水轮发电机励磁系统的新型电力电子器件应用研究

摘要：水轮发电机励磁系统的作用是向发电机提供满足要求的交流励磁电压，其性能对水轮发电机组安全稳定运行起着至关重要的作用。随着现代电力系统容量越来越大，电网中非线性负载越来越多，对励磁系统的性能要求越来越高。由于水轮发电机励磁系统具有体积大、重量重、造价高、操作维护不便等缺点，很难满足现代电力系统发展对励磁系统提出的更高要求。 近年来，随着电力电子技术、微机技术和控制技术的发展，许多新型电力电子器件得到了广泛应用。

关键词：水轮发电机；励磁系统；新型电力；电子器件

引言：

电力系统的规模和容量不断增大，电网中非线性负载越来越多，对励磁系统的要求也越来越高。传统的励磁系统因其结构复杂、体积大、重量重、造价高，难以满足现代电力系统发展要求，而新型电力电子器件和微机控制技术的发展为解决上述问题提供了新的思路。

一、器件的材料和结构创新

随着电力电子技术的发展，对功率器件的要求越来越高。传统的硅钢片由于其限制，已经无法满足这些高要求。因此，超结（Ultra-Capacitor）器件逐渐成为替代品。超结器件在硅钢片上集成了许多晶体管和二极管，使得硅钢片的厚度可以减少到很薄，不到1微米。目前，超结器件主要有两种形式：平面超结器件和立体超结器。平面超结器件以其高集成度、小体积、良好的散热性能和较高的可靠性而受到广泛应用，特别是在各种电力电子设备中。然而，由于其技术难度较高，在国内的发展相对较少。立体超结器则以其简单的结构、高可靠性、易于制造等特点而受到青睐，尤其适合于低压大功率应用场合。其工作原理是由多个平面超结二极管和硅钢片组成的三维立体电路，具有较大的高度和宽度。在垂直方向上，平面超结二极管以一定的角度排列，使得器件的体积和重量大大缩小。此外，立体超结器的散热面积仅为传统硅钢片的1/5，因此可以减小器件的厚度。值得一提的是，立体超结器还可以通过改变平面超结二极管的排列方式来调节功率器件内部的电流密度分布。这一点是传统硅钢片无法比拟的，它为不同功率器件间电流密度分布的调节提供了可能性[1]。总的来说，超结器件的出现在很大程度上解决了传统硅钢片在电力电子技术发展中遇到的限制问题。无论是平面超结器件还是立体超结器，它们都具有传统硅钢片所不具备的优势，为电力电子设备的高效、轻便和可靠运行提供了新的解决方案。

二、器件的智能化

电力电子器件的智能化是电力电子技术发展中的一大趋势。它涉及到在电力电子设备中应用微机技术，以实现设备功能的智能化。这一发展趋势与微处理机技术、通信技术、电子控制技术和数字信号处理技术的进步密切相关。随着这些技术的不断发展，电力电子设备正在逐步向智能化方向转型。自适应电力电子器件是智能化的一个重要分支。这类器件以具有学习功能的集成电路为基础，将其嵌入到电力电子器件中。通过检测电压、电流等参数，自适应控制可以实现对器件的自适应调整，使其在无需人工干预的情况下完成各种工作任务。这种技术的应用，大大提高了电力电子设备的自主性和智能化水平。进一步地，智能电力电子器件通过采集各种电气参数并进行分析处理，使器件在运行过程中能够不断适应电力系统的变化，并相应地调整自身参数。这不仅提升了电力电子设备的运行可靠性，还增强了设备的灵活性和适应性。在水轮发电机励磁系统中，自适应电力电子器件的应用尤为重要[2]。目前，已经有多种自适应电力电子器件在水轮发电机励磁系统中得到应用，如智能晶闸管和智能IGBT等。智能晶闸管是一种具有可编程控制能力和自动换相功能的新型电力电子器件，它能够根据不同的运行状态完成各种工作任务。这种器件的应用，使得水轮发电机励磁系统的性能得到了显著提升。总的来说，随着电力电子器件的智能化，水轮发电机励磁系统的运行效率和可靠性得到了显著提高。智能化电力电子器件的应用，使得水轮发电机励磁系统能够更好地适应电力系统的变化，实现更加高效和稳定的电力转换和控制。

三、系统的模块化和集成化

在微机励磁系统中，由于存在大量的开关器件和外围电路，使得整个系统的体积、重量和成本较高，如果采用模块化和集成化，不仅可以大大减小体积和成本，而且可以提高整个系统的可靠性。采用模块化设计，使系统由多个单元模块组成，每个模块可以根据需要配置不同的功能，构成不同功能的控制单元，从而大大简化了励磁系统的设计。模块化励磁控制单元是一个由多个开关器件组成的具有可独立工作和可重新配置的系统。在一个模块中，可能有一个或多个开关器件在电路中处于导通状态。通过将它们进行重新组合来实现各种不同的功能。例如：将两个二极管并联组成一个二极管，可以实现调节励磁电流和频率的功能；将三个二极管并联组成一个二极管，可以实现调节励磁电压和频率的功能；将四个二极管串联组成一个三极管，可以实现调节励磁电流和频率的功能等。对于多模块组合的励磁系统，可以通过更换不同类型和规格的模块来实现不同功能。这种方法在减少设备数量、提高设备可靠性、降低制造成本等方面具有明显优势。

四、高效的电力转换和控制

高效的电力转换和控制是水轮发电机励磁系统的重要技术指标。在这个系统中，关键的挑战之一是实现高效率。传统的水轮发电机励磁系统通常依赖于传统的电力电子器件，这些器件在开关速度、转换效率和功率密度方面存在一定的局限性。然而，随着新型电力电子器件和新材料的使用，这些局限性得到了显著改善。新型电力电子器件，如IGBT和GTR、MOSFET的应用，使得励磁系统在较低的成本下实现了高效率。这些器件具有更高的开关速度和更好的转换效率，从而使得电力转换和控制更为高效。此外，新型电力电子器件还具有更高的功率密度，使得系统可以更加紧凑和轻便。新型电力电子器件和新材料的研究进展迅速，使得大功率开关器件成为可能。这些新型器件利用了半导体材料的新特性，如高击穿电压、低导通电阻等，从而实现了更高的效率和更好的性能。这些新型器件在水轮发电机励磁系统中的应用，进一步提高了系统的运行效率和稳定性。例如，利用半导体材料新特性开发出大功率MOSFET和IGBT，使其在励磁系统中得到了应用。这些器件具有更高的开关速度和更好的转换效率，从而使得电力转换和控制更为高效[3]。此外，新型电力电子器件和新材料的研究还导致了新型IGBT、SiC等器件的开发。这些器件具有更高的击穿电压和更好的热性能，使得系统可以在更高的电压和功率下运行，进一步提高系统的性能和可靠性。综上所述，新型电力电子器件和新材料在水轮发电机励磁系统中的应用，使得电力转换和控制更为高效。这些新型器件具有更高的开关速度、转换效率和功率密度，使得系统可以更加紧凑和轻便。随着研究的不断进展，相信未来水轮发电机励磁系统的效率和稳定性将会进一步提升。

结语：

在水轮发电机励磁系统中，为了提高励磁系统的稳定性和可靠性，需要使用性能更好、可靠性更高的新型电力电子器件，这些新型电力电子器件的应用将会给水轮发电机励磁系统带来很多新的优点。新型电力电子器件在水轮发电机励磁系统中的应用是未来励磁系统发展的一个趋势，也是提高水轮发电机励磁系统性能的重要途径之一。因此，需要广大科技工作者不断探索、创新、研究出更好、更可靠的新型电力电子器件，以满足现代电力系统发展对励磁系统提出的更高要求。

参考文献：

[1]万欣，刘育，李博.水电机组多通道振动信号融合智能工况识别研究[J].制造业自动化，2024，46（03）：134-137.

[2]王建春，陈蓓，张俊，等.大型矿区风力发电机瞬态负序能力研究[J].矿业研究与开发，2024，44（03）：209-214.

[3]李昌友.水轮发电机组检修的关键技术研究[J].模具制造，2023，23（10）：256-258.