電氣科學(xué)與工程學(xué)科的回顧與展望

1、電氣科學(xué)與工程學(xué)科的回顧與展望,,,電之重要性,電是人類文明的基礎(chǔ)物質(zhì)條件之一“電氣化”引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命“電氣化”被美國工程院評為20世紀20項最偉大的工程技術(shù)成就之首“電氣化”被中國工程院評為20世紀我國25項重大工程技術(shù)成就之六電氣科學(xué)與工程學(xué)科與國民經(jīng)濟中具有特別重要戰(zhàn)略地位的能源領(lǐng)域息息相關(guān),電氣科學(xué)與工程學(xué)科的戰(zhàn)略地位和特點,電是能量轉(zhuǎn)換的樞紐和信息的載體電是一種最便于傳輸、分配和控制，最易于實現(xiàn)與其他能量相互

2、轉(zhuǎn)換，最便于進行能量時空分布變換（時間分布：恒定、交變、脈沖；空間分布：集中、分散）的一種能量。歷史悠久而活力日增→由雷觀察到電→電和磁相互依存相互作用→19世紀麥克斯韋爾方程組交叉面廣、滲透性強→電子、信息、計算機、激光、自動控制等→電磁與物質(zhì)相互作用研究對象涉及的時空跨度大→微觀、介觀、宏觀；皮秒、納秒《國家中長期科學(xué)和技術(shù)規(guī)劃綱要》引領(lǐng)未來前沿技術(shù)─先進能源技術(shù),電氣工程學(xué)科是培養(yǎng)有關(guān)電能的生產(chǎn)直至使用的全過程中，各種電氣

3、設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計、制造、運行、測量和控制等方面的高層次科學(xué)研究及工程技術(shù)專門人才和高等學(xué)校師資的學(xué)科；它們共同的學(xué)科基礎(chǔ)是電工學(xué)?研究電磁現(xiàn)象、規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué)。,電氣工程學(xué)科的性質(zhì)與作用,電氣工程一級學(xué)科簡介,,電氣工程,電力電子與電力傳動,電力系統(tǒng)及其自動化,電機與電器,高電壓與絕緣技術(shù),電工理論與新技術(shù),,,,,,,,,,,,電機,電器,,,,,,,理論電工,超導(dǎo)技術(shù)與磁流體發(fā)電,,,電力系統(tǒng)及其自動化,電力系統(tǒng)及其自

4、動化,,電力系統(tǒng)及其自動化,鐵道牽引電氣化與自動化（部分）,船舶與海洋工程特輔裝置與系統(tǒng)（部分）,交通運輸工程學(xué)科,海洋工程學(xué)科,,,,,,電力電子與電力傳動,電力電子與電力傳動,,電力電子技術(shù),電力傳動及其自動化（部分）,電磁測量技術(shù)及儀器（部分）,控制科學(xué)與工程學(xué)科,儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科,,,,,,高電壓與絕緣技術(shù),高電壓與絕緣技術(shù),高電壓技術(shù),電工材料及絕緣技術(shù)（部分）,材料科學(xué)與工程學(xué)科,,,,,,電氣工程學(xué)科的相

5、關(guān)學(xué)科,電子科學(xué)與技術(shù)計算機科學(xué)與技術(shù)控制科學(xué)與工程信息與通信工程材料科學(xué)與工程,機械工程 儀器科學(xué)與技術(shù) 動力工程與工程熱物理 交通運輸工程 農(nóng)業(yè)工程 環(huán)境科學(xué)與工程 生物醫(yī)學(xué)工程,電氣科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵與分支,,電能科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展動力示意圖,,,,,,電磁場與物質(zhì)相互作用科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展動力示意圖,,,,電能產(chǎn)生與利用環(huán)節(jié)示意圖,,,,太陽能,,水力發(fā)電,,生物發(fā)電,,化石類能源,,潮汐發(fā)電,,地?zé)?,核能,,風(fēng)力發(fā)

6、電,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,電動車、混合,動力車、燃料,電池車,,航天：火箭、

7、,航天飛機、小,衛(wèi)星,,軍用: 飛機、,艦艇、坦克，,導(dǎo)彈,,備用電源UPS,,民用電器：筆,記本電腦、手,機、數(shù)碼相機,,通信設(shè)備,,海洋溫差發(fā)電,,氫能燃料電池,,電能存,儲設(shè)備,：各種,電池、,超級電,容、機,械飛輪,等,,電站、,大容量,電能存,儲設(shè)備,,,,,,,,,,,,電能存儲設(shè)備的,監(jiān)控與管理技術(shù),,,,,,,,,,,,氣候變化對中國的影響與挑戰(zhàn)Impacts and challenges of climate ch

8、ange on China,,最近二百年氣候變化的事實與預(yù)估Facts & predictions of climate change in the past 200 years,資料來源：中國氣象局；AR4,近百年中國平均溫度變化情況,資料來源: 中國氣象局Data source: China Meteorological Administration,天山烏魯木齊河源1號冰川變化情況,資料來源:秦大河，2002,1994

9、,1986,1980,1973,1962,小冰期后期以來的變化,1962年以來連續(xù)退縮情況,,斷開Disconnection,《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》China’s National Climate Change Programme,2007年5月30日國務(wù)院發(fā)布Issued by the State Council on May 30,2007.《國家方案》明確了到2010年中國應(yīng)對氣候變化的具體目標(biāo)、基本原則、重點領(lǐng)域及

10、其政策措施。Outlining objectives, basic principles, key areas of actions, as well as policies and measures to address climate change for the period up to 2010.這是中國第一部應(yīng)對氣候變化的全面的政策性文件，也是發(fā)展中國家頒布的第一部應(yīng)對氣候變化的國家方案。 China’s first c

11、omprehensive policy document on response to climate change, also the first national climate change programme in developing countries.,《中國應(yīng)對氣候變化科技專項行動》,2004年6月14日，科技部聯(lián)合發(fā)改委、外交部等14個部門聯(lián)合發(fā)布Issued by MOST and other government

12、al agencies on June 14, 2004.制定《專項行動》的目的： Purposes有效落實《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》確定的重點任務(wù)Effective implementation of the key tasks in the Outline of the National Program for Medium- and Long-term Science and Technology Development

13、 《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》的實施提供科技支撐，To provide S&T support to the implementation of the CNCCP Program統(tǒng)籌協(xié)調(diào)我國氣候變化的科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)，全面提高國家應(yīng)對氣候變化的科技能力提出了具體目標(biāo)，明確了重點任務(wù)Outlining concrete objectives and key tasks,,“八五”以來，科技部通過國家科技計劃先后組織

14、開展了一系列與氣候變化有關(guān)的科技項目Ever since the ‘8th 5-year’, MOST have supported a series of s&t programs on climate change“十五”和“十一五”期間，各科技計劃應(yīng)對氣候變化投入大幅增加During the ’10th 5-year’ and ’11th 5-year’ periods, financial support for

15、R&D on climate change increase sharply,應(yīng)對氣候變化科技投入不斷增加Increasing financial support for R&D to address climate change,國家各科技計劃應(yīng)對氣候變化經(jīng)費投入Financial input （億元),,《節(jié)能減排綜合性工作方案》The General Work Plan for Energy Conservat

16、ion and Pollutant Discharge Reduction,2007年5月23日國務(wù)院發(fā)布；Issued by the state council on May 23, 2007主要目標(biāo) Main objectives到2010年，萬元GDP能耗降低20%左右；單位工業(yè)增加值用水量降低30%；城市污水處理率不低于70%，工業(yè)固體廢物綜合利用率達到60%以上?！笆晃濉逼陂g，主要污染物排放總量減少10%主要措施

17、Main measures控制高耗能、高污染行業(yè)過快增長 加快淘汰落后生產(chǎn)能力積極推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整……,,中國應(yīng)對氣候變化國家方案,,,,《聯(lián)合國氣候變化框架公約》,電力電子技術(shù)的定義,以電力為對象的電子技術(shù)稱作電力電子技術(shù) (Power Electronics)。它是一門利用電力電子器件對電能進行控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膶W(xué)科,也是現(xiàn)代電子學(xué)的一個主要分支。 微電子技術(shù) 信息處理技術(shù)電力電子

18、技術(shù) 電力處理技術(shù),,,電力電子技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系,電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、計算機科學(xué)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前, 電力電子技術(shù)已逐漸發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。,電力電子器件變 流 電 路控 制 電 路,,電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)的組成,電力電子與電力傳動學(xué)科

19、的地位與作用,電力電子與電力傳動是一個與電能的變換、控制、輸送、存貯密切相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科；它是結(jié)合電能變換、電磁學(xué)、自動控制、微電子及電子信息、計算機等學(xué)科的新成就而迅速發(fā)展起來的交叉學(xué)科；在現(xiàn)代工業(yè)體系中，它既是電能工業(yè)與用電工業(yè)間的接口，對電能進行有效的變換與控制；又是信息計算機控制與用電工業(yè)間的接口，為現(xiàn)代工業(yè)中各種功率負載和執(zhí)行機構(gòu)提供高質(zhì)量的智能化的功率源；本學(xué)科既涉及各種大功率的能量變換和控制，又涉及到各種最新的自動

20、控制技術(shù)、電子信息科學(xué)中的檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)和電力電子與電力傳動工業(yè)應(yīng)用新技術(shù)；本學(xué)科無論是對改造國民經(jīng)濟中的有關(guān)產(chǎn)業(yè)或?qū)F(xiàn)代化新興產(chǎn)業(yè)均具有十分重要的作用。,電力電子技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),目前，人類所處的地球面臨著“能源危機、資源危機和環(huán)境危機”的威脅；作為電子學(xué)的一個重要分支，同物質(zhì)生產(chǎn)過程息息相關(guān)，以功率處理為對象的電力電子學(xué)，將成為緩解或克服這三大危機的主要技術(shù)手段之一；新理論、新材料、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，推動

21、著工業(yè)發(fā)達地區(qū)電力電子學(xué)及其應(yīng)用的迅速發(fā)展，以實現(xiàn)“高效率、高品質(zhì)”用電的目標(biāo)，并將促進取之不盡用之不竭的可再生能源（太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮埽┖托履茉矗ㄈ剂想姵氐龋┑膹V泛利用；知識經(jīng)濟得以在潔凈的藍天下蓬勃發(fā)展。,中國能源背景,巨大的電力缺口與人們對電力的強烈需求之間的矛盾越來越明顯 ！,1999 年底全國總裝機容量 2.9×106MW,2010 年的電力需求量5.4×106MW,2.5×106

22、MW 的電力缺口,？,,,我國常規(guī)能源資源的有限性和環(huán)保的巨大壓力,節(jié)能,可再生能源,電力電子與電力傳動,現(xiàn)代電力電子技術(shù)核心要素,現(xiàn)代電力電子技術(shù),現(xiàn)代電力電子技術(shù),現(xiàn)代電力電子技術(shù),現(xiàn)代電力電子技術(shù),電力電子與電力傳動學(xué)科的研究范圍,電力電子器件的原理、制造及其應(yīng)用技術(shù)電源系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)電力傳動自動控制電力電子系統(tǒng)的運行與控制電力電子裝置與電力傳動系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)電磁兼容技術(shù)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電

23、子裝置與系統(tǒng)的建模、仿真與分析電力牽引傳動技術(shù)運動控制現(xiàn)代科學(xué)新成就（新材料、新器件、數(shù)學(xué)新理論、新方法、現(xiàn)代控 制理論、智能控制理論等）在電力電子與電力傳動中的應(yīng)用。,不控和半控器件?電流全控器件?電壓全控器件?功率集成電路器件的體積減小了3到4個數(shù)量級；大功率管的開關(guān)時間從毫秒級降到了微秒級；低功率時甚至達到了納秒級；工作頻率從50Hz增加到兆赫級；變流器的功率水平從微伏安提高到幾百兆伏安；,背景,高效率利用電能；

24、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) （電力，機械，化工，冶金，汽車等）；發(fā)展高新技術(shù) （航空航天，激光，通信，機器人等）； 環(huán)境保護 （可再生能源發(fā)電，污水處理，除塵等）；意義重大，需求巨大！電力電子與電力傳動應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速！我們面臨技術(shù)和國際市場競爭的挑戰(zhàn)和機遇！,背景,背景電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術(shù)電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)結(jié)束語,內(nèi)容導(dǎo)航,電力電子器件的發(fā)展歷史,電力電子器件的新進展

25、,SCR 長壽性(生命周期長)； 電力電子器件 滲透性(廣闊應(yīng)用領(lǐng)域)； GTO 派生性(派生出相關(guān)新器件家族)；

26、 IGBT 電力電子器件的壽命周期,,,,,電力電子器件“樹”,電力電子器件新的發(fā)展趨勢,電力電子器件的功率頻率乘積 (f?P)：109 --- 1010 W?Hz,,新的器件結(jié)構(gòu)新的器件材料,發(fā)展趨勢,基于Si的器件已經(jīng)趨

27、于材料特性的極限,超級級 (Super Junction)，浮動結(jié) (Floating Junction) 優(yōu)點：降低導(dǎo)通損耗， 開關(guān)損耗，提高驅(qū)動性能舉例：MDmesh : Multiple-Drain Mesh, ST公司CoolMOS: Infineon公司研究中的 LDD MOSFET,新的器件結(jié)構(gòu),CoolMosTM (Infineon)采用Super-Junction概念減小導(dǎo)通電阻降低門極電荷,,MDmes

28、hTM (ST) MOSFET更小的導(dǎo)通電阻，減小4倍更小的門極電荷,,,新的器件材料：SiC,SiC Schottky Barrier Diodes (SBDs) 肖特基,SiC MOSFET,1500 V SiC MOSFET Rdson*S=25 mΩ*cm2 ==約1/25 硅 MOSFET,,SiC JFET,在阻斷電壓為 3.5 kV時導(dǎo)通電阻僅為25mΩ*cm2 ，小于600V的CoolMOS。電流密度可達100

29、 A/cm2.,,背景電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術(shù)電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)結(jié)束語,內(nèi)容導(dǎo)航,電力電子技術(shù)在可再生能源和分布式發(fā)電系統(tǒng)有30億美元的市場份額，增長迅速。,,對電力需求的日益增加和大量的能源消耗，大量火電廠的建造，使得CO2等有害氣體大量排放，環(huán)境惡化。 我國目前以煤為主的能源方案，預(yù)計2020年，我國的二氧化碳排放量就可能超過美國，成為世界上第一排放國。

30、解決方法： 擴大再生能源的應(yīng)用比例：清潔能源 包括：小水電，風(fēng)能，光伏發(fā)電，生物質(zhì)能，地?zé)岚l(fā)電等 節(jié)能技術(shù)：減小能源消耗 電力電子技術(shù)是可再生能源廣泛應(yīng)用的核心技術(shù)，前景廣闊，市場巨大。,可再生能源 (RE),電力電子技術(shù)是未來電能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),可再生能源 (RE)發(fā)電,利用可再生能源發(fā)電系統(tǒng)示意圖,儲能系統(tǒng)與變流技術(shù)的關(guān)系示意圖,風(fēng)能：全球年增長率超過30％,AC-DC-AC 方式,AC-AC 方式,可再生能

31、源 (RE)-風(fēng)力發(fā)電,,風(fēng)能發(fā)電模型,900KW風(fēng)能發(fā)電機,可再生能源 (RE)-風(fēng)力發(fā)電,一個有儲能系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖,2002年，有400MW的光伏電池模塊進入市場。主要應(yīng)用缺點： 成本高 效率不高 在家庭分布式發(fā)電系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。,可再生能源 (RE)-光伏發(fā)電,,典型的家庭太陽能能源系統(tǒng)：對電力電子技術(shù)的要求： 成本 效率 可靠性 安全 性能 可制造性 可維護性,可再生能

32、源 (RE)-光伏發(fā)電,優(yōu)點：提高電網(wǎng)可靠性，減少遠距離輸電，促進可再生能源的應(yīng)用,固體氧化物燃料電池和小型高速渦輪發(fā)電機組成的混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,ABB MT100 microturbine.,分布式發(fā)電系統(tǒng)（DG）,分布式發(fā)電系統(tǒng)（DG）,,風(fēng)能,混合微型渦輪機,微型渦輪機(10-200kW),小型渦輪機(1-100MW),成本下降應(yīng)用加速,燃料電池,,未來混合發(fā)電系統(tǒng)示意圖,分布式與混合式發(fā)電系統(tǒng)需要大量的電力電子技術(shù)

33、 包括：逆變器，頻率變流器，靜態(tài)傳輸開關(guān)，DC-DC 變流器，AC-DC變流器等。2003-2008年，預(yù)計年平均增長率12.2％混合式發(fā)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，促使電力電子的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和智能化。,,從用電的角度：節(jié)電；從輸配電的角度：提高電網(wǎng)質(zhì)量,,電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,電能質(zhì)量控制,柔性輸電(FACTS)技術(shù),電能質(zhì)量控制,用于電壓調(diào)節(jié)、移相和諧波隔離的串補系統(tǒng)示意圖,電能質(zhì)量控制,背景電力電子器件可再生能源、分

34、布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機驅(qū)動綠色照明技術(shù)電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)結(jié)束語,內(nèi)容導(dǎo)航,能源消耗圖,,,目前采用逆變器調(diào)速的比例<10%北美變頻器年增長將達到11.5％電力電子調(diào)速裝置市場十分巨大,,電動汽車,機車牽引,鐵路電氣化：交流傳動為特征,,牽引和電機驅(qū)動中的電力電子技術(shù)通用場合的電力傳動技術(shù)趨于成熟高壓大功率電機驅(qū)動技術(shù)變流技術(shù)（多電平變流器，多電平級聯(lián)技術(shù)，矩陣變流器等）控制技術(shù)降低成本,,背景

35、電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術(shù)電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)結(jié)束語,內(nèi)容導(dǎo)航,,高效率電光源（熒光燈，HID燈等），對電子整流器 (Ballast) 需求旺盛固態(tài)照明技術(shù)，高流明發(fā)光二極管 (HBLED) 是一個重要發(fā)展領(lǐng)域,,背景電力電子器件可再生能源、分布式發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量控制牽引和電機傳動綠色照明技術(shù)電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)結(jié)束語,內(nèi)容導(dǎo)航,電力電子技術(shù)現(xiàn)狀基于分離元

36、件基礎(chǔ)上，自動化程度低按照用戶和用途要求進行特殊設(shè)計，開發(fā)周期長大量采用非標(biāo)元件，成本高成本高，開發(fā)周期長，自動化程度低（勞動密集）可靠性差，功率密度低限制電力電子技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的推廣,,,,外部對電力電子技術(shù)的需求降低成本改善性能提高功率密度提高可靠性提高可制造性，提高自動化程度電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)本世紀電力電子技術(shù)方向性發(fā)展趨勢,,,電力電子系統(tǒng)集成概念,摩爾定律（Moore’s Law）標(biāo)準(zhǔn)化

37、(standardization)模塊化 (Modularization)集成化 (Integration)可制造性 (Manufacturability)大量生產(chǎn) (Volume Production)降低成本 (Cost Reduction),功率處理標(biāo)準(zhǔn)模塊,信號處理,,電力電子系統(tǒng)集成技術(shù),電力電子系統(tǒng)集成技術(shù),電力電子系統(tǒng)集成：類似于微電子的大規(guī)模集成電路 (VLSI) 和機械制造領(lǐng)域的 SIMS 系統(tǒng)集成，對電力

38、電子技術(shù)進行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。兩個層次的集成： 模塊級： 建立電力電子集成標(biāo)準(zhǔn)模塊 系統(tǒng)級： 基于標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)系統(tǒng)集成理論，集成實際電力電子應(yīng)用系統(tǒng),電力電子系統(tǒng)集成技術(shù),電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊,技術(shù)要點：拓撲優(yōu)選，無源器件集成技術(shù)，封裝技術(shù)，控制技術(shù)，熱設(shè)計，電磁兼容，標(biāo)準(zhǔn)化接口等。,電力電子智能標(biāo)準(zhǔn)模塊示意圖,采用多芯片封裝技術(shù)實現(xiàn)智能標(biāo)準(zhǔn)模塊示意圖,,電力電子系統(tǒng)集成技術(shù),電力電子系統(tǒng)集成

39、技術(shù),,電力電子應(yīng)用系統(tǒng)集成,,基于電力電子標(biāo)準(zhǔn)模塊的應(yīng)用系統(tǒng)集成模型,電力電子應(yīng)用系統(tǒng)示意圖,技術(shù)要點：系統(tǒng)集成理論（串聯(lián)、并聯(lián)技術(shù)，系統(tǒng)建模和仿真，EMC設(shè)計）,電力電子系統(tǒng)集成技術(shù),產(chǎn)品指標(biāo)設(shè)計,自動化生產(chǎn)組裝,各類標(biāo)準(zhǔn)模塊,,實際應(yīng)用系統(tǒng),,,期望中的電源工業(yè),21世紀電力電子與電力傳動技術(shù)將在建設(shè)一個更美麗、更環(huán)保、更適合人類生活的地球中，發(fā)揮其不可替代的作用； 電力電子與電力傳動技術(shù)的飛速發(fā)展，知識經(jīng)濟將逐步

40、替代工業(yè)經(jīng)濟的趨勢，為我國在該領(lǐng)域的科技工作者和實業(yè)家們提出了挑戰(zhàn)和提供了機遇； 我們必需迎接挑戰(zhàn)、抓住機遇，為我國電力電子與電力傳動技術(shù)趕上世界先進水平，為我國知識經(jīng)濟的騰飛作出貢獻！,結(jié)束語,90年代我國電力電子技術(shù)發(fā)展概況,我國電力電子器件及應(yīng)用的研究開發(fā)已有40年歷史。改革開放以來得到蓬勃發(fā)展；1988年初—1989年秋，國家科委組織國內(nèi)專家完成“電力電子技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略”的軟科學(xué)研究，為90年代我國電力電子技術(shù)的迅

41、猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用莫定了基礎(chǔ)；1989年6月—1991年3月，國家自然科學(xué)基金會(NSFC)組織國內(nèi)電工界專家完成“電工學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)查研究報告”，包括電力電子學(xué)及其應(yīng)用，為90年代我國電力電子學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展做出規(guī)劃，并為政府決策和研究人員從事應(yīng)用基礎(chǔ)研究提供科學(xué)咨詢；,90年代我國電力電子技術(shù)發(fā)展概況,1991年6月，國家科委委托機械電子部機械科學(xué)研究院進行跟蹤性電力電子技術(shù)政策的軟科學(xué)研究，并于1993年初完成咨詢報告，針對不久將

42、恢復(fù)我國GATT締約國地位、進入WTO所面臨的形勢，提出進一步推動我國電力電子技術(shù)發(fā)展的對策和政策建議；這三項軟科學(xué)研究對90年代我國電力電子技術(shù)的發(fā)展起了積極的推動和指導(dǎo)作用，為政府下決心組織“八五”和“九五”電力電子重點科技攻關(guān)規(guī)劃提供決策依據(jù)。,90年代我國電力電子技術(shù)發(fā)展概況,國家在“八五”(1991-1995年)重點科技攻關(guān)計劃中首次將電力電子技術(shù)立項，總投資5808萬元，其中新型器件研制的投資約占60％，應(yīng)用技術(shù)研究的投

43、資約占40%；取得一批研制開發(fā)成果，包括新型全控器件樣管，如：1000V／50A IGBT、1000V／100A SITH、800V／10A SIT、900V／10A MCT，各種規(guī)格VDMOS管等完成設(shè)計或生產(chǎn)定型；應(yīng)用技術(shù)的研究成果則有：GTO變頻調(diào)速(630kVA)和斬波調(diào)速(1200kW)，SIT高頻感應(yīng)加熱裝置(10kW、400kHz，200kw、200kHz)，高頻電子鎮(zhèn)流器(40W、50kHz)和高頻開關(guān)電源的研制等。

44、,90年代我國電力電子技術(shù)發(fā)展概況,“八五”電力電子計劃的完成增強了我國技術(shù)實力和國力，在減輕能源緊張、提高鐵路和城市交通運輸能力、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、加快軍工裝備現(xiàn)代化進程方面起了重要作用；我國已能研制或生產(chǎn)： ? 城市地鐵IGBT斬波裝置； ? 2000kVA電力機車GTO變流裝置； ? 50kVA電牽引用智能IGBT模塊； ? 近百個模塊并聯(lián)的大功率通信開關(guān)電源；

45、 ? 船艇、航空電源及火箭、衛(wèi)星的二次電源； ? 40kW諧振型脈沖激光電源； ? 300kVAR靜止同步補償器(STATCOM)等； ? 磁懸浮電牽引概念車也已研制成功。,10年來我國電機調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀,我國已經(jīng)生產(chǎn)了幾千萬千瓦晶閘管直流傳動裝置，武 裝了從軋機到電氣機車的電力傳動設(shè)備, 制造技術(shù)和生產(chǎn)工藝均已過關(guān)；80年代后期我國陸續(xù)引進了10套單臺325

46、0kW到9000kW、總?cè)萘?萬kW的晶閘管交-交變頻裝置，先后完成了1250kVA、2500kVA、2x1400kVA、5000kVA交-交變頻器的設(shè)計、制造、調(diào)試。運行過程中對電網(wǎng)注入嚴重的諧波和畸變無功功率，有待進一步治理； 90年代初期，在引進多套2600kVA晶閘管交-直-交電流型變頻調(diào)速裝置基礎(chǔ)上，現(xiàn)已掌握了設(shè)計造技術(shù)，生產(chǎn)了多套晶閘管交直交電流型變頻裝置。而進口設(shè)備在運行兩年后卻發(fā)生電機損壞事故，檢查表明，諧波與電

47、應(yīng)力造成絕緣擊穿、軸電流燒蝕軸承；,GTO交—直—交電壓型PWM變頻調(diào)速裝置在寶鋼引進的大型軋機以及發(fā)電廠和煉鋼爐的巨型鼓風(fēng)機中的應(yīng)用業(yè)已成熟。北京地鐵直流電機GTO斬波調(diào)速裝置在試運行。國內(nèi)已試制成功美國羅賓康公司于1993年開發(fā)的IGBT多電平、級聯(lián)式、積木化變頻調(diào)速裝置(綠色變頻器)，并通過工業(yè)試驗，有所創(chuàng)新、突破。這是一種代表發(fā)展方向的高電壓、大功率變頻器，電網(wǎng)和電機兩側(cè)諧波均可達標(biāo)，功率因數(shù)達到0.95以上，進而使電應(yīng)力降到

48、最低，大大延長了用電負載(包括電動機)的工作壽命。,10年來我國電機調(diào)速技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀,我國已掌握的現(xiàn)代電力電子技術(shù),矢量控制技術(shù) 軟開關(guān)變換技術(shù) 功率因數(shù)校正技術(shù) GTO及IGBT的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù) 并聯(lián)均流技術(shù) 智能控制技術(shù) 諧波治理技術(shù)同步整流技術(shù) 分布電源系統(tǒng)及其遠方監(jiān)控技術(shù) 智能化高頻開關(guān)電源技術(shù) l0MHz磁薄膜技術(shù) 270F超容電容技術(shù),電力電子與電力傳動國家工程研究中心,北京電力電

49、子新技術(shù)研究開發(fā)中心；株州變流技術(shù)國家工程研究中心；西安電力電子技術(shù)國家工程研究中心；杭州應(yīng)用電力電子技術(shù)國家工程研究中心；天津電氣控制與傳動系統(tǒng)國家工程研究中心。 這些國家工程研究中心的陸續(xù)建成，極大地提高了我國電力電子技術(shù)的科學(xué)研究、開發(fā)和應(yīng)用的水平。,國家自然科學(xué)基金會(NSFC)對電工學(xué)科前沿課題的研究資助,測定GTO最大陽極電流機理與方法； 電機車單相APF控制策略； 電力電子電路及系統(tǒng)通用仿真軟件包；

50、 專家系統(tǒng)實現(xiàn)電力傳動智能控制； 電力電子電路故障自診斷； 單神經(jīng)元控制； PWM開關(guān)變換器的最優(yōu)控制模型； 諧振變換器的最優(yōu)設(shè)計建模； 開關(guān)變換器的時間平均等效電路模型; 離散時域仿真模型及廣義狀態(tài)平均模型。,電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)活動,International Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC’94) , BeijingInternati

51、onal Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC’97) , HangzhouInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC’2000) , BeijingInternational Power Electronics & Motion Control Confe

52、rence(IPEMC’2004) , Xian國內(nèi)各個國家學(xué)會也經(jīng)常舉行全國性的電力電子、電氣傳動和電子電源技術(shù)的學(xué)術(shù)研討會；相關(guān)期刊的發(fā)行促進了國內(nèi)學(xué)術(shù)交流，在活躍學(xué)術(shù)研究氣氛、推廣應(yīng)用研究成果方面起到了積極作用。,國家重大關(guān)鍵技術(shù)對電力電子技術(shù)的支持,IGBT產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及其應(yīng)用； 高頻開關(guān)電源系列； 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)； 高溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)； FACTS的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備； 高壓直流輸電技術(shù)及設(shè)備； 電網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)； 鐵

53、路提速關(guān)鍵技術(shù)； 高效節(jié)能電爐與裝備技術(shù)； 節(jié)能最佳化大型選礦技術(shù)裝備； 建筑節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品； 家用電器節(jié)能技術(shù)及船用設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。掌握這些重大關(guān)鍵技術(shù)是2010年前我國電力電子技術(shù)的 發(fā)展遠景目標(biāo)。,國際電力電子技術(shù)的發(fā)展和進步,電力電子器件的發(fā)展過程，經(jīng)歷了不控和半控器件、電流全控器件、電壓全控器件和功率集成電路(Power IC)等若干階段；80年代末期，不少國際電力電子專家認為：電力電子器件的發(fā)展方向是高頻化，大

54、功率化和易于驅(qū)動(使用)；到2000年，各種電力電子器件的使用頻率將提高一個數(shù)量級，例如：功率MOSFET的頻率(以kHz計，下同)從102提高到103，IGBT則從l0提高到100；器件功率也將有所提高，例如：IGBT的功率(以MVA計，下同)從0.1提高到1，GTO則從10以下提高到l0。,國際電力電子技術(shù)的發(fā)展和進步,10年前國際電力電子界專家們預(yù)測：90年代電力電子裝置的發(fā)展方向是小型輕量化，高精度快速響應(yīng)，并進一步系統(tǒng)化；

55、2000年，以下幾方面已由計劃變?yōu)楝F(xiàn)實； 新型電力補償器； 無直流環(huán)節(jié)的變頻器； 應(yīng)用自關(guān)斷器件的高壓直流輸電裝置； 磁懸浮運載工具； 超導(dǎo)磁鐵儲能； 卡片式開關(guān)電源； 高頻鏈UPS； 自動駕駛的電動汽車。,電力電子技術(shù)與知識經(jīng)濟,人們認為21世紀的經(jīng)濟將發(fā)生巨大變革，富有生命力的、新型的“知識經(jīng)濟”促進和改造傳統(tǒng)的工業(yè)經(jīng)濟，對世

56、界經(jīng)濟的發(fā)展將有很大推動力； 知識經(jīng)濟(Knowledge based economy)的主要特征表現(xiàn)為：高新技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用；電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合已成為當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的主流；物質(zhì)生產(chǎn)可歸結(jié)為把能源流作用到物料流，得到所需要的形狀、尺寸或性質(zhì)；現(xiàn)代化的物質(zhì)生產(chǎn)，將是信息流、能源流同物料流的匯合，電力電子位于這三流匯合處，具體體現(xiàn)為“信息控制、電網(wǎng)供電和生產(chǎn)機械”的接口；,電力電子技術(shù)與知識經(jīng)濟

57、,這些數(shù)據(jù)表明，我們應(yīng)當(dāng)從全球經(jīng)濟競爭來考慮一個國家的電力電子技術(shù)的發(fā)展；30多年前人們認為，電力電子學(xué)是從電氣工程(EE)中3大學(xué)科領(lǐng)域(電力、控制、電子)發(fā)展起來的一門新型邊緣學(xué)科；隨著時間的推移和科學(xué)技術(shù)的進步，人們已意識到，僅僅3個學(xué)科領(lǐng)域已不能概括作為高新邊緣學(xué)科——電力電子學(xué)的全部相鄰學(xué)科；新型電力電子器件的制造已廣泛應(yīng)用VLSI；通過電力電子器件和系統(tǒng)的集中監(jiān)控可以實現(xiàn)“弱電”控制“強電”；,電力電子技術(shù)與知識經(jīng)濟

58、,電力電子是一種知識密集型、以高新科技知識為基礎(chǔ)的技術(shù)，如果缺乏對電力電子國際科技前沿動態(tài)的了解，將使國家失去國際市場的競爭力，失去知識經(jīng)濟帶來的新機遇； 據(jù)1998年日本電氣學(xué)會專家預(yù)測，到1999年電力電子器件的世界市場為95億美元，比1995年增加21億美元，平均年增長15％；Microtech1996年估計，電力電子設(shè)備的世界市場為300億美元。能源電子產(chǎn)品(包括電力電子裝置、電容器和電池)的日本市場規(guī)模約為200億美元

59、；據(jù)美國Virginia電力電子中心(VPEC)報道，電力電子市場有300億美元直接產(chǎn)品銷售，并支持5700億美元電子工業(yè)；,電力電子技術(shù)與知識經(jīng)濟,與現(xiàn)代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科更加廣泛, 包括：基礎(chǔ)理論(固體物理、電磁學(xué)、電路理論)、專業(yè)理論(電力系統(tǒng)、電子學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機學(xué)及電傳動、通信理論、信號處理、微電子技術(shù)) 以及專門技術(shù)(電磁測量、計算機仿真、CAD)等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、熱設(shè)計、封裝、CAD集成、制造

60、、電力及電工應(yīng)用等；知識經(jīng)濟時代，迫切需要跨學(xué)科、應(yīng)用多種專業(yè)技術(shù)進行聯(lián)合研究，才能推動電力電子學(xué)科的發(fā)展；多學(xué)科合作研究的學(xué)術(shù)領(lǐng)域包括：節(jié)能技術(shù)，可再生能源和新能源(風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池、燃料電池等)的開發(fā)利用，高質(zhì)量的可靠能源研究，大氣環(huán)境保護，新材料與新器件的開發(fā)與應(yīng)用，微電子技術(shù)等；,電力電子技術(shù)與知識經(jīng)濟,跨學(xué)科聯(lián)合研究的另一個例子是：國際著名電力電子界資深專家原田耕介，根據(jù)90年代能源系統(tǒng)發(fā)展對電力電子技術(shù)的要求，將電力

61、電子學(xué)擴展為能源電子學(xué)，并在日本熊本工業(yè)大學(xué)創(chuàng)立了國際獨一無二的能源電子研究所；面對新的世紀，我國若要加速從工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)變?yōu)橹R經(jīng)濟，大力發(fā)展電力電子學(xué)，開展跨學(xué)科聯(lián)合研究是非常重要的。,電力電子基本理論的新發(fā)展,電力電子的新進展給傳統(tǒng)的電工學(xué)科注入了新的活力。電力電子新技術(shù)將滲透到傳統(tǒng)電工學(xué)科的許多分支，對傳統(tǒng)電工理論提出許多新的挑戰(zhàn)；強電—弱電融合的時代已經(jīng)到來；電工理論正在并將進一步活躍起來，主要表現(xiàn)在以下幾方面；電力電子

62、器件是以開關(guān)方式運行的非線性元件，傳統(tǒng)的集中參數(shù)、線性電路理論遠遠滿足不了分析電力電子線路行為的需要。電力電子學(xué)的發(fā)展迫切要求建立非線性電路理論，并解決分布參數(shù)問題。,電力電子基本理論的新發(fā)展,電力電子產(chǎn)品多數(shù)都是諧波源，給電網(wǎng)和電機帶來大量嚴重的諧波問題，除產(chǎn)生大家熟知的相移無功之外，又大量增添了畸變無功。另一方面，電力電子同微電子相結(jié)合又提供了有源(無功)補償和有源(諧波)濾波的新技術(shù)手段，成為治理電網(wǎng)污染、改善電力品質(zhì)的得力措施。

63、過去電工理論中“場路分家”研究是普遍的，電力電子技術(shù)向高頻、大功率方向的發(fā)展，分布參數(shù)問題日顯重要，這給“場路結(jié)合”的新理論提出了許多新課題。例如，工作頻率在20kHz時，電力電子裝置中的全部引線寄生電感應(yīng)小于30nH，否則將對裝置或電機帶來很強的電應(yīng)力，危及它們的工作壽命。而任何直圓導(dǎo)線的電感約為7．5nH/dm，由此提出了功率無感母線的新概念與新產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上才能對這種高頻化大功率變換裝置進行優(yōu)化設(shè)計。,電力電子基本理論的新發(fā)展

64、,交流電機調(diào)速系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合的機電系統(tǒng)，為了對它進行分析和設(shè)計，需要進一步應(yīng)用和發(fā)展已有的非線性控制理論。 電力電子開關(guān)電路中常常發(fā)生重復(fù)性的瞬態(tài)過程，它不同于常規(guī)電路中的過渡過程分析，需要做精細的計算分析，并借助計算機仿真和最優(yōu)設(shè)計方法。 未來，節(jié)能效果更好、使用更方便的變頻線路拓撲，可能是無直流環(huán)節(jié)交—交矩陣式變頻器，它有可能在很大程度上替代現(xiàn)在普遍采用的交—直—交變頻系統(tǒng)。這里也會提出許多新問題。,電力電子

65、基本理論的新發(fā)展,電工學(xué)科傳統(tǒng)的研究內(nèi)容是直流電以及工頻、三相、正弦波交流電，主要是電流、電壓的變化規(guī)律，對頻率、相位、相數(shù)、波形等參數(shù)的研究常常是不充分的。目前電工理論和實踐多集中在單相和三相系統(tǒng)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的崛起，將對電能的上述幾大參數(shù)進行綜合調(diào)控。特別使超過三相的多相電機、多相變換系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能，相應(yīng)的工作原理、設(shè)計理論及其帶來的效益將引起廣泛的興趣和注意。電力電子新技術(shù)還在呼喚一系列新的電工材料的出現(xiàn)，諸如制作新器件

66、的新型半導(dǎo)體材料 (如碳化硅等寬禁帶半導(dǎo)體材料)；高“磁能積”的永磁材料(如釹鐵硼)和低磁損耗、可以工作到幾十千赫的非晶態(tài)與超微晶磁材料；氮化鋁、金剛石等具有高導(dǎo)熱、高絕緣性能的材料。,電力電子基本理論的新發(fā)展,在大量涉及非正弦量的條件下，一大批原來只適合測量正弦量的電工測試儀表需要更新?lián)Q代。電力電子控制的應(yīng)用使電機設(shè)計制造發(fā)生了根本的變化，電機與電力電子電路緊密相關(guān)的新型集成化、電子化、智能電機正在登上歷史舞臺，這也提出了智能電機從

67、原理、設(shè)計到應(yīng)用的眾多課題。,電力電子與綠色能源,電力電子技術(shù)是高效節(jié)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用可以減少社會對發(fā)電增長的需求；發(fā)展電動車逐步代替汽車，是電力電子的重大課題之一；火力發(fā)電(燃煤或燃油和汽車尾氣是造成大氣環(huán)境破壞的兩大重要污染源）；大力發(fā)展和應(yīng)用電力電子節(jié)能技術(shù)，對大氣環(huán)境保護有積極作用；作為綠色技術(shù)的電力電子還涉及到電網(wǎng)環(huán)境保護和電磁環(huán)境保護等問題。,用電節(jié)能,我國發(fā)電總量的63％左右是通過電動機消耗的，10％～12％消耗在

68、照明上；電動機調(diào)速節(jié)能和照明節(jié)能是國家經(jīng)貿(mào)委、國家計委、國家科技部提出的兩大節(jié)能重點；據(jù)統(tǒng)計，火力發(fā)電廠效率每提高1％，或者說，每節(jié)電1％，都可減少2．5％的二氧化碳排放量；我國若大面積開展用電力電子技術(shù)節(jié)能，其效果可相當(dāng)于三峽電站的年發(fā)電量(840億kWh)；美國環(huán)境保護署(EPA)1991年提出一項“綠色照明(Green Light)”計劃，目的是使美國照明用電量(占全美總發(fā)電量20％—30％)節(jié)約一半，達到這一目標(biāo)后，可降低