电力电子技术如何助力能源领域实现“双碳”目标

文/刘蕾

“双碳”目标下，新型能源体系加快规划建设步伐。新型电力系统作为新型能源体系的重要组成部分，是助力能源转型，实现“双碳”目标的关键载体。

2023年，我国非化石能源发电装机容量历史性超过化石能源发电装机容量。中国电力企业联合会《2023年上半年全国电力供需形势分析预测报告》数据显示，截至6月底，全国累计非化石能源发电装机容量占比达51.5%。随着非化石能源发电总量和消费总量占比日益提升，构建新型电力系统正变得迫切。

“今后二、三十年，会看到大量可再生能源进入电网，变成一个个分布式的微电网，集合成一个大的电网系统。其中，会有很多电力电子设备在智能电网中出现，扮演重要角色。”中国工程院外籍院士、“台达电力电子科教发展计划”和“中达学者计划”主任李泽元说道。

科技助力节能减碳

“电力电子”一个不太日常的词汇，却已广泛应用于生产、生活的方方面面。为了让这一技术更直观地被理解，李泽元举了一个简单的例子，任何“开关”的概念，如果它的目的不是处理信号，而是处理能量的转变和传输，就涉及到电力电子技术的应用。

这意味着，小到我们日常所用的手机充电器、变频空调，大到出行乘坐的电动汽车、高铁，工业领域的电源装置以及清洁能源并网等，都离不开电力电子技术。因此，电力电子技术在能源转换中的效能和质量，直接影响着多行业多领域的节能减碳效果。

与李泽元携手合作三十余年的台达集团（以下简称“台达”），其创办人暨荣誉董事长郑崇华带给他的影响颇深。“三十年以前，可能大家还不太注意电能损耗的问题，郑先生注意到了，并把节能环保的理念传递给了企业的每一位工程师。”

在台达创办人暨荣誉董事长郑崇华（左）、中国工程院外籍院士李泽元（右）的大力推动下，台达“科教两计划”已成功实施20余年。

创立于1971年的台达，依托电力电子核心技术，从电源与元器件业务起家，如今已从十几人的小公司成长为拥有八万员工的跨国企业，为全球提供电源管理与散热解决方案。李泽元表示，郑崇华几十年来始终保持着对工作的热忱，对技术的热爱，以及节俭的生活态度，影响着台达始终把节能减碳放在企业发展的优先级，在电力电子技术上持续取得创新突破。

目前，台达电源产品效率均超过90%以上，通信电源效能达98%，太阳能光伏逆变器效能可达99.8%，车用直流电源转换器效能可达96%；2010至2022年期间，其节能产品累积为全球客户节省约399亿度电，相当于减少2,105万吨二氧化碳排放。

“我们曾在多地打造分布式智能电网及储能解决方案，以科技提升电网韧性，希望用行动为能源转型尽一份力。”在郑崇华看来，为了应对气候危机，构建以新能源为主体的新型电力系统，是推动能源清洁低碳转型、助力“双碳”目标的重要途径，这与电力电子学科及技术发展有很大关系。

凭借台达在电力电子技术方面的核心优势，郑崇华和李泽元为推动国内电力电子学科教育和人才培养，已倾注了二十余年的心血。李泽元直言，过去二十多年，电力电子技术在中国的发展是出乎他意料之外的。

培养“求好”型人才

2000年，是中国经济腾飞的转折点，也是中国电力电子学科发展的转折点。在此之前，设置该项学科的国内高校并不多。

“电子电子是一门应用型学科，与工业等领域的结合很密切，只要东西做得好，技术转移随时在发生。”李泽元表示，很多企业是发展起来以后，才意识到对电力电子技术的需求。

“企业要找人才，首先瞄准了高校的老师。但那时候有经验的老师不多，企业又想把老师挖走。那么电力电子学科怎么振兴？”他向郑崇华建议，如果想在教育方面做点什么事情的话，可以做两件事：一是发展电力电子学科，二是“无条件”地为相关学校提供研究经费。

自台达1992年进入中国大陆市场，成立中达电通后，郑崇华一直思忖着，如何发挥企业的力量在教育上做些贡献。

在郑崇华和李泽元的共同倡导下，台达于2000年起，先后设立“台达电力电子科教发展计划”“中达学者计划”(以下简称“科教两计划”)，以促进高校电力电子与电气传动等相关学科的人才培养，鼓励在该领域做出创新性研究贡献的杰出学者。该项目先后邀请清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、西安交通大学、华中科技大学、上海大学、哈尔滨工业大学、北京交通大学、上海交通大学、合肥工业大学10所重点大学参与，并自2023年起，增邀电力系统著名高校华北电力大学和湖南大学加入。

对于合作院校需要具备哪些实力基础，李泽元表示，主要看学校对电力电子学科的重视度。如果重视，我们就再加把力，让他们可以更往前走一步。希望通过台达“科教两计划”，鼓励更多的人才进入电力电子领域。

作为一位“高产”的技术型研究学者，李泽元在高频电能转换和电力电子系统领域成就卓越，其所开创的软开关技术、多相式电压调节模块技术均已成为现代电力电子的核心技术，在全世界被广泛采用。而他给新时期青年人才的建议只有一条：“发挥你的能力，保持‘求好’的心态”。在他看来，人的能力是没有止境的，别局限于“我只能做什么”。这一点和台达在节能减碳方面展现出来的“执着”相似。

跨界融合 构建新型电力系统

当前，全球正加快推进能源结构转型，中国实现非化石能源发电装机容量历史性超过化石能源装机容量，给全球带来了积极影响。国际可再生能源署《2023年可再生能源容量统计》数据显示，中国在2022年贡献了全球可再生能源总容量新增部分的约48%；当年全球三分之二的新增水电产能、45%的新增太阳能产能、一半的新增风电产能和57%的新增生物能源产能部署在中国。

随着非化石能源发电总量和消费总量占比日益提升，“构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统”成为大势所趋。而在对新能源的开发和利用中，电力电子技术将起到重要的支撑作用。

台达“科教两计划”实施了二十年后，李泽元给郑崇华及台达提出了一个新建议，即推进电力电子与电力系统等其他领域的“跨界融合”发展。

“未来的电力系统将比现在的电力系统大好多倍，电力电子是这场转变中的‘主角’。过去电力电子和电力系统是两个不同的领域，他们做他们的，我们做我们的，但今后三十年必须要连在一起共事。”李泽元说道。

因此，台达从今年开始，在原有“科教两计划”资助范围基础上，正式启动“电力电子化新型电力系统专项”资助，每年立项2个项目，提供各300万元研究经费，借此鼓励高校跨学科、跨领域合作。

以“环保 节能 爱地球”为经营使命的台达，一直将“求变”视为前行的动力。从电视时代的元器件供应商，到PC时代的电源供应器领导厂商，再到现在的环保节能解决方案提供商，近年来其在工业自动化、楼宇自动化、通信电源、数据中心基础设施、电动车充电、可再生能源、储能与视讯显示等多项产品方案领域也逐渐居于重要地位。

台达的每次转型既踩在了时代的节拍上，又似乎水到渠成，而背后则是以“求变”的思维，积极探索电力电子核心技术的前瞻应用，为节能减碳、布局未来做好准备。

在李泽元看来，当看到一个新趋势出现的时候，企业的应变能力够不够快，愿不愿意走出“舒适区”，去探索一些新东西，这很关键。在此之前，需要有相当长的一段时间做准备，十年、二十年都不算短。

本文仅代表作者观点，不代表本刊立场。

现代电力电子技术实验装置

DBC-2 现代电力电子技术实验装置

一、概述　　DBC-2 现代电力电子技术实验装置是依据西安交通大学王兆安编著的《电力电子技术》（第五版）、《半导体变流技术》教材实验大纲的要求，吸收国内、外同类产品的优点，充分考虑了实验室的现状和发展趋势，精心研制而成。

(此图片仅作为结构参考，具体实物要根据配置而定）

二、适用范围　　现代电力电子技术实验装置涵盖了各类院校所开设的"电力电子技术"、"半导体变流技术"等专业课程所要求的实验项目。三、技术性能　　1、输入电源: 三相四线(或三相五线 380V±10％ 50HZ)　　2、工作环境: 温度-10℃－+40℃　相对湿度＜85％（25℃）　海拨＜4000m　　3、装置容量：＜1000W4、外形尺寸：1700×700×1580 mm四、装置的基本装备1、DX01电源控制屏（铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板）　　（1）交流电源（带有过流保护措施）提供交流电源：三相交流电源220V/1.5A,经过380V//220V 隔离变压器输出)　　（2）高压直流电源：输出220V/0.5A，具有输出短路保护。　　（3）数字式仪表　　①．交流数字电压表：可通过其下方的波段开关切换指示三相电网输入线电压，精度1.0级；　　②．真有效值交流数字电压表一只：测量范围0～500V，量程自动判断、自动切换，精度0.5级，三位半数显，为交流调速系统提供电压指示。　　③．真有效值交流数字电流表一只：测量范围0～5A，量程自动判断、自动切换，精度0.5级，三位半数显，为调速系统提供电流的指示；　　④．直流数字电压表一只：测量范围0～500V，三位半数显，输入阻抗为10MΩ，精度0.5级；　　⑤．直流数字电流表一只：测量范围0～5A，三位半数显，精度0.5级，具有短路保护等功能。　　（4）带镜面的指针表：直流电压表（测量范围0～±300V，为中零式，精度为1.0级）直流电流表（测量范围0～±2A，为中零式，精度为1.0级）　　（5）三相可调电阻（90Ω×2/0.41A一个 、900Ω×2/0.41A两个）　　（6）平波电抗器：提供100mH、200mH、700mH电感，在1A下保持线性。　　（7）给定：±15V可调电压输出，带数显，指示输出电压。　　（8）单相调压：提供了一只0～250V/0.5KVA单相交流自耦调压器，为相应的实验提供可调交流电源，并带短路保护。（9）三相整流滤波电路：可对单相及三相交流电源进行整流和滤波，具有输出短路保护。　　（10）变压器：提供三相芯式变压器一个（该变压器有2套副边绕组，原、副边绕组的电压为127V/63.6V/31.8V），用于三相桥式、单相桥式有源逆变电路实验。　　（11）人身安全保护体系 三相隔离变压器一组：三相电源首先通过三相漏电保护器，然后经钥匙开关、接触器到隔离变压器，使主电路输出与电网隔离（浮地设计），对人身安全起到一定的保护作用。　　电流型漏电保护装置：控制屏若有漏电现象，漏电流超过一定值，即切断电源。实验连接线及插座：强、弱电连接及插座分开，不能混插。强电连接线及插座采用全封闭工艺，使用安全、可靠、防触电。　　（12）控制屏其它设施 控制屏正面大凹槽内，设有两根钢管，可挂置实验部件，凹槽底部设3芯插座， 挂件的供电由这些插座提供。控制屏两侧设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座。2、DX02实验桌　　实验桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，形状似长方体结构，造形美观大方；设有两个大抽屉，用于放置工具、存放挂件及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。实验桌还设有四个万向轮和四个固定调节机构，便于移动和固定，有利于实验室的布局。3、DX03 三相可控整流电路（一）　　提供6只5A/1000V的晶闸管，每只晶闸管均设有RC吸收和保险丝保护装置，晶闸管可通过外加触发信号进行触发（留有触发脉冲输入接口），可更好的完成设计性实验。 三相触发电路由KC04、KC41、KC42、4066等集成电路组成，可通过钮子开关选择双窄脉冲或宽脉冲，同时提供六路触发脉冲功放电路等。4、DK05晶闸管触发电路　　提供单结晶体管触发电路实验、单相交流调压触发电路，锯齿波同步移相触发电路实验，正弦波触发电路及TCA785集成触发电路。5、DK07直流斩波实验根据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》(第五版)中相关的直流斩波内容而设计的；提供组成直流斩波电路所需的元器件和采用专用的PWM控制集成电路SG3525。可完成教材中降压斩波电路（Buck Chopper）、升压斩波电路（Boost Chopper）、升降压斩波电路（Boost -Buck Chopper）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路六种典型实验。6、DK09新器件特性实验提供SCR、MOSFET、IGBT、GTO 、GTR新器件，与给定模块配套使用，可测定其特性曲线。7、DK13功率器件驱动与保护电路　　主要是为完成新器件特性实验提供电源、驱动电路及PWM波形发生器。　　（1）电源：为驱动电路提供电源，包括±5V、±15V和+20V直流电源。　　（2）驱动电路：包括 MOSFET和IGBT的驱动电路。其中IGBT的驱动电路采用专用芯片EXB841，其它的由运放、门电路及分立元件组成。　　（3）PWM波形发生器：以SG3525为核心的PWM波形发生器主要是为新器件驱动电路提供PWM驱动波形，可以通过频率调节旋钮进行频率调节；通过占空比电位器来调节PWM波的占空比。频率范围分为2挡，通过钮子开关切换，高频档是为MOSFET和IGBT驱动电路提供PWM波形，频率调节范围4KHz～10KHz；低频档是为GTR和GTO驱动电路提供PWM波形，频率调节范围400Hz～1KHz；占空比可从　0%调至100%。8、DK14单相交直交变频原理　　根据普通高等教育"九五"国家级重点教材王兆安，黄俊主编的《电力电子技术》（第四版）的内容进行开发。用于展示交直交变频原理，主要让学生了解SPWM正弦波脉宽调制信号的形成方法，了解IGBT管专用集成驱动芯片的特点及其使用，能完成如下实验项目：　　1）SPWM波形成的过程；　　2）交直交变频电路在不同负载（电阻，电感）时的工作情况和波形，并研究工作频率对电路工作波形的影响；　　3）IGBT管专用集成驱动芯片的工作特性。9、DK17双闭环H桥DC/DC变换直流脉宽调速系统通过对四个桥臂上IGBT管的触发控制，来实现对可逆直流他励电机进行调速的目的，主要由三大部分组成，即主回路部分、控制电路部分和调节部分。主回路由直流电源、四种IGBT管组成；控制回路部分由专用芯片产生PWM脉冲波，PWM波脉冲发生器产生的四路控制脉冲，分别驱动四个桥臂的IGBT管；调节部分由两个PI调节器组成，并通过速度环、电流环构成的反馈回路使电机的转速稳定运行在给定的转速下。本实验挂件可完成的实验项目有：（1）全桥DC/DC 变换电路实验（2）双闭环可逆直流脉宽调速实验。10、DK19半桥型开关稳压电源　　提供了半桥型开关稳压电源的主电路和控制电路，主电路的电力电子器件为电力MOSFET管；控制电路采用专用PWM控制集成电路SG3525，采用恒频脉宽调制控制方案。可完成"开关电路在开环与闭环下负载特性的测试"以及"电源电压波动对输出的影响"等实验内容。11、DX17实验元器件　　提供晶闸管（均设有RC吸收和保险丝保护）、压敏电阻（作为过压保护元件，内部已连成三角形接法）二极管及灯座、RC吸收电路。12、DK21斩控式交流调压电路根据西安交通大学王兆安教授和黄俊教授主编的《电力电子技术》（第五版）相关内容而设计，采用全控型器件 IGBT 管实现 “ 斩控式交流调压实验 ” 。13、DX03-1 三相可控整流电路（二）提供6只5A/1000V的晶闸管，每只晶闸管均设有RC吸收和保险丝保护装置，晶闸管可通过外加触发信号进行触发（留有触发脉冲输入接口），可更好的完成设计性实验。 三相触发电路由专用晶闸管新型集成触发电路Tc787组成，体现了现代晶闸管触发技术的最新应用；同时提供六路触发脉冲功放电路等。14、DQ07-1直流发电机（DC220V，240W）15、DQ09直流并励电动机 （DC220V，185W）16、DQ03-1 固定电机导轨、测速系统及数显转速表17、实验连接线：根据不同实验项目的特点，配备两种不同的实验联接线，强电部分采用高可靠护套结构手枪插连接线（不存在任何触电的可能），里面采用无氧铜抽丝而成头发丝般细的多股线，达到超软目的，外包丁晴聚氯乙烯绝缘层，具有柔软、耐压高、强度大、防硬化、韧性好等优点，插头采用实芯铜质件外套铍轻铜弹片，接触安全可靠；弱电部分采用弹性铍轻铜裸露结构联接线，两种导线都只能配合相应内孔的插座，这样大大提高了实验的安全及合理性。18、★配套电力电子多媒体课件适应所有的教材，内容丰富并可随意调取。合理地运用多媒体课件教学系统，可以很大程度上减轻老师讲课的工作量。(包含以下内容):第1章 电力电子技术概述第2章 电力电子器件概述第3章 晶闸管的结构及导通关断原理第4章 晶闸管的特性与主要参数第5章 晶闸管的测试第6章 晶闸管的导通与关断实验第7章 触发电路的要求及简易触发电路第8章 单结晶体管的结构、伏安特性与主要参数第9章 单结晶体管触发电路第10章 单相半波可控整流电路电阻性负载的结构与工作原理第11章 单相半波可控整流电路电感性负载的工作原理第12章 单相桥式全控整流电路电阻性负载工作原理及主要参数计算第13章 单相桥式全控整流电路电感性负载工作原理及主要参数计算第14章 单相桥式全控整流电路反电动势负载工作原理及主要参数计算第15章 有源逆变的工作原理第16章 逆变失败与逆变角的限制第17章 单相桥式半控整流电路电阻性负载工作原理及主要参数计算第18章 单相桥式半控整流电路电感性负载工作原理及主要参数计算第19章 SS6B电力机车牵引电动机主电路第20章 双向晶闸管的结构与工作原理第21章 双向晶闸管的主要参数第22章 双向晶闸管的测试第23章 双向晶闸管触发电路第24章 单相交流调压电路第25章 GTO（可关断晶闸管）的结构与工作原理第26章 GTR（大功率晶闸管）的结构、特性与工作原理第27章 IGBT（绝缘栅极晶体管）的结构、特性与工作原理第28章 DC-DC电路（直流斩波电路）的基本工作原理及降压斩波电路第29章 升压斩波电路与升降压斩波电路第30章 直流斩波（开关电源）电路实验第31章 感应加热的原理与发展历史及中频感应加热电源的用途第32章 中频感应加热电源的组成第33章 三相半波可控整流电路电阻性负载工作原理及参数计算第34章 三相半波可控整流电路大电感负载工作原理及参数计算第35章 三相桥式全控整流电路电阻性负载工作原理及参数计算第36章 三相桥式全控整流电路大电感负载工作原理及参数计算第37章 锯齿波同步触发电路的组成与工作原理第38章 锯齿波同步触发电路调试第39章 无源逆变电路的基本工作原理及换流方式第40章 电压型和电流型逆变器电路第41章 单相并联逆变电路调试第42章 变频器的用途与基本结构第43章 变频器主电路结构第44章 单相桥式PWM逆变电路工作原理第45章 三相桥式PWM变频电路的工作原理第46章 PWM变频电路的调制控制方式第47章 单相正弦波脉宽调制SPWM逆变电路调试五、本装置能开设的实验项目（以上配置）（一）晶闸管触发电路实验项目1）单结晶体管触发电路2）正弦波同步移相触发电路实验3）锯齿波同步移相触发电路实验4）单相集成锯齿波触发电路实验（由 Tca785 组成）5）三相集成锯齿波触发电路实验（由 KC04/KC09 等组成）（二）晶闸管线路实验项目1）单相半波可控整流电路实验2）单相桥式半控整流电路实验3）单相桥式全控整流及有源逆变电路实验4）三相半波可控整流电路实验5）三相桥式半控整流电路实验6）三相半波有源逆变电路实验7）三相桥式全控整流及有源逆变电路实验8）单相交流调压电路实验9）三相交流调压电路实验（三）电力电子器件特性及驱动保护实验项目1）单向晶闸管（ SCR ）特性实验2）可关断晶闸管（GTO）特性实验3）功率场效应管（MOSFET）特性实验4）功率晶体管（GTR ）特性实验5）绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验6）可关断晶闸管（GTO）驱动与保护电路实验7）功率场效应管（MOSFET）驱动与保护电路实验8）功率晶体管（GTR）驱动与保护电路实验9）绝缘双极性晶体管（IGBT）驱动与保护电路实验（四）典型新器件线路实验1）单相正弦波脉宽调制（ SPWM ）逆变电路实验2）半桥型开关稳压电源的性能研究3）直流斩波电路的性能研究（降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波的电路、 Cuｋ斩波电路、 Sepic 斩波电路、 Zeta 斩波电路）4）斩控式交流调压电路5）DC/DC变换电路（五）直流电机的双闭环调速系统1）直流电机的开环调速系统（三相全控桥SCR）2）直流电机的双闭环可逆脉宽调速系统（PWM/IGBT）

来源：https://www.aiav.com.cn/dldz/DBC-2.html

相关问答

这个是具有一定的学习难度的,但通过系统的学习和实践,可以掌握相关知识,电力电子技术涉及电力电子器件的制造技术和变流技术这个是具有一定的学习难度的,但通...

[最佳回答]1、处理对象为高电压,大电流,强功率.2、处理的内容为电能的相关转换,包括AC-DC转换,AC-AC转换,DC-DC转换和DC-AC转换.3、处理的方式采用弱点控制强...

[最佳回答]电力电子技术应用领域很广泛,经常都是用弱点控制强电或者各种机器,比如说降压斩波电路可以拖动直流电动机,升压斩波电路可以传动直流电机.交流调功...

您好,电力电子和电力传动在现代工业和生活中发挥着重要作用。电力电子技术可以高效地控制电力系统中的电压、电流和功率,提高能源转换效率、增强系统稳定性、...

因为电子电力是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术,它是工业随着计算机应用技术在电力系统中不断发展和普及化,对于电力电子技术的重视曾在各种高质量,高效...

前景不错电力电子技术是一门新兴技术,它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而成的,已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课,在培养...

电力电子技术主要应用(根据适用场合分类):石油、煤炭等开采行业电控设备:2.电动汽车领域:《电力电子技术》是我国唯一的国家级电力电子刊物,也是电力电子...

电子技术是根据电子学的原理,运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学,包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。信息电子技术包括...

主要学习内容包括:数电,模电,电路,自控,电机学,电力拖动,电力电子技术,计算机仿真技术基础等等。1、效变换与均衡技术,有限能源电驱动系统基础,组网理...2、...

楼主说的是设备,那就说说基于电力电子技术的设备。一、开关电源开关电源应用非常广泛,比如你笔记本电脑的充电器,电动车充电器,还有一些监控摄像头...楼主...