器断开都可能引发发电机失磁。目前，较常用来检测发电机失磁的是阻抗继电器。
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1.1环境资源匮乏环境资源匮乏是限制我国电子信息技术发展的一个重要问题，目前而言我国电子信息产业混乱，假冒伪劣、知识侵权现象猖獗，盗版产品走私贩卖以及企业间的不良竞争的现象屡见不鲜，这些均严重危害了我国信息产业的发展，使得我国电子信息技术研发缓慢，这在很大程度上降低了我国电子信息技术在国际市场的竞争力，遏制了我国电子信息技术的发展潜力。除了产业内部环境存在很大问题，我国法律对电子信息技术的保护力量薄弱也是很大原因造成盗版猖獗的一个原因，因为缺乏保护使得电子信息技术的科研成果很容易被不法分子窃取，科研工作者呕心沥血研究而得新技术在随后的盗版中被大量侵占，很大程度上降低了科研工作者的信心，再加上国内市场电子产品的走私、贩卖现象猖獗，导致国内电子信息技术开发企业缺乏竞争优势。所以缺乏有效严格的法律环境也是我国致使我国电子信息技术问题频发的又一原因。
1.2电子信息技术产业结构不合理我国电子信息技术产业起步于20世纪80年代的“863”计划，经过30多年的发展，产业规模迅速扩大，但也因为产业界限模糊，使得产业结构问题凸显，技术创新体系并不明显，使得我国的电子产品不能与国外顶尖电子产品相提并论。产业结构不合理，投入产出差距明显，使得我国电子信息技术产业创新力薄弱，所以只有改变传统产业结构，重构科学合理的产业结构，才能改变目前我国进步缓慢的电子信息产业的现状。
1.3科研能力不足、从业人员素质不高作为以技术为首要驱动力的电子信息产业，科研能力的强弱决定了技术进步快慢，而产业内从业人员的素质又在很大程度上决定了技术创新能力的强弱。随着我国教育普及程度的增加，不可否认的是，我国信息技术方面的人才不少，可以说还在不断增加中，各方面的技术人员也很完备，但是很多人才都是单一型，他们或许是某一方面可以登峰造极，但是却缺乏其他方面的知识储备，甚至可以说毫无了解。现在社会越来越需要复合型人才，而我国电子信息产业方面更需要这方面的复合型人才，也正是因为人才的缺乏，也严重的制约了电子信息技术的创新，目前我国仍有许多技术需要购买国外的先进专利，这种强依赖性，也是因为复合型人才的严重欠缺。
2我国电子信息技术的发展趋势
人类进步永无止境，技术发展更需分秒必争，每天有无数的新型技术诞生，所以我国的电子信息技术更不能满足现状，更应正确分析局势，不断优化和升级产业结构，逐步完善我国的电子信息技术。凭借高技术含量、高市场附加值、强大竞争力与明朗的市场前景，电子信息产业具有其他产业都无法比拟的优势，所以电子信息产业是世界各国都大力争夺的技术产业，目前很多西方国家已经将注意力集中与电子信息技术产业，大量投入人力、物力、财力，旨在通过电子信息产业的迅速发展带动国家经济发展。总体来说，我国的电子信息产业的发展的总体态势是：产业总体发展的速度比较快，产业内总体的经济效益比较好以及产业的发展后劲还是比较强的。综上所诉，我国应努力追赶世界潮流，加大对电子信息产业的投入，不断完善电子信息产业，未来我国电子信息技术将呈现出如下三方面的发展趋势：
2.1阶梯化、多元化发展任何事情的发展都不是一蹴而就，而是一个不断发展的过程，所以在未来我国电子信息技术的发展也必然呈现处阶梯化、多元化的多元发展。目前，我国的电子信息技术远不如西方发达国家，他们凭借其雄厚的资金、技术以及品牌优势，进行有目标地系统的研究、管理和销售工作。前文已提到，我国电子信息产业结构混乱，从业人员素质不高，所以我国电子信息产业未来还有很长一段路要走，必须遵循阶梯化网络化的发展道路，首先需加大资金投入，加强立法保护，不仅仅是急于复制他国的先进产品，而是培养先进技术人才，在学习西方先进技术的基础上，师夷长技以制夷，一步步稳扎稳打，才能逐步加快电子信息技术的发展。目前，电子信息技术已渗入生活的各个领域，正逐步实现着与机械、能源、交通、建筑等其他技术的有机结合，所以电子信息技术必然不能独善其身，片面发展，只有将电子信息技术多元化发展，更多的应用于实际生活，才能真正使电子信息产业做到为人类服务。
2.2个性化、规模化发展众所周知，每个产品都具有显著得到规模效应，电子产品当然也不能例外。电子信息技术产业很多是精密技术产业，所以其生产规模才能得以生存和发展，否则很难在激烈的市场竞争中立足，很快就会被淘汰出局。我国电子信息技术产品的生产规模越来越大，很多大型跨国公司凭借其大规模的产量和严格的质量控制，有效的利用了规模经济，取得了很大的经济收益，所以规模化发展必然是未来电子信息技术的发展趋势。随着人们生活水平的提高，消费眼光越来越独到，消费者逐渐成为市场主导，个性化消费已经成为必然趋势，再加上电子信息市场更新换代速度惊人，人们对电子信息技术产品的需求日益呈现出多元化发展，所以如何在浩如烟海的电子信息市场独占鳌头，个性化必不可少。
2.3国际化、全球化发展电子信息技术的发展不是一国闭门造车的过程，而是国际性的发展过程，其采购、生产、加工、销售都具有全球化的特征，很多技术不是仅靠一国之力便可完成，再加上我国电子信息技术起步晚，所以必须加强国际化交流，学习世界先进技术，才能遵循全球化发展。随着经济全球化的发展和信息网络化的发展过程中，我国电子信息技术产业的发展必然要遵循国际化的发展趋势。目前我国已经有不少电子信息技术产品已经开始走出国门，海尔、华为在世界已经有了很大的知名度，但是依旧有很多电子产品走山寨、翻版的低端路线，所以加快电子信息技术国际化发展必然是未来发展趋势。
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1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献
(l)林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992
(2)季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用,电源技术应用,N0.2,l998
(3)叶治正,叶靖国:开关稳压电源。高等教育出版社,1998
篇7
0引言
党的十六届五中全会提出了建设社会主义新农村的重大历史任务，这是推进全面建设小康社会和现代化进程的一项重要战略举措。国家电网公司适时召开了“新农村、新电力、新服务”工作会议，制定了《国家电网公司服务社会主义新农村建设工作的指导意见》，用以指导和推动服务社会主义新农村建设工作。目前，我国农电系统面临着重大的发展机遇和挑战，要求我们对农电系统的现实状况和发展目标及任务做出充分的分析与判断，才能为社会主义新农村建设提供优质、高效的服务。本文主要对我国农电系统的技术发展现状、存在问题，以及今后各方面技术的发展方向进行了一些探讨。
1农电系统发展现状分析
1.1“两改一同价”与“十五”建设取得的成绩
实施“两改一同价”以来，农村电网建设大大加强，有力地推动了农村经济的发展，农村用电量占全社会用电量的比例逐年提升。农村电气化事业的发展，对扩大内需，推动国民经济增长，促进农村产业结构调整，起到了积极的推动作用。“两改一同价”的实施，从根本上解决了长期以来制约农村经济社会发展和农民生活质量提高的农村电价过高问题，带动了相关产业发展，发挥了重大而深远的作用。归纳起来，经过实施“两改一同价”与“十五”期间的建设，农电系统取得的成绩集中体现在如下几个方面：
（1）农村电网更加坚强。通过农电系统科技规划和农村电网建设与改造工程的实施，改善了农电系统布局，提高了电网的供电能力和自动化水平，降低了电网损耗，很大程度上改变了农村电网结构不尽合理，网架薄弱，多数县级电网为单电源供电，中低压线路供电半径过长的不合理局面。农电系统的供电能力、安全性、可靠性及电能质量水平都获得了较大幅度的提高。
（2）电网装备水平和科技含量明显提高。农电系统大力推广新技术、新设备、新材料、新工艺，取得了显著效果。节能型配电变压器占有率达95.5%以上，35kV及以上电压等级有载调压主变压器占有率达到60%以上；实现开关无油化的35kV及以上变电所占有率达到58.8%；微机保护和综合自动化装置占有率达90%以上，无人值班的35kV及以上变电所占有率达49.5%；35kV及以上小型化变电所占有率达25.6%；推广使用了782个35kV箱式变电所；非晶合金配电变压器和调容配电变压器得到了应用；基本淘汰了高耗能配电变压器、过励磁变压器、铝线圈变压器、多油开关、阀型避雷器、电磁型保护装置。
（3）通信技术、自动化技术、计算机和网络技术得到广泛应用。随着通信技术和自动化技术的发展，县级调度自动化技术和配网自动化技术得到了快速普及和发展。“十五”期末，农电系统613个县级调度自动化系统已经建设完成，其中通过实用化验收的县级调度自动化系统达538个；完成配网自动化系统建设26个；完成调配合一自动化系统建设25个。
（4）现代化管理水平得到显著提升。技术比较成熟的财务管理系统、用电营销管理系统、线损理论计算系统、95598客户服务系统、办公自动化系统等得到了广泛使用；生产管理系统、负荷预测系统、远程集中抄表系统、远程视频会议系统得到了应用。“十五”期末有970个县实现了办公自动化，有666个县建立了生产管理MIS系统，有540个县实现了负荷控制和需求侧管理，有1270个县开通了95598客户服务系统。
（5）农电系统线损率、供电可靠率和电压合格率指标逐年改善。通过大规模的农电系统建设与改造，不断采取技术降损和管理降损措施，农电系统线损率指标得到不断地改善。农电系统的电压合格率和供电可靠率的调控手段和能力得到不断加强和提高，变电所内电容器补偿容量占主变压器容量的比例达到15.2%；安全性评价、带电作业和状态检修技术得到推广应用，各类电压监测仪及供电可靠性管理软件得到推广普及，电压合格率和供电可靠率水平得到不断提高，“十五”期末农电系统客户端电压合格率达到95%；供电可靠率RS1达到了99.2%，RS3达到了99.6%。
（6）农电系统科技人才队伍得到发展。通过不断加强农电系统科技人才队伍建设，农电系统科技人才的数量和质量水平都有了不同程度的提高，“十五”期末农电系统专业技术人员占农电系统总人数的比例达到27.47%，比“九五”期末提高6.19个百分点。
1.2存在问题
同时，农电系统的科技进步与发展也面临着一些问题，集中表现在如下几个方面。
（1）农网科技发展的长效投资机制没有形成，限制了农网科技工作的可持续发展。由于农电事业在社会发展、电力事业中的特殊性，世界各国都给予了特殊的政策倾斜和扶持，但在我国还缺乏在政策上的持续支持和健全的机制体制保障。农网改造工程结束后，由于没有持续的资金投入，农电企业缺乏自我积累发展的机制，建设改造资金短缺。
（2）农网科技进步管理体系和激励机制还不够健全和完善，农网系统、科研机构、生产企业等各方面的积极性和优势没能得到充分的调动，针对农网系统生产运行和建设运营中存在的热点、难点问题进行的研究开发项目较少，一些难点问题不能得到及时解决。
（3）现有的农网科技队伍，还不能满足农网科研开发、推广应用新产品、新技术的要求。由于农网的行业特点，其对科技人员的数量和专业面要求都很宽广，科技队伍建设已成为制约农电技术进步的主要因素。
（4）农村电网相关技术标准、工作标准、管理标准不够健全。淘汰、制定、修改农电相关标准的工作任务相当大，目前投入的人力、物力与实际需要差距较大。
（5）农村电网信息化建设没有统一的规划和规约，重复开发、孤岛运行，造成资源浪费。
（6）安全生产和农村安全用电缺乏先进有效的控制手段。农网安全管理基础不牢固,人员设备管理需进一步加强；由于农村电网改造不彻底，加之农村用电点多线长面广，设施安全可靠性较城网差距较大；农网改造后，农村电力资产维护界限不够明晰，属用户产权的用电设施安全可靠性不高，加大了企业的工作量和工作难度，也引发出一系列延伸服务带来的安全责任和服务责任；窃电、外力破坏和盗窃电力设施等违法案件屡禁不止，造成企业经济损失的同时严重威胁着电网安全。
（7）农电服务水平需要进一步提升。随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，对农村用电安全、质量、可靠性要求越来越高。农村用电服务的方便性、规范性都还有差距。现代化技术手段在农电服务中的作用还远没有发挥出来。
2农电科技发展的基本方向
《国家电网公司农网“十一五”科技发展规划纲要》围绕国家电网公司“一强三优”的战略发展目标、“三抓一创”工作思路与农网可持续发展的原则，密切结合“县供电企业创一流”及“同业对标”工作安排，明确提出了以切实提高农网在电网建设、供电质量、节能降损、自动化与信息化建设、“四新”技术应用、企业管理、优质服务等方面的科技发展目标。
该规划纲要将大力推行“科技兴电”战略，贯彻国家科技政策，加大农网科技投入；坚持统一规划，统一标准，实现资源优化配置，避免低水平重复开发和建设；坚持安全可靠、技术先进、经济实用、因地制宜、符合国情；坚持长远目标和近期需求相结合，突出重点，循序渐进；坚持自主研发与引进吸收相结合，建立和完善自主创新机制，积极推广成熟适用的“四新”技术；坚持降损节能、保护环境、节省耕地，促进节约型社会的建设，实现社会效益和经济效益的共同提高；坚持“以人为本”，服务“三农”，注重人才培养，不断提高农网供电能力和供电质量，作为未来农电系统科技发展的基本原则，明确了农电系统科技发展方向和任务。
2.1电网建设
电网建设方面重点研究与推广的内容主要包括：
(1)研究适合于不同地域、不同经济发展水平，符合农村经济和用电负荷发展特点，在电压等级组合、变电所布局、供电范围、变压器容量配置和网络接线等方面进行充分优化论证的农网建设方案。
(2)研究适合农网负荷变化特点的主、配变容量选择和变压器负载率、主干线电流密度、供电半径的合理配置方案。
(3)研究建立农网中低压配电网络指标评价体系。
(4)完善基于地理信息系统开发的农村电网规划软件和管理系统。
(5)推广应用农网10kV及以下工程和35～110kV（66
kV）变电所典型设计；推广应用10～110kV（66kV）组合式箱式变电所。
(6)推广使用变电所户外组合电器、小型化的一次电气设备；研究开发35kV以上电压等级和10kV大容量调容变压器；推广使用S11型及以上的节能型变压器，积极推广应用非晶合金铁心配电变压器；推广应用外露带电体绝缘化的配电变压器；积极推广使用配电变压器用新型熔断器和金属氧化物避雷器；推广应用复合绝缘材料制造的电气设备和线路绝缘子。
(7)制定集保护、控制、计量、无功补偿、防雷等功能于一体的多功能配电柜选用标准。
2.2自动化建设
自动化建设方面重点研究与推广的主要内容包括：
（1）研究适合于农网特点的运行可靠、维护方便、功能完备的配网自动化系统方案，特别是FTU模式馈线自动化系统。积极开展农网配电自动化系统工程的应用试点，在城区、重要城镇、工业园区等区域努力实现配网自动化的馈线自动化（DA）功能，努力实施配网自动化系统的配电网监控功能和就地控制功能，因地制宜扩展管理和地理信息系统（GIS）功能。
（2）积极推广使用最新的计算机操作系统、数据库技术、图形技术、网络通信技术、多媒体等技术。依据《国家电网公司农村电网自动化及通信系统建设技术导则》的大、中、小型调度自动化系统建设模式，建设完成600个实现SCADA功能的小型县级调度自动化系统；建设完成400个实现SCADA功能、电网应用分析（PAS）等功能的中型县级调度自动化系统；建设完成200个实现SCADA功能、电网应用分析（PAS）、电能量计量、配网自动化等功能的大型县级调度自动化系统。
（3）积极采用计算机系统安全防护措施，保证县级调度自动化系统、配网自动化系统运行安全。
（4）推广应用变电所遥视系统，有效解决变电所现场可视化及环境监控问题。
（5）积极探索农村电网经济适用的通信技术，重点解决农村电网偏远变电所、配网自动化、低压集中抄表中的通信问题。在自动化系统推广公共通信网络的应用模式，完善公共通信网络在自动化系统应用中的安全技术措施。
2.3信息化建设
信息化建设方面重点研究与推广的主要内容包括：①研究企业管理的数据信息流，建立统一的数据规范，消除信息孤岛，实现数据资源共享。②深入研究网络、信息技术在农网管理中的应用，制定农网管理综合信息系统规范和实用化标准。③积极应用国内外成熟的信息安全技术及产品，做好农村电力信息安全工作。
2.4安全生产管理
安全生产管理方面重点研究与推广的主要内容包括：
（1）推广应用供电可靠性评估技术。建立适应本地区的输配电网、中低压用户的可靠性统计管理及决策专家系统，对电网运行数据进行综合分析，对设备的运行状态和寿命进行评估，实现可靠性目标管理。
（2）研究推广以状态检修为特征的设备优化检修、主设备监控和诊断技术，开发适应农网的事故诊断装置。推广应用先进实用的在线监测技术和设备，有效地对设备进行在线监督、分析和诊断，实现设备的优化检修，提高设备运行管理水平和供电可靠性。
（3）推广应用高电压等级带电作业技术和带电作业设备，努力提高中压用户的供电可靠性。
（4）推广应用降损节能新技术；研究开发新型节能技术和设备及配电网络线损在线计算软件，有效降低电能损失；推广农村电网电压和无功综合调控方法，推广应用自动无功静态补偿和动态补偿新技术，采用电压无功的综合调控方法，实现无功电源和无功补偿最优化，实现农网无功分层、分区、就地平衡，进一步降低线损，节约能源。
（5）研究推广先进实用的电能质量控制技术。建立电能质量实时监测及监督管理体系，开展电网谐波污染的预防、测量和分析工作，积极采用改善电能质量的抑制干扰和降低电能污染的控制措施。
（6）开展电网故障、负荷控制、运行方式、运行状态、经济运行和环保状况等方面的分析研究工作。
（7）采用先进的安全生产管理技术和管理手段，开展安全性评价和标准化作业工作，应用“两票”管理系统和安全违章预控系统，有效地预防人身和设备事故的发生。
（8）研究推广中低压配电网防人身触电的技术措施。
（9）研究推广农网电力设施防外力破坏和防盗窃的技术措施。
2.5营销管理和服务
营销管理和优质服务方面重点研究与推广的主要内容包括：①制定营销信息管理规范；完善营销信息管理系统、95598客户服务信息管理系统、供电所规范化管理系统等数据整合平台。②按照统一规划的原则，建设具备电能计量、电费回收、业扩报装、决策分析等综合功能的电力营销信息管理系统。③全面推广具备用户咨询、查询、事故报修、投诉举报、停电预报、业扩报装等功能的95598客户服务系统，实现农网服务的信息化和社会化。④研究开发用电需求侧管理系统，对受电容量在315
kVA及以上的用户加装负控装置，逐步实现农网重要负荷的有效监控。⑤有条件的地区逐步推广使用远程（集中）抄表系统。⑥研究开发农网系统的电子商务应用系统。着重解决与银行、农村信用社、邮电、电信等联网后的电费代交以及网上业扩报装等问题。
2.6科技人才队伍建设
科技人才队伍建设方面重点研究的内容主要包括：①制定农网科技人才发展规划。②加强在职人员的继续教育，制定培训计划，利用现代化的培训手段，加强对员工的培训，不断提高职工队伍的科技素质。③提供优惠的用人条件，建立人才激励和保障机制，为推进农网的科技进步创造良好的环境。努力培养一批管理人才、专业技术人才、高级技能人才和既懂技术又懂经营的复合型人才队伍。④在国家电网公司、各网、省市公司建立农网科技人才专家库。
为确保农电系统科技发展目标的实现，贯彻科技工作“有效投入、投入有效”的基本原则，未来农电系统将在7个方面陆续推出相关政策和要求：建立科技创新和发展机制；加大农网科技投入；建立科技工作的激励机制；发挥典型示范作用，推动农网科技进步工作；加强技术标准化管理；加强国内外科技交流与合作；建立农网科技进步的服务体系。
3结语
建设社会主义新农村为农电事业发展带来了新的机遇，也提出了更高的要求。对照新农村“生产发展、生活宽裕、乡风文明、村容整洁、管理民主”的建设标准，当前的农村电气化技术还处在较低的水平。鉴于农电系统的特殊性，农电科技发展必然受到越来越高的重视，农电科技进步需要更多的关注和推动。
4参考文献
［1］国家电网公司农电管理与发展情况的调研报告，国家电网公司“新农村、新电力、新服务”工作会议文件，2006年3月.
篇8
许多国家都在努力开发大容量器件，国外已生产6000V的IGBT。IEGT(injectionenhancedgatethyristor)是一种将IGBT和GTO的优点结合起来的新型器件，已有1000A/4500V的样品问世。IGCT(integratedgateeommutatedthyristor)在GTO基础上采用缓冲层和透明发射极，它开通时相当于晶闸管，关断时相当于晶体管，从而有效地协调了通态电压和阻断电压的矛盾，工作频率可达几千赫兹[2][3]。瑞士ABB公司已经推出的IGCT可达4500一6000V，3000一3500A。MCT因进展不大而引退而IGCT的发展使其在电力电子器件的新格局中占有重要的地位。与发达国家相比，我国在器件制造方面比在应用方面有更大的差距。高功率沟栅结构IGBT模块、IEGT、MOS门控晶闸管、高压砷化稼高频整流二极管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在国外有了最新发展。可以相信，采用GaAs、SiC等新型半导体材料制成功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是21世纪电力电子器件发展的主要趋势。
高可靠性的电力电子积木(PEBB)和集成电力电子模块(IPEM)是近期美国电力电子技术发展新热点。GTO和IGCT，IGCT和高压IGBT等电力电子新器件之间的激烈竞争，必将为21世纪世界电力电子新技术和变频技术的发展带来更多的机遇和挑战。
二、变频技术的发展过程
变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。电力电子器件的更新促使电力变换
技术的不断发展。起初,变频技术只局限于变频不能变压。20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,如:调制波纵向分割法、同相位载波PWM技术、移相载波PWM技术、载波调制波同时移相PWM技术等。
VVVF变频器的控制相对简单,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较小,受定子电阻压降的影响比较显著,故造成输出最大转矩减小。
矢量控制变频调速的做法是:将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic通过三相——二相变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Iml、Itl,然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流回路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。
三、变频技术与家用电器
20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等[4]。
20世纪末期期,家用电器则依托变频技术,主要瞄准高功能和省电。
首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机起动引的噪声,节能效果更加明显。其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制,达到降低电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻。
在洗衣机方面,过去使用变频实现可变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容;电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此不但安全,还大幅度提高加热效率,其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声。
四、电力电子装置带来的危害及对策
电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变,不但大大降低了系统的功率因数,还引起了严重的谐波污染。
另外,硬件电路中电压和电流的急剧变化,使得电力电子器件承受很大的电应力,并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EM1),而且情况日趋严重。许多国家都已制定了限制谐波的国家标准,国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也制定了限制谐波的有关规定[5]。
（一）谐波与电磁干扰的对策
1、谐波抑制
为了抑制电力电子装置产生的谐波,一种方法是进行谐波补偿,即设置谐波补偿装置,使输入电流成为正弦波[3]。
传统的谐波补偿装置是采用IC调谐滤波器,它既可补偿谐波,又可补偿无功功率。其缺点是,补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,效果也不够理想。
电力电子器件普及应用之后,运用有源电力滤波器进行谐波补偿成为重要方向。其原理是,从补偿对象中检测出谐波电流,然后产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响。
大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术:将多个方波叠加以消除次数较低的谐波,从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多,波形越接近正弦,但电路结构越复杂。小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数,一般采用二极管整流加PWM斩波,常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。
2、电磁干扰抑制
解决EMI的措施是克服开关器件导通和关断时出现过大的电流上升率di/dt和电压上升率du/dt,目前比较引入注目的是零电流开关(ZCS)和零电压开关(ZVS)电路。方法是:
(1)开关器件上串联电感,这样可抑制开关器件导通时的di/dt,使器件上不存在电压、电流重叠区,减少了正关损耗;
(2)开关器件上并联电容,当器件关断后抑制du/dt上升,器件上不存在电压、电流重叠区,减少了开关损耗;
(3)器件上反并联二极管,在二极管导通期间,开关器件呈零电压、零电流状态,此时驱动器件导通或关断能实现ZVS、ZCS动作。
目前较常用的软件开关技术有部分谐振PWM和无损耗缓冲电路。
（二）功率因数补偿
早期的方法是采用同步调相机,它是专门用来产生无功功率的同步电机,利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而,由于它是旋转电机,噪声和损耗都较大,运行维护也复杂,响应速度慢。因此,在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。
另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优点,但由于其铁心需磁化到饱和状态,损耗和噪声都很大,而且存在非线性电路的一些特殊问题,又不能分相调节以补偿负载的不平衡,所以未能占据静止无功补偿装置的主流。
随着电力电子技术的不断发展,使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展,其中以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点,而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后,可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是,静止无功发生器使用的抗器和电容元件小,大大缩小装置的体积和成本。静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。
五、结束语
我们相信，电力电子技术将成为21世纪重要的支柱技术之一，变频技术在电力电子技术领域中占有重要的地位，近年来在中压变频调速和电力牵引领域中的发展引人注目。随着全球经济一体化及我国加人世界贸易组织，我国电力电子技术及变频技术产业将出现前所未有的发展机遇。
参考文献:
[1]周明宝.电力电子技术[M].北京:机制工业出版社,1985.
[2]陈坚.电力电子学－电力电子变换和控制技术.北京：高等教育出版社,2002.
[3]王兆安黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
篇9
随着我国城市化进程的加速和城乡人民生活水平的提高，在城市特别是大中城市配电网络中电缆应用的比例越来越高。从而带动了电缆附件产品的强大需求，也促进了其产品研发改进的速度。
一、电缆附件的作用
在电缆终端和接头处，由于电缆金属护套和屏蔽层断开，使得电场分布比电缆本体复杂得多，在电缆终端电场存在轴向应力，因此需要使用电缆附件来实现电缆的连续和驳接，即一个能满足一定绝缘与密封要求的连接装置。
电缆有导体、绝缘、屏蔽和护层等四个主要结构层，电缆附件中作为电缆线路组成部分的电缆终端头、中间接头，必须使电缆的四个结构层分别得到延续，并且实现导体连接良好，绝缘可靠，密封良好和足够的机械强度，确保电缆终端和电缆接头的质量，才能保证整个电缆配电网络的供电可靠性。
二、35kV及以下中压电缆附件的分类
目前，按照主绝缘成型工艺，常用35kV及以下电缆终端和中间接头主要可分为绕包式、热缩式、冷缩式和预制式等四种常用产品型式。此外还有应用于特定产品范围的浇铸式和可分离式电缆附件产品。
2.1绕包式电缆附件绕包式电缆附件是指绝缘和屏蔽均使用带材绕包而成的电缆附件，其应力的控制方式采用应力锥或采用高介电常数的应力控制带，对施工人员工艺水平要求较高，施工工艺较为复杂，已逐渐被现场淘汰。
2.2热缩式电缆附件利用高分子聚合物具有的“弹性记忆”效应的原理，开发出各种热缩管材、分支套、雨裙等热收缩预制件，按程序套装在经过处理的电缆末端或接头处，对其加热，可使其收缩紧箍在所需位置。
热缩电缆附件工艺简便，价格低廉，便于维护。但也存在由于环境温度变化其不可避免存在的“呼吸作用”而引起的使用寿命缩短等问题，从而影响供电可靠性。
2.3冷缩式电缆附件目前工程应用的冷收缩管和其他冷收缩预制件，是以硅橡胶或三元乙丙橡胶为主要原料，经特殊配方合成后，预扩张在螺旋支撑芯线上而成，安装使用时，无须任何外部热源，只要拉开支撑芯线就会收缩，并紧箍在所需位置上。冷缩式电缆附件要求一定要在规定的使用期限内使用，并且价格较高。
2.4预制式电缆附件利用橡胶材料，将电缆附件内的增强绝缘和半导电屏蔽层在工厂内模制成一个整体或若干部件，现场套装在经过处理的电缆末端或中间接头处而形成的电缆附件叫预制式电缆附件。
预制式电缆附件可以在工厂进行相应的出厂例行试验，进一步提高了电缆终端的运行可靠性，同时也大大降低了现场安装工作量。
从结构上而言，冷缩电缆附件和预制式电缆附件基本一致，仅仅是材料性能和处理上有些差异。
2.5浇铸式电缆附件利用热固性树脂材料，现场浇铸在经过处理后的电缆末端或接头处的模子或盒体内，固化后而形成的电缆附件。特别适用于塑料挤包绝缘电缆和浸纸绝缘电缆的互连。
2.6可分离连接器允许电缆和其他设备和电缆连接或断开的全绝缘电缆附件，如终端、接头和分支接头等。可分离连接器主要的使用对象是全密封开关柜、充气环网单元、电缆分支箱等设备，可以看作是一种新型的电缆终端。并且更多的使用了预制式终端的结构。
从上述电缆附件产品分类中不难看出，可简化现场安装要求的预制及冷缩技术已经在电缆附件发展中占有重要的地位。
三、电缆附件产品新技术的应用
3.1导体连接对导体连接的基本技术要求是∶导体连接良好：对于终端，电缆导电线芯与出线杆、接线端之间要连接良好；对于中间接头，电缆导体与连接管之间要连接良好。即要求连接点的接触电阻小而且稳定。与同长度同截面导线的电阻比较，新装比值应不大于1。
目前现场多采用压接技术，需要一定的专业设备。而采用螺栓连接技术，现场施工时仅需要一支力矩扳手，就能达到导体连接基本技术的要求。从而简化了对安装设备的专业要求。而且对于需要去除不导电氧化层的铝电缆连接，事先也不需要进行专门的去氧化层处理。
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(一)"机电一体化"的发展历程
1.数控机床的问世,写下了"机电一体化"历史的第一页;
2.微电子技术为"机电一体化''''''''带来勃勃生机;
3.可编程序控制器、"电力电子"等的发展为"机电一体化"提供了坚强基础;
4.激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使"机电一体化"跃上新台阶.
(二)"机电一体化"发展趋势
1.光机电一体化.一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的.因此,引进光学技术,实现光学技术的先天优点是能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统.光机电一体化是机电产品发展的重要趋势.
2.自律分配系统化——柔性化.未来的机电一体化产品,控制和执行系统有足够的“冗余度”，有较强的“柔性”，能较好地应付突发事件，被设计成“自律分配系统”。在自律分配系统中，各个子系统是相互独立工作的，子系统为总系统服务，同时具有本身的“自律性”，可根据不同的环境条件作出不同反应。其特点是子系统可产生本身的信息并附加所给信息，在总的前提下，具体“行动”是可以改变的。这样，既明显地增加了系统的适应能力(柔性)，又不因某一子系统的故障而影响整个系统。
3.全息系统化——智能化。今后的机电一体化产品“全息”特征越来越明显，智能化水平越来越高。这主要收益于模糊技术、信息技术(尤其是软件及芯片技术)的发展。除此之外，其系统的层次结构，也变简单的“从上到下”的形势而为复杂的、有较多冗余度的双向联系。
4.“生物一软件”化—仿生物系统化。今后的机电一体化装置对信息的依赖性很大，并且往往在结构上是处于“静态”时不稳定，但在动态(工作)时却是稳定的。这有点类似于活的生物：当控制系统(大脑)停止工作时，生物便“死亡”，而当控制系统(大脑)工作时，生物就很有活力。仿生学研究领域中已发现的一些生物体优良的机构可为机电一体化产品提供新型机体，但如何使这些新型机体具有活的“生命”还有待于深入研究。这一研究领域称为“生物——软件”或“生物系统”，而生物的特点是硬件(肌体)——软件(大脑)一体，不可分割。看来，机电一体化产品虽然有向生物系统化发展趋，但有一段漫长的道路要走。
5.微型机电化——微型化。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。当将这一成果用于实际产品时，就没有必要区分机械部分和控制器了。届时机械和电子完全可以“融合”，机体、执行机构、传感器、CPU等可集成在一起，体积很小，并组成一种自律元件。这种微型机械学是机电一体化的重要发展方向。
二、典型的机电一体化产品
机电一体化产品分系统(整机)和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。这些典型的机电一体化产品的技术现状、发展趋势、市场前景分析从略。
三、北京发展“机电一体化”而临的形势和任务
机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步；二是开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。
前者是面上的工作，普及工作；后者是提高工作，深层次工作。
(一)北京“机电一体化”工作面临的形势
1.北京用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度
(1)在700余家北京市属工业系统的企业中，有60%以上的企业用微电子技术改造机床设备、工业窑炉、风机电泵、生产过程的任务还未完成需要量的一半。
(2)北京工业系统还有2000余台机床设备亟需用微电子技术进行改造；在已改造的近6500台机床设备中，大约有15%需进一步改造。
(3)北京工业系统尚有近250座工业炉窑亟需用电子信息技术进行改造；且610座已改造过的工业炉窑也很有进一步应用模糊技术进行二次改造的必要。
(4)北京工业系统CAD应用还有较大差距。目前，北京工业品设计，CAD应用率仅17%(而美、日等国已超过85%；国内先进地区也超过了30%)；CAD的覆盖率才达到11%(而全国CAD应用工程领导小组指出，“八五”期间大中型企业要达到35%，中小型骨干企业要达到15%—20%；到“九五”时，按国务委员宋健的要求，基本上要甩掉绘图板)。
(5)北京工业系统共有改造价值的各种风机电泵装机容量50万千瓦，尚49万多千瓦用变调速技术进行改造的任务，占总任务量的99.5%左右。
(6)工业是全市能源消耗大户。1992年，北京工业系统占全市能耗总量的59.5%。而北京是一个能源严重缺乏的城市，1992年北京工业系统万元产值能耗折合标煤为2.47吨，比上海的1.57吨高57%，比天津的2.15吨高14%，比先进的工业化国家高近9倍。因此，北京工业系统节能降耗的任务非常重，而电力电子技术是节能降耗的王牌。
2.北京用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。北京市的工业产品大约有3万种，每年约开发试制新产品3000种，更新周期很长。由于更新换代速度跟不上市场变化的需要，影响了北京工业产品的竞争能力。
1993年，北京市工业系统生产的机电一体化产品约837种，在当年生产的产品品种总数中仅占7.8%左右。其中：机械局系统主要产品约1200种，机电一体化产品不到150种机电一体化产品所占比例仅4%强；仪器仪表总公司系统主要产品350种，机电一体化产品210种，机电一体化产品所占比例为60%；轻工系统主要产品总数为649种，机电一体化、智能化产品15种，机电一体化、智能化产品所占比例约2.3%；汽车工业总公司系统平均每辆汽车的总成本为3.5万元，每辆汽车平均装用电子产品的费用约300元，不是总成本的1%；与国外约28%的先进水平相差甚远；与国内先进水平相差一半左右。
3.北京用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、扰民产品的责任重，有意义。在北京工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严重的企业还占相当大的比重，且不少地处城区和近郊区。近年来北京的工业结构、产品结构虽然几经调整，但由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题，有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业，优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机电一体化，开发和生产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。
另外，从市场需求的角度看，由于我国研制、开发机电一体化产品的历史不长，差距较大，许多产品的品种、数量、档次、质量都不能满足需求，每年进口量都比较大，因此亟需发展。
(二)北京“机电一体化”工作的任务
北京在机电一体化方面的任务可以概括为两句话：一句话是广泛深入地用机电一体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为北京产业结构和产品结构调整作贡献。
1.北京应用机电一体化技术改造传统产业的工作重点
(1)大力采用模糊技术，工业炉窑改造应上新台阶
国内外成功的范例表明，应用模糊技术改造工业炉窑比单纯用计算机和PID技术好的多。因此，我们建议今后北京在改造工业炉窑时要大力推广应用模糊技术，到2000年，对应该进行改造但尚未改造的近250座工业炉窑要用模糊技术等先进电子信息技术改造完毕，其中采用模糊技术改造要在80%。
(2)积极采用数控技术，机床高备改造要达新水平
对机床设备的改造重点应放在经济型数控系统的推广应用上。根据需要和可能，到1995年，北京应该改造的机床设备(8420台)的改造率要达80%以上，到本世纪末要改造完毕。
(3)努力推广变频调速技术，风机电泵改造要攀新高度
风机、电泵采用变频调速后一般可节电20%以上，效果十分显著。因此，在今后几乎，北京要把交流变频调速技术的推广应用作为重点来抓。到1995年，应该采用变频调速技术改造的风机、电泵要改造完60%；到本世纪末，北京的风机、电泵和其它调速电机要普遍；采用先进的变频调速技术。
(4)优先应用CAD／CAM技术，工业设计水平提高要有新目标
北京工业产品更新换代慢，设计工作跟不上需求变化是重要原因之一。目前，北京工业系统CAD的应用率为17%，CAD的覆盖率为11%，到1995年应分别达到20%和15%，本世纪末，要力争分别达到55%和45%。
2.北京机电一体化产品开发的奋斗目标
(1)总体目标：到1995年全市的机电一体化产品数应不少于800种，2000年，应不少于2000种，机电产品的机电一体化率分别达到25%和60%。
(2)单项目标：
机床数控化率：1995年，产量数控化率达5%，产值数控化率达16%；2000年，分别达12%和40%。
汽车电子化程度：1995年，平均每辆汽车上装用和电子产品的费用不少于1000元，在整车成本中所占比例不低于3%；到2000年分别不少于3000元，不低于8%。
PLC的开发生产能力：“八五”期间，开发能力要稳居全国首位；“九五”北京要成为全国主要的PLC生产基地之一。
“电力电子”开发生产能力：“八五”期间掌握第二代电力电子器件的批量生产技术和第三代电力电子器件的开发技术。“九五”期间第三代电力电子器件的生产要形成经济批量。在电力电子产品应用方面，“八五”期间，开关电源、高频电源、逆变电源要成为拳头产品；交流变频调速装置要达到批量生产程度；高频电子镇流器要能出口创汇；“九五”，北京要形成一个具有电力电子器件、电力电子装置研制、生产、开发、推广综合配套能力的高新技术产业。
模糊控制器的开发生产能力：“八五”要把北京建成全国模糊技术控制器的开发生产基地，开发出用于工业炉窑改造，压力、温度、流量控制的模糊技术控制系统典型产品来；交逐步将模糊技术应用于家用电器中。1995年，空调器、洗衣机、电冰箱、吸尘器、电风扇等家用电器产品模糊控制器的普及率要分别达到15、20%、5%、15%、8%左右。到本世纪末，北京家用电器模糊技术普及率要达到50%以上。
其它机电一体化产品的开发生产能力：微机控制多色印刷机要稳居全国第一；电子医疗仪器的开发、生产争取在“八五”有较大突破，“九五”在品种和产量上全国领先；在“八五”期间，以30万千瓦汽轮发电机组为代表的发电设备要形成综合配套能力，打出规模效益来；数字化、智能化仪器仪表，自动化装置要上品种、上批量……
总之，机电一体化技术既是振兴传统机电工业的新鲜血液和源动力，又是开启北京机电行业产品结构、产业结构调整大门的钥匙。如果北京完成好上面所建议的“机电一体化”发展两方面的目标，那么，到本世纪末，北京就会形成一个销售额超过200亿元的机电一体化产业。其中，数控机床、机电一体化印刷系统、新型电子医疗设备和数字化智能化仪器仪表等机电一体化装备销售额可超过150亿元；“电力电子”的销售额可超过20亿元；PLC模糊控制器等销售额可超过15亿元；汽车电子化、自动化智能化轻工民用电器产品销售额可超过25亿元。机电一体化产业不仅是北京高新技术产业的主力军，也是机电行业停工、待产、明亏、潜亏企业的出路所在。
四、北京发展“机电一体化”的对策
(一)加强统筹安排，协调发展计划
目前，北京地区从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套发展策略和计是。同时，市政府各有关委、办、局(总公司)也有不少相应的发展计划与规划。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部利益，市政府各主管部门的有关计划和规划，也有统一考虑不足，统筹安排不够的问题，全市缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。因此，建议市政府责成有关机构在进行深入调查研究、科学分析的基础上，制定出北京统管全局的“机电一体化”研究、开发、生产计划和规划，避免开发上重复，生产上撞车!
(二)强化行业管理，发挥“协会”作用
目前，北京“机电一体化”较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多门”是难哆的。因此，北京有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构，根据目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建议，尽快加强北京机电一体化协会的建设，赋予其行业管理职能。
“协会”要进一步扩大领导机构——理事会的代表层面和复盖面，要加强办公室、秘书处的建设；要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业”发展计划、战略规划的拟制；指导行业布点布局的调整，进行发展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有关项目的发标、招标工作……
(三)优化发展环境、增大支持力度
优化发展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电一体化”发展的氛围，如尽快为外商到北京投资发展“机电一体化”产业提供方便；尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生产机电一体化产品调配好资源要素等。
增大支持力度，在技术政策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展，对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造，对有关技术开发、应用项目优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技人员进行表彰奖励等。
在经济政策上，要多给机电一体化科研攻关课题、开发应用项目利用科技专项基金和科技三项费用的机会；银行发设贷款要多向机电一体化技术改进、生产合资和机电一体化产业规模化建设项目上倾斜；成立“机电一体化”发展基金，支持机电一体化生产发展等。
(四)突出发展重点，兼顾“两个层次”
机电一体化产业复盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次，大胆取舍，有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作，即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电设备上植入或嫁接上微电子(计算机)装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高”工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。
我们认为，北京“机电一体化”发展，当务之急，重中之重是：
抓紧开发生产GTO、GTR、VDMOS等新型电力电子器件及其应用装置——交流变频调速器、逆变焊机、高频电子镇流器等，用电力电子技术进行的节能、节材为主要目的的技术改造；
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2电子电工技术简介
2.1电子电工技术的基本特点随着电工电子技术的进步，各种新型电子器件的使用和研究也步入了新的阶段，目前，电工电子技术呈现出如下几个特点：
2.1.1高频化高频化是指电子器件在集成化的前提下也提高了器件的工作速度。
2.1.2集成化集成化是指全控型器件通过并联多个单元器件，并将其全部集成在一个基片上的技术。
2.1.3高效率化高效率化主要表现在两个主要的方面，即器件和变换技术。通过降低器件的压降，能够实现降低损耗的目的。
2.1.4全控化全控化表现在将有自断电功能的器件应用到电力系统中，从而取代了半控型的晶闸管，这是一项电子器件的重大突破。全控化的实现，在很大程度上实现了电路设计的精简化。
2.2电子电工技术的应用现状
2.2.1优化电能的使用以整个电力系统的正常运行为前提，通过合理整合和配置电能资源，电子电工技术能够对电能进行广泛的优化。
2.2.2实现了机电一体化设计随着电子技术的发展，通过改造加工传统产业，逐渐实现了新型机电一体化的产业化发展。
2.2.3促进了电子技术的智能化发展电子电工技术的智能化，首先保障了功率和信息的和谐发展，并在此基础上促进电子电工技术的一体化进程。
2.2.4指明了系统工频的研究方向以电子电工技术的发展为背景，为了在小型化发展的过程中使机电设备加快响应速度，就需要进行系统高频和变频化的研究，这样才能支持和保证电气工程设备的安全稳定运行。
3电工电子技术的发展研究
电工电子技术在交通运输、电气工程、能源开发等多个领域都有着广泛的应用。随着各种新材料和新技术的使用，电工电子技术也得到了巨大的发展。下面，我们对电工电子技术的新研究领域进行了探讨。
3.1太阳能和风力发电技术风能和太阳能是两种存储量最大的可再生资源，目前已经得到了越来越广泛的应用。随着建设规模的不断提升，风力和太阳能发电厂的投资成本下降了很多，装机容量也不断地扩大，电工电子技术得到了很好的应用。目前，建设规模更大、容量更高的新能源电厂，提高能量的转换效率，已经成为该领域电工电子技术研究的重点内容。
3.2太阳能电池发电技术太阳能电池的发展和电工电子技术的发展息息相关，新型太阳能技术将光伏电池镶嵌到塑料薄膜的外表面，进而形成太阳能薄膜，这样不仅降低了投资成本，也显著提高了发电厂的发电效率。
3.3磁流体发电技术磁流体发电是指通过加热燃料使其成为易电离的状态，然后在磁场中高速运动切割磁力线，进而产生电能的技术。该技术在很大程度上提高了能量的转换效率。目前，该技术的原理实验已获得成功，电工电子技术方面还需要在功率调节、超导磁体和发电通道等方面进行更深入的研究。
3.4受控核聚变技术受控核聚变是一种性价比高、安全无污染、原料充足、运行可靠的新型能源技术。与氢弹爆炸类似，受控核聚变的技术难度相对较高，并且无法进行有效的控制，因此，需要通过电工电子技术中的辅助加热、强磁场、等离子体和大能量脉冲等技术为核聚变技术的发展提供支持，使核聚变的反应条件、启动和停止都在可控范围内。
3.5微型光芯片技术微型光芯片技术能够显著降低光缆的入户成本，从而让家庭用户方便地享用真正的高速宽带技术。微型光芯片通过把不同类型的光路集中在同一个芯片上，使光缆体积大大减小，同时还不会影响数据的传输，在节约成本方面起到了积极的作用。
3.6磁悬浮技术磁悬浮列车的高速度甚至超过了飞机，使乘客真正享受到了出行的方便，其应用的前景非常广阔。事实上，磁悬浮列车使用的磁悬浮技术也是一种电工电子技术，它通过减少行车的阻力，提高了行驶的速度，同时还具有能耗低、运行安全、噪声低、运力强的特点。磁悬浮技术是一种集合了供电系统、电机驱动、磁悬浮和列车检测等多种电工电子技术的高新科技。
3.7超导电工技术高温超导技术对超导的应用不再局限在实验室中，超导储能、超导输电都在超导技术领域得到了实际的应用。目前，超导电工技术已经成了电工电子技术发展的重点，超导体的使用将会更加普遍。
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1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日"能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓"电力公害",例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为"开关变换类电源",其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。
总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献：
[1]林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术,电力电子技术选编,浙江大学,384-390,1992。
[2]季幼章:迎接知识经济时代,发展电源技术应用,电源技术应用,N0.2,l998。
