1.1 电力电子装置概述

世界各国发展依赖的能源、交通、通信、军事等都需要以电力电子技术为核心的高品质电源。据统计，全球70%的电能都要经过电力电子装置变换处理后才可供负载使用（我国约50%）。根据我国“3060碳达峰、碳中和”目标，到2060年我国总发电量至少50%将来自经由电力电子装置的新能源。可见，电力电子装置将在电能的生产和消费环节占据主导地位。

电力电子装置是以满足发电要求和（或）用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合适的电路拓扑和控制策略，辅以无源元件对电能进行高效变换和高性能控制的装置；是将一种形式的电能转化为另一种形式的电能，如图1.1所示，常用的电能形式有交流（AC）、直流（DC）等，可以实现交流到直流、直流到直流、直流到交流、交流到交流四种形式的变换。

图1.2为国电南瑞科技股份有限公司开发的全国产化6MW海上风电变流器装置图片，主要包括功率单元、控制单元、散热单元、滤波部件、隔离开关、机箱、人机接口等部分。

1.1.1 功率单元

功率单元可以看作电力电子装置的骨骼和肌肉。它利用功率半导体器件的开关动作实现电能变换，并借助无源滤波元件得到高质量的输出电压或电流，电力供负载使用或消纳，具体使用的变换电路和工作方式将在本书的第2～5章详细介绍。图1.3a、b和c分别为电压源型功率变换电路用半导体功率模组（含直流母线电容、汇流排、半导体开关等）、交流滤波电感和交流滤波电容的示意图，是电能流经的主要部件，其运行效率、可靠性和成本决定了电力电子装置的效率、寿命和售价。

1.1.2 控制单元

控制单元可以看作电力电子装置的大脑。在早期主要由模拟电路构成，功能单一且不利于调试、移植和升级；现代电力电子装置的控制单元主要基于数字信号处理（Digital Signal Processor, DSP）芯片、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）芯片等构成，如图1.4a所示。根据电力电子装置的复杂程度和运算量的大小，可以选择不同算力配置的控制单元，外观分别如图1.4b和图1.4c所示。

一般来讲，控制单元需要采样获取电路电气量的状态，利用各种控制算法对电力电子装置的电气量进行调控，并转化为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）信号对功率半导体器件进行开关控制以实现电力输出的精准控制。

1.1.3 散热单元

散热单元可以看作电力电子装置的皮肤，负责将功率单元和控制单元工作产生的热量散入大气环境中以免受损，特别要注意的是避免功率半导体器件的热损坏。根据功率器件损耗的大小和对电力电子装置功率密度的不同要求，散热单元可以有如图1.5所示的不同选择。当功率器件总损耗不大且对装置体积（功率密度）要求不高时可以选择图1.5a所示的插片散热器，将半导体功率器件贴装在散热器的光洁平面即可；当功率器件总损耗较大且对装置体积有一定要求时可以选择如图1.5b所示的风冷散热模块，可以大幅提高散热效率，这种情况常用于新能源发电系统；而当功率器件总损耗较大且对装置体积有苛刻要求时必须选择如图1.5c所示的水（液）冷散热模块，实现电力电子装置的高功率密度，这种情况常用于运载系统。

1.1.4 机箱

机箱可以看作电力电子装置的衣服，负责对电力电子装置进行保护和美化，可以起到固定支撑、便于运输安装，并且有防水、防灰、防盐雾、便于电气隔离等作用。根据电力电子装置的功率等级、防护要求等可以有不同的机箱选择，如图1.6所示。对于小功率电源，如台式计算机电源，可选择如图1.6a所示的简易金属机壳；对于中等功率电力电子装置，如分布式光伏并网逆变器，可以选择如图1.6b所示的防水等级为IP65的机箱；对于大功率电力电子装置，如工业用中压变频器可以选择如图1.6c所示的机柜。

除了图1.6所示的电源机箱外，还有大量的个性化和专门化设计的机箱，如用于手机和便携式计算机的充电器外壳、用于大型储能变流器的集装箱式机柜等。

1.1.5 人机接口

人机接口可以看作电力电子装置的五官，负责与外界（包括人和设备）的信息交流，如调试人员可以通过人机接口对电力电子装置的运行模式进行设置、对故障信息进行读取、对控制算法进行升级等；现场运维人员可以查看设备运行状态和数据、获得报警信息等；上层管理系统可通过通信媒介获取装置状态和下达运行调度指令。

图1.7a所示为交流不停电电源（Uninterrupted Power Supply, UPS）机箱上的液晶显示界面，可以清楚地得知交流电网电压、输出交流电压、电池电压等关键实时信息；图1.7b所示为光伏发电系统的监控界面，可以呈现各个时间刻度的发电量、逆变器效率、综合效率、等效减排效果等数据。