第1章 绪论
1.1 大功率电力电子技术发展概述
人们长期以来对石油、煤炭等传统化石燃料的大量开采与使用，以二氧化碳为代表的若干种温室气体的过度排放导致全球气候变暖，进一步引发冰川融化、海平面上升、生物种类多样性减少、作物减产以及人类生存环境恶化等环境问题，对人类社会的安全造成威胁。近年来，保护环境、减缓地球气候变化以实现可持续发展受到国际社会极大的关注[1]，绿色低碳能源转型也成为我国经济社会发展的重要战略目标[2]。电力行业是碳排放的重点行业，作为能源枢纽的电力系统正在向以新能源为主体的新型电力系统转变和发展[3]。在以新能源为主体的电力系统中，确保能源电力安全可靠供给、*大化消纳新能源是系统的主要任务。风力发电、光伏发电等新能源通常经电力电子装备接入电力系统，高比例电力电子接入条件下，保障电力系统安全可靠的前提下逐步使用新能源代替传统能源，是实现能源清洁低碳转型的关键[4]。
在构建新型电力系统的进程中，电力电子技术发挥着不可或缺的作用。随着调整能源结构、开发利用清洁高效新能源、促进能源发展转型以及提高能源利用效率等重要任务的提出[5， 6]，大量电力电子设备被逐渐接入电力系统中，广泛应用于可再生能源的并网发电、超高压特高压交直流输电、电力储能、微电网、定制电力以及电动汽车等用电环节，以实现新能源的并网并对其进行高效传输、储存与使用。这些电力电子技术在电力系统中的大规模应用，使得传统电力系统的结构发生根本性变化，也给电力系统带来了巨大的经济效益和社会效益，极大地改善了电力系统的运行控制灵活性、适应性和安全性。从整体来看，电力系统在电源侧、输电网络以及负荷侧均呈现日益明显的电力电子化趋势和特征，大规模和大范围应用电力电子技术以构建电力电子化电力系统的趋势明显[7]。
电力电子技术正是一种应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术[8]。1974年，美国的Newell用一个倒三角形（图1.1）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉形成的，这一观点被全世界普遍接受[9]。
图1.1 电力电子学倒三角描述
面向电力领域的应用，在电力电子器件的开发方面，高压大容量功率半导体器件和宽禁带半导体器件持续高速发展。按照功率半导体器件衬底材料的不同，现有的功率半导体分立器件的材料可分为三代。**代半导体材料主要以锗（Ge，早期产品，现已不常见）和硅（Si）为代表；第二代半导体材料主要是以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的化合物半导体材料；第三代半导体材料主要是以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料。与**代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度以及更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐照能力，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率半导体器件[10]。
按照器件结构，现有的功率半导体分立器件包括二极管、功率晶体管、晶闸管等，图1.2给出了硅基和宽禁带器件应用发展示意图[11]。其中功率晶体管又可分为双极晶体管（bipolar transistor，BT）、结型场效应晶体管（junction field-effect transistor，JFET）、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）等。门极关断晶闸管（gate turn-off thyristor，GTO）通过门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件，具有一般晶闸管的耐高压、电流容量大以及承受浪涌能力强的优点，已逐步取代了普通晶闸管。在20世纪80年代初，把MOSFET与BT的技术优点相结合，促成了新型功率器件IGBT的发明。IGBT集MOSFET电压控制特性和BT低导通电阻特性于一体，具有驱动简单、驱动功率小、输入阻抗大、导通电阻小、开关损耗低、工作频率高等特点，继承了MOSFET较宽的安全工作区（safe operation area，SOA）特性，是电力电子器件家族中*重要的成员之一。IGBT经历了平面穿通型、平面非穿通型、沟槽栅场截止型和精细沟槽栅型等7代结构的迭代优化，并衍生出逆导型IGBT（reverse conducting IGBT，RC-IGBT）、逆阻型IGBT（reverse blocking IGBT，RB-IGBT）和超结型IGBT（super junction IGBT，SJ-IGBT）等新型器件结构[11]。
图1.2 硅基和宽禁带器件应用发展示意图[11]
进入21世纪，在产业技术需求的驱动下，各国相继开始了以SiC和GaN为代表的宽禁带器件的研发。宽禁带半导体材料在跃迁能级、饱和漂移速率和导电导热性能方面具有优势，SiC MOSFET和GaN高电子迁移率场效晶体管（high electron mobility transistor，HEMT）等器件非常适合应用于高压、高温、高频和高功率密度等领域，给电力电子器件的发展带来了新的机遇。宽禁带半导体器件的成熟与应用，极大地拓展了功率半导体器件家族的应用领域，具有更优异的器件性能和更广阔的开关频率范围。SiC以其3.26 eV的宽带隙和高导热率等优异性能，在1 200 V以上的功率器件应用中得到了长足发展，SiC IGBT和MOSFET正逐渐在电力系统、新能源、电动汽车等高端应用中占据越来越多的市场份额。
目前，焊接式高压大功率IGBT器件模块功率等级已达到750 A/6 500 V，压接式高功率密度IGBT的功率等级达到了3 600 A/4 500 V。SiC电力电子器件已推出8 in 单晶衬底材料样品，而6 in SiC器件已实现10 kV以上电压等级的样品，其中单管器件*高电压达到27 kV以上，600～1 700 V的SiC器件已经实现了商业化[11]。
由于现有电力系统是基于同步发电机的交流电系统，而新能源发电、交直流输配电、电能质量治理中一般包含直流环节，所以电力电子并网变流器成为系统中的关键接口设备。随着电力系统应用需求和电力电子器件性能的发展，大功率电力电子并网变流器的拓扑结构设计也不断推陈出新。面向电力系统应用中的高压耐压需求，一般可采用三类技术方案：功率开关器件串联技术、变压器多重化技术和多电平技术。功率开关器件串联技术基于基本两电平或三电平电压源变流器（voltage source converter，VSC）拓扑。该拓扑结构简单，但采用了器件（如IGBT功率开关）串联，每个IGBT的参数以及动作时间不尽相同，易造成每个开关器件电压不均匀，部分开关器件易过压，因此需要增添复杂的动态均压电路。
变压器多重化技术通过移相变压器将多个变流器输出的电压叠加，得到一个阶梯波电压，降低了输出电流的谐波，提高了电能质量，同时减小了滤波器的体积。然而，高压场合下变压器体积庞大，设计十分复杂，同时损耗也会增大。多电平技术是目前应用*广泛、*实用的一种技术。一般为多个直流源或电容与开关器件的组合，通过适当的调制方法输出阶梯波电压，多电平技术通过增加开关器件以及直流侧电压源和电容的数量一方面可提高装置耐压等级，另一方面增多了阶梯波的阶梯数量，增加了电平数量，改善了输出波形质量，减小了滤波器体积。目前，常见的多电平变流器包括：中性点钳位（neutral point clamping，NPC）多电平变流器、级联H桥（cascaded H-bridge，CHB）多电平变流器、模块化多电平变流器（modular multi-level converter，MMC）。
2001年，德国学者Rainer Marquardt（雷纳？马夸特）提出了MMC拓扑[12]。MMC的基本单元是半桥逆变器。与CHB多电平变流器相同，MMC也具有模块化、易扩展等优势。但是，与CHB多电平变流器不同的是，MMC拓扑具有公共直流母线，非常适合高压直流输电，目前已广泛投入使用。MMC采用子模块串联的方式构造变流阀，避免了大量器件的压接式串联，降低了对器件一致性的要求。同时，特殊的调制方法决定了其可以在较低的开关频率下获得很高的等效开关频率，随着电平数的升高，输出波形接近正弦，可以省去交流滤波器。除了上述优点，相比于两电平、三电平VSC，MMC还具有输出交流电压变化率小、模块化设计便于扩容及冗余配置等众多优点。目前，各类电力电子拓扑结构仍然在不断发展中，随着宽禁带半导体器件应用的成熟，性能更优、运行更可靠的电力电子拓扑结构也是研究和应用的重要方向。
电力电子并网变流器的控制包含功率开关调制、电流/电压控制、并网同步控制等，可根据应用需求进行设计，具有相当大的灵活性。由于电力电子并网变流器采用了功率半导体开关，所以需对脉冲宽度进行调制，等效地获得需要的波形。在并网应用中，常用的调制包括正弦脉冲宽度调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）、空间矢量脉冲宽度调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）等。在多电平变流器中，调制策略又可以分为两大类：载波调制和非载波调制。
电力电子并网变流器的电流/电压控制包括幅相控制和波形控制两类。幅相控制的优点是结构简单、无需电流传感器、静态特性良好，但稳定性差、动态响应慢、动态过程中存在直流电流偏移和很大的电流过冲[13]。波形控制策略主要包括开环控制、比例积分微分（proportional plus integral plus derivative，PID）控制、双闭环控制、滞环控制、无差拍控制、重复控制等。在大功率并网变流器应用中，由于将交流分量从三相旋转坐标系转换到两相静止坐标系，转换后一般可应用线性化的PI控制器（proportional plus integral controller，比例积分控制器）。
并网变流器还需要与电网同步，目前广泛采用的电力电子非同步机电源可分为电网跟踪型与电网构造型，电网跟踪型变流器外部特性表现为电流源特性，电网构造型变流器外部特性表现为电压源特性，包括幅相同步控制（间接电流控制）、功率同步控制（包含虚拟同步发电机控制等），电网跟踪型变流器与幅相同步控制的电网构造型变流器往往需要采用锁相环（phase-locked loop，PLL）同步控制，如图1.3所示。在电力电子化电力系统中，由于交流电网强度弱、系统惯量低，电网构造型变流器控制逐渐引起了人们的关注。
图1.3 电力电子并网变流器的同步控制
1.2 电力电子并网变流器应用现状
1.2.1 在新能源发电中的应用
国际社会普遍认为，二氧化碳过度排放是引起气候变化的主要因素。目前，全球范围内能源及产业发展低碳化的大趋势已经形成，各国纷纷出台碳中和时间表。我国当前的碳排放主要来源于化石能源的利用过程。《中华人民共和国气候变化第二次两年更新报告》显示，能源活动是我国温室气体的主要排放源，约占我国全部二氧化碳排放的86.8%。
截至2021年，我国可再生能源装机规模突破10亿kW，风电、光伏发电装机均突破3亿kW。图1.4给出了2011～2021年我国光伏发电、风电的装机总量以及年发电量变化趋势图，截至2021年底，全国风电累计装机3.28亿kW，光伏发电累计装机3.06亿kW。其中，陆上风电累计装机3.02亿kW、海上风电累计装机2 639万kW，海上风电装机跃居世界**。同时，我国的可再生能源发电量稳步增长，2021年，全国可再生能源发电量达2.48万亿kW？h，占全社会用电量的29.8%。其中，水电13 401亿kW？h，同比下降1.1%；风电6 526亿kW？h，同比增长40.
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