电力系统与脉冲功率技术 傅佳伟 308880012.docx

1、电力系统与脉冲功率技术 傅佳伟 308880012 电力系统与脉冲功率技术专 业 名 称 ：电气工程与自动化姓 名 ：傅佳伟学 号 ：2011308880012班 级 ：2011级1班武汉大学电气工程学院二一三年十二月摘 要所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件（通常为电容器、电感器等）中，然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右）将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率（特瓦左右）。脉冲功率技术是许多高科技的基础，也在许多方面有着重要的应用。本文主要探讨脉冲功率技术在电力系统中的应用，包括开关技术、在电力电子装置中的应用、脉冲功率绝缘技

2、术等，介绍了脉冲功率技术在电力系统中的应用现状，并对其发展前景作了展望。关键词：脉冲功率技术；开关技术；绝缘技术；电力电子装置目 录摘 要 II1 脉冲功率技术概论 12 脉冲功率开关技术 23 脉冲功率绝缘技术 44 脉冲功率技术在电力电子装置中的应用 54.1 电力电子器件、拓扑和控制中的瞬态过程 74.2 脉冲功率技术在电力电子技术中的发展前景 95 总结和展望 11参考文献 111 脉冲功率技术概论脉冲功率技术（PPT，Pulsed Power Technology），又称高功率脉冲技术，它是将缓慢储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩，转换或者直接释放给负载的电物理技术。其实质是

3、将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内的高峰值功率输出1。事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电，早就存在于大自然中。而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性，以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。四十年代末期，就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。但是, 一方面由于当时客观要求并不迫切；另一方面，这样快的脉冲放电，无论在产生技术上，或者在测量技术上都存在着一定的困难。因此，其后十多年，这种技术发展并不迅速。六十年代初期，由于闪光辐射照相和瞬时辐射效应研究的需要, 英国原子能武器研究中心的J.C.马丁所领导的研究小组，开拓了称

4、之为脉冲功率加速器的研究领域，使毫微秒级脉冲功率技术往前推进了一步。同时，一些科学技术在发展中受到障碍，急需找寻新的途径。以微波和激光的发展为例，利用速调管、行波管等原理去产生大功率高效率毫米或亚毫米微波已经不可能。利用一般方法产生大功率、高效率、波长可调的激光束也不可能。正当人们探索和寻找新的解决途径的时候，他们发现脉冲功率技术是解决这些问题的良好途径。为此，美国许多单位，为桑地亚实验室、物理国际公司、海军研究实验室、康乃尔大学、加利福尼亚大学和斯坦福大学等单位，对脉冲功率技术及其在各方面的应用，开始了研究和发展工作。 脉冲功率技术起初作为获得强流相对性电子束或离子束的重要手段，被广泛应用在

5、国防科研和高新技术研究中。近年来，脉冲功率技术飞速发展，其应用范围逐渐扩大，主要包括：电子及离子加速、核聚变、微波装置、激光（特别是大功率放电激光）、电磁脉冲、闪光辐射照相、瞬时辐射效应和各种各样的工业应用。在现代电力系统中，脉冲功率技术也得到了广泛的应用，如开关技术、绝缘技术以及电力电子技术等领域。2 脉冲功率开关技术开关技术在电力系统脉冲功率技术中占有极其重要的地位，新的开关概念在不断开拓和完善。以下是各种可能在电力系统中得到应用的开关技术：（1）爆炸断路开关：这是一种由炸药驱动的开关，它可以在小于1的时间内切断百万安倍级的电流。（2）等离子体压缩断路开关：这种开关可以切断几百千安培的电流

6、。试验证明：用它可以切断的电流密度为0.15MA（总电流为10 MA），绝缘恢复时间小于0 .5。（3）熔丝：麦克斯威尔实验室成功地用熔丝断路开关将1MJ的能量转移给负载， 上升时间达亚微秒级。（4）金属箔熔片：洛斯阿拉莫斯实验室用金属箱作熔丝开断电流，时间为1。它们有希望用这一技术切断更大的电流, 美国空军武器实验室也在进行这一工作。（5）低压反射开关：美国物理国际公司研制了一种反射开关，它由一个厚度为2.5 nm的塑料阳极与不同大小的真空磁室所成。一组10 kV电容器和一个触发气体开关向反射开关的高压阳极提供充电电流。典型的平均反射电压为40kV到50kV。这种开关曾用作电感储能系统的断路

7、开关。他们还在Pulscrad 1150装置上试验开关在高压情况下（ 4MV）的脉冲削尖能力。（6）利用栅极控制等离子体的大功率断路开关新墨西哥大学进行了栅极控制的大功率断路闭合两用开关的原理性试验。这种开关具有快速开闭特性。（7）等离子体融蚀开关美国海军研究实验室、麦克斯威尔实验室及日本大阪大学都在研究等离子体融蚀开关。美国海军研究实验室在第四届脉冲功率技术会议后， 等离子融蚀开关的研究又有了新的进展。他们深入地研究了发生器的极性、等离子体源的参数、负载阻抗、开关尺寸等与等离子体融蚀开关特性的关系。还将这种开关应用于压制予脉冲、 加快上升时间、压缩脉冲、以及电压倍增、功率放大等不同领域。当然

8、，每种应用都有它的不同设计及特性要求。（8）反箍缩等离子体开关：这种开关不仅能消除等离子体的Z箍缩，还利用 以降低电流密度。试验证明，这种开关一般火花隙开关有很多优越性。（9）磁开关是一种由非饱和电抗器和复位线路所组成的阻抗变换系统。它用于高功率、长寿命、高重复率的脉冲功率装置。（10）光导半导体开关：用它可以产生微秒的上升时间和散度。此外，在闸流管方面、火花隙开关方面、激光触发开关方面、真空开关方面、以及表面放电开关方向都有相当大的进展。3 脉冲功率绝缘技术脉冲功率绝缘技术近年来也得到很大的发展，绝缘技术在电力系统中应用广泛。值得提出的是J.C.Martin关系及E . E . kunhar

9、dt的击穿过程的计算机模拟。著文介绍了真空中绝缘击穿的J.C.Martin关系的“统计解释”。文章指出：脉冲功率装置将由实验室阶段过渡到实用阶段，真空绝缘体往往是整个脉冲功率装置能量传输中的薄弱环节，它将影响整个系统的可靠性。文章讨论了应用Wejbtll分布描述真空绝缘击穿及故障的或然率。根据这些方法可以设计出更可靠的真空绝缘结构。纽约多科性技术大学的E . E . Kunhardt根据气体的击穿过程（流柱理论） 建立物理模型，用计算机描述整个过程。有意义的是：通过计算发现了以前用试验方法没有发现的现象。进一步通过试验证明这种现象是存在的，这将促进气体绝缘击穿理论的发展。试验是用负电性气体进行

10、的，气体为 的混合体，的比例在0-30%的范围。在电容器绝缘研究方面，麦克斯威尔实验室有了很大进展，储能密度提高近一个数量级，还希望在近期内再提高一个数量级。可以想象，他们不管在绝缘材料研究上，或在绝缘结构都做了大量工作。但由于涉及军事用途，这届会议中并没有提出数据。开关绝缘方面，海军地面武器中心研究了带空间电荷的的开关过程。桑地亚国家实验用模型方法研究的击穿过程。这个模型可将开关现象分为两个区域直流击穿及流柱发展，可以对它们分别研究，还将大大有利于发展高压脉冲开关的研究程序。另外，他们对在重复电场作用下去离子水局部放电的形成与击穿，双极性电场作用下的真空界面闪络方面也作了不少工作。绝缘技术在

11、电力系统和电气设备中得到广泛使用，尤其应用在高压输电中。所以脉冲功率技术的进步对电力系统的好处显著。4 脉冲功率技术在电力电子装置中的应用电力电子技术从上世纪八十年代开始发展迅速，现在在电力系统中应用广泛。其中有源滤波器、PWM开关型并联无功功率发生器、动态电压恢复器、统一潮流控制器、统一（综合）电能质量控制器、储能系统中的电力电子变换器在电力系统中应用广泛。而脉冲功率技术在电力电子技术中得到重要应用。下面简单的介绍各电力电子技术在电力系统中的应用：（1）有源滤波器指的就是有源电力滤波器，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，

12、之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。（2）PWM开关型并联无功功率发生器（静止同步补偿器）静止同步补偿器，简称STATCOM。是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。（3）动态电压恢复器（DVR）DVR相当于一个串联在配电系统中动态受控的电压源，采

13、用适当的控制方法可以使该电压源输出抵消电力系统扰动对负荷电压造成的不良影响，如电压跌落、电压不平衡及谐波等。当直流侧能量通过从系统整流获得时，在系统侧即使发生单相故障，其它两相仍可以提供电能来维持DVR的正常运行，补偿长期的电压跌落也成为可能。如果在直流侧电容两端并联蓄电池，或采用大容量电容储能，该装置还可起到UPS的作用，即在系统侧发生短期故障时可以向负荷提供一定时间的功率。采用合适的拓扑结构，DVR可以综合地治理配电系统中的动态电压质量问题如跌落、浪涌和稳态电压质量问题如谐波、波动、三相不平衡，是一个多目标的电压质量综合治理装置。（4）统一潮流控制器统一潮流控制器是一种功能最强大、特性最优

14、越的新一代柔性交流输电装置，也是迄今为止通用性最好的FACTS装置，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以同时并非常快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率。UPFC可以控制线路的潮流分布，有效地提高电力系统的稳定性。（5）统一电能质量控制器统一电能质量调节器是有源滤波家族中的重要代表。它将串联有源滤波器和并联有源滤波器组合起来，从而可以充分发挥串、并联有源滤波器在电力系统应用中的优势，具备综合的电能质量调节功能。在电能质量问题日益严重的今天，这无疑是一种有着广阔应用前景的装置。（6）储能系统中的电力电子变换器超导储能和飞轮储能用变换器及储

15、能系统。多功能柔性功率调节器就是按照主动致稳的思路，将目前已取得较大研究进展的飞轮储能方式用于电力系统稳定性控制，并充分利用飞轮储能和电力系统传统的同步调相机的相似性提出的一种新型FACTS装置。FPC具有储能、发电、调相等多种功能，且便于分散安装，可以实现有功功率和无功功率同时双向大范围调节，增强电力系统的稳定性。以上各种电力电子技术实现的根本是对电能进行控制和变换，其中为了实现对电能进行控制和变换通常会对电力电子电路中的器件进行控制。而其控制则需要本文所提出的脉冲功率技术。电力电子器件都采用类似PWM的调制方法以得到所需的电力特性，这种以PWM 调制方法输出的电磁电量表现为脉冲功率序列形式

16、，有效的脉冲功率序列是电力电子变换器中的基本形式。这种脉冲功率序列是电磁瞬态过程的一种形式，该瞬态过程的时间常数在微秒或纳秒之间。这种短时间尺度的电磁瞬态过程对于电力电子变换器的可靠运行起决定性作用：一方面它是电量波形变换的基础（相当于功率采样）；另一方面，若控制不好，它将直接导致器件失效和装置损坏。电力电子变换器的本质又是实施电磁能量的可控变换和定向传输。在变换和传输过程中必须遵循电磁能量守恒和能量不能突变原则，这是脉冲功率瞬态过程研究的理论基础。以往电力电子技术中的PWM 技术、软开关技术和吸收缓冲电路等本质上都是从宏观上对变换过程中的瞬态能量的处理，但由于没有从脉冲功率序列的角度来考虑，

17、没有从脉冲的微观特性（例如非理想开关特性）来分析，没有从有效的短时间尺度(微秒或纳秒)来量测，这些技术的应用都不尽人意；尤其在高压大容量或超大容量电力电子变换装置中，由于能量变换特征更是明显，现有电力电子技术凸现出明显的局限性。因此，研究电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及其序列是现代电力电子学的主要基础内容之一。脉冲的定义目前并不唯一，在数学上将单个脉冲分为上升沿、下降沿和脉宽三部，并对脉冲序列规定了一些衡量指标，包括衡量脉冲序列中的脉冲重复频率（prf）和脉冲重复概率（prr）。这样的脉冲定义在实际的电力电子装置运行中有其实际意义。4.1 电力电子器件、拓扑和控制中的瞬态过程电力电子变换器主要

18、由功率器件、线路拓扑和控制模块构成，典型的电力电子装置构成各个子系统的电磁能量变换的时间常数不同，如无源器件及其组成的回路时间常数以毫秒计，功率开关器件子系统和部分控制回路的时间常数以微秒计，某些高频软开关子系统和数字控制系统的时间常数以纳秒计，如果电力电子变换器带机械负载，如电机拖动，则机电能量转换部分的时间常数以秒计。不同时间常数的子系统构成整个电力电子变换系统，系统中的能量在变换、传输和储存中的平衡成为其关键问题。大部分系统或其中的元器件的失效均发生在瞬态（从某个稳态能量分布转向另一个稳态）过程中。在这种瞬态过程中，特别是时间常数不同的各子系统共同工作时，能量分布常有可能失衡，造成破坏性

19、的局部能量集中。具体地说，这种瞬态过程在电力电子装置中的主要形式有：（1）功率开关的关断过电压、开通过电流（微秒或纳秒级），续流二极管的反向恢复过程(纳秒级)等等。广义上即器件运行中的di/dt（1000A/s以上）和dv/dt（500V/s以上）问题。功率开关器件的核心是PN 结及多PN 结之间的关系。其主要载流子为电子和空穴，它们在器件内部发生扩散和漂移运动，分别遵循扩散定律和欧姆定律，在外部保持稳定的条件下，这两种运动保持动态平衡。在外部条件处于不稳定时，平衡被打破，器件内部的载流子运动和分布发生急剧变化，表现出瞬态高电压、大电流、束流效应、擎住效应和局部过热等现象，如没有及时疏导，将发

20、生器件和系统损害。如IGCT在开通与关断状态时分别表现为晶闸管和晶体管特性，其开关过程在1s内完成晶闸管和晶体管的转换，物理特性完全不同。在IGCT关断过程中，如果处理不好，则会发生过大电流引起表面压力分布变化、开关关断损耗过大、束流效应等现象，从而引起器件损坏。（2）变换器中拓扑结构由导电回路、散热回路和功率开关器件载流子回路构成，它们都是同一个能量平衡系统中的能流通道，从能量平衡的角度来看它们都属于拓扑线路范畴；其中散热回路的瞬态过程以分钟或小时计，导电回路的瞬态过程以微秒计，功率开关器件载流子回路的瞬态过程以纳秒或皮秒计。它们相互连通，在变换器的稳态运行中保持系统中的能量平衡；它们具有不

21、同时间常数，能流速度不同导致能量平衡过程（即瞬态过程）非常复杂；各拓扑线路中的分布参数和杂散参数使得变换器中的能量平衡过程更趋复杂。开关换流过程中引起线路上不同点的电流、电压、磁场强度和温度场等的差异，这种差异将直接决定变换装置中关键器件的排布问题。其中，非线性的分布参数定义和抽取成为该系统中变换和传输瞬态过程分析的关键。由于常见电力电子技术中的仿真和分析一般采用理想开关模型和集中参数概念，试图用基于理想开关的统一拓扑理论来统一电力电子拓扑结构，在大容量电力电子研究领域意义不大。（3）控制模块属于信号级的能流系统，瞬态过程一般以微秒或纳秒计。现代电力电子学中的控制系统主要以DSP 及多CPU

22、网络为中心的数字控制系统，其指令执行时间为纳微秒级别，其外围硬件驱动电路由于杂散参数引起的器件门极信号的延迟与畸变也以纳秒或微秒计。这样的瞬态过程对功率器件的驱动和非理想开关过程影响很大，变换器输出的电压电流波形中的各种异常脉冲, 大部分是由这种瞬态过程引起。压脉冲、吸收电路引起的异常电压脉冲、死区内负载电流过零产生的异常脉冲以及相间开关间隙不足引起的窄脉冲。它们都容易导致变换器输出波形失真或者变流失败。另外，由于开关器件特性的限制，如最小脉宽，一些宏观控制策略往往不能得以实现，尤其是在输出量很小，如变频调速中的低速运行时，开关器件的开通占空比很小，开关器件的最小脉宽限制了它的输出, 致使输出

23、量失真, 甚至输出失败。显然，最小脉宽设置越大，波形畸变越严重。因此，对脉冲及其序列控制提出几个基本概念：（1）如前所说，电磁脉冲功率序列是实现电力电子变换器电磁能量有效变换的基础，也是变换器工作的基本形式；（2）在电力电子变换器中，电磁脉冲功率控制相当于功率采样，也可看成电磁功率的数字化；（3）脉冲前沿与后沿形态、脉宽和脉冲幅值是脉冲功率的基本要素；（4）各种开关调制和各种控制算法均是对电磁脉冲功率序列的宏观控制，它们都受脉冲的基本要素限制。只有在这种认识下，才有可能对脉冲及其序列进行有效控制。4.2 脉冲功率技术在电力电子技术中的发展前景电力电子学中的脉冲功率瞬变过程研究已经超出了现有电力

24、电子学的范畴，尤其当瞬变过程的时间尺度达到纳秒级后，其瞬变过程表现出来的规律已难于用目前的电力电子学理论来分析。我们知道当材料研究的空间尺寸进入纳米范围后，纳米材料带来了一场材料领域的变更；可以想象，当电磁过程分析进入纳秒级范围后，纳秒过程的理论和应用势必也将带来一些可以预见的变化：（1）短时间尺度能量流动。考虑问题的角度将由原有的“功率=电压电流”的概念，向量子物理和能带论方向靠近，摆脱器件理想模型和集总参数的束缚，采用非线性模型和分布参数，建立近似能带论与薛定谔方程的联立方程，更精确地计算脉冲功率的瞬变过程，准确地把握器件运行和失效机理，进行有效的仿真计算。（2）行波传输能量。将爱因斯坦扩

25、散方程中的行波理论应用到电力电子装置的波过程中，把握器件内部载流子的运动规律和传输线中的自由电子运动规律，从而将能量函数由时间的一维函数扩展到时、空间四维函数；准确地重现系统中在任何时间、任何地方的能量传输和能量分布图像。（3）实现功率任意波形的变换。电力电子变换的高级境界是实现电磁功率的任意波形变换， 电磁脉冲功率瞬态过程及其序列是实现任意波形变换的基础。由于计算机科学和技术的迅速发展，灵活多变的虚拟现实已进入现实世界生活. 但计算机仿真出来的电磁量是信号级的电磁量，要变成能驱动物理世界的电磁力，则要将该信号变成同样波形的功率级的电磁量，即所谓电力电子功率放大器。变压器的发展成就了今天的大规

26、模复杂的电力系统，大容量任意波形电力电子变换器的发展将成就未来的电气世界。（4）在建立电力电子脉冲功率瞬变理论的基础上，将原有控制策略、器件选型、装置设计和冷却计算等问题综合转化为数学上的优化设计问题和物理上的能级问题，从而使得电力电子变换装置的设计更加科学化、程式化和可视化。（5）大容量脉冲功率的研究正成为电磁功率的一种新的发展方向。从高电压学科发展起来的脉冲功率研究大多是单一脉冲过程，脉冲过程不易控制，主要由大电容及其组合而产生。由于电力电子学中的脉冲功率是序列式、可重复开关、可控的瞬态过程，它是由电力电子开关器件及其拓扑结构在一种控制下产生的。一旦开关器件的容量进一步突破，后者完全可能代

27、替前者，并获得更加广阔的应用前景。研究电力电子变换器中的脉冲功率瞬态过程对于其中的电磁瞬态能量分布和变化规律，实现高效、高可靠性的电磁能波形的任意变换，对器件的失效机理进行细致的分析和有效的仿真，以及准确评估系统的开关特性，包括开关损耗、发热量，指导开关变换电路周围控制电路的布局，降低电磁干扰，有效降低器件误导通、系统误保护的概率等均有重要的科学理论意义和实际应用价值。其科学意义与实际应用有密不可分的联系，基于对脉冲功率瞬态过程的研究，可以建立有效的电力电子器件非线性解析模型，能有效地反映不同工况下器件的工作情况；研究大容量变换器环路中的电磁能量分布函数的描述方法，并在此基础上求取大容量变换器

28、中能量函数的最优解，能对电力电子系统结构构架进行优化设计；研究电力电子变换器中的瞬态能流平衡关系，将有效设计缓冲吸收电路，抑制开关器件的dv/dt 和di/dt, 对电磁能量瞬态过程进行有效控制；将PWM 算法与开关瞬态过程结合起来，则从电磁脉冲功率瞬态过程的分析中得到最优开关频率、最小脉宽、死区时间和调制比的和谐组合。5 总结和展望本文在介绍脉冲功率技术原理的基础上，重点探讨了脉冲功率技术在电力系统中的应用，包括开关技术、脉冲功率绝缘技术以及其在电力电子装置中的应用等，详细阐述了脉冲功率技术在电力系统这几个方面中的应用现状及发展前景。作为一门新兴科学技术，脉冲功率以其独特的优势，能够解决传统

29、电力系统控制中存在的许多难题，提高了电力系统的智能化水平和安全高效性。当然，脉冲功率技术在电力系统中的研究还处于比较初步的阶段，存在一些不可控的因素，随着人们对脉冲理论研究的进一步深入以及电力系统的改革创新，脉冲功率技术与电力系统之间的联系也将更加紧密，相信脉冲功率技术在未来的电力系统中将起到更加重要的作用。参考文献1 张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术M.西安：西安电子科技大学出版社，1994.2 罗承沐, 王新新. 高科技的基础之一脉冲功率技术J. 国际学术动态, 2000, 1: 033.3 赵争鸣, 白华, 袁立强. 电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及其序列 J. 中国科学: E 辑, 2007, 37(1): 60-69.4 陈首燊, 褚宗兰. 脉冲功率开关技术J. 电工电能新技术, 1984, 4.5 刘锡三. 高功率脉冲技术的发展及应用研究J. 核物理动态, 1995, 12(4): 16-20.