電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用探究

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 劉增金

1.電力電子技術(shù)的發(fā)展

自上個世紀(jì)五十年代末第一只晶閘管問世以來，電力電子技術(shù)開始登上現(xiàn)代電氣傳動技術(shù)舞臺。以晶閘管為基礎(chǔ)開發(fā)的可控硅整流裝置，讓電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和靜止離子變流器進(jìn)入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，是電氣傳動史上的一次革命。隨著電力電子技術(shù)理論研究與制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件的功能與應(yīng)用迅速在得發(fā)展，先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，隨著電力電子技術(shù)在更多新領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展表明電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。

1.1 晶閘管整流時代

大功率的工業(yè)用電由工頻（50Hz）交流發(fā)電機(jī)來提供的，在應(yīng)用過程中，大約有20%的電能是以直流形式消費(fèi)的，譬如電解（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機(jī)車、電傳動的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無軌電車等）、直流傳動（軋鋼、造紙等）等幾大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率的把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，在上世紀(jì)六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用快速發(fā)展。國內(nèi)曾經(jīng)掀起了各地大辦硅整流器廠的熱潮，當(dāng)前我國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家大多是那個時代建設(shè)的。這一時期稱之為電力電子技術(shù)的晶閘管時代。

1.2 電力電子技術(shù)的逆變時代

上世紀(jì)70年代后，隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了逆變時代。當(dāng)時的世界范圍的能源危機(jī)，讓交流電機(jī)變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而得到了迅猛發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?～100Hz的交流電，大功率逆變用的晶閘管以及巨型功率晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GT0）很快成為當(dāng)時電力電子器件的主要角色。雖然這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變的功能，但僅局限在中低頻范圍內(nèi)，工作頻率相對較低。

1.3 現(xiàn)代電力電子變頻器時代

上世紀(jì)八十年代后，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，為電力電子技術(shù)的快速發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合應(yīng)用。以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件以及以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)正在向高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)轉(zhuǎn)變。這種現(xiàn)象表明，傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子變頻器時代。這一時期，各種新型器件應(yīng)用大規(guī)模集成電路技術(shù)，向復(fù)合化、模塊化的方向發(fā)展，讓電力電子器件結(jié)構(gòu)緊湊、體積縮小，同時能夠綜合不同器件的優(yōu)點(diǎn)。這些新型器件的發(fā)展，為交流電機(jī)變頻調(diào)速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，同時使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展，為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能、實(shí)現(xiàn)小型輕量化、機(jī)電一體化和智能化打下了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.電力電子的技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。世界上一些先進(jìn)工業(yè)國家正處于由“工業(yè)經(jīng)濟(jì)”模式向“信息經(jīng)濟(jì)”模式轉(zhuǎn)變的時期，而電力電子技術(shù)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、支持高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁紐帶，近些年來，隨著新型器件的開發(fā)與性能的改善與提高，更多高性能的電力變流裝置已經(jīng)被廣泛使用。這不僅促進(jìn)了電力電子學(xué)自身的發(fā)展，而且影響著半導(dǎo)體材料技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息傳遞與處理技術(shù)及電路拓?fù)浼夹g(shù)的進(jìn)步。因此，電力電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為一門有著廣闊應(yīng)用前景，發(fā)展方興未艾的技術(shù)，在國民經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要。

2.1 電力電子技術(shù)在再生能源發(fā)電中的應(yīng)用

當(dāng)前世界的能源結(jié)構(gòu)，仍是以資源有限、污染嚴(yán)重的化石燃料為主要電力能源，但清潔干凈的可再生能源如太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、燃料電池等再生能源也開始進(jìn)入快速發(fā)展時期。這些新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限的優(yōu)勢正在迅速推廣使用。據(jù)有關(guān)資料預(yù)測，到2060年，世界電力能源消耗的一半將來源于可再生能源發(fā)電。

在可再生資源中，風(fēng)能是最重要的組成部分。全球風(fēng)能資源豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球風(fēng)能潛力能占到當(dāng)前全球用電量的5倍之多。同時，利用風(fēng)能發(fā)電無污染，能降低全球二氧化碳排放量歐洲，再次，風(fēng)能發(fā)電施工占地少，周期短，投資靈活，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，在風(fēng)力發(fā)電中的得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為結(jié)合了先進(jìn)的空氣動力學(xué)、機(jī)械制造、電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)的高科技產(chǎn)品，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分就是高科技的電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)對于風(fēng)電機(jī)組的控制、電能的轉(zhuǎn)換、電能質(zhì)量的改善等都至關(guān)重要。

水能和太陽能也是可再生能源中重要組成部分。當(dāng)前，我國的水電蘊(yùn)藏大約為6.67億千瓦，能開發(fā)的大約為3.78億千瓦，但我國目前的水電年發(fā)電量僅為19200億千瓦時，開發(fā)潛力還很大。水能發(fā)電由于具有豐水期和枯水期，發(fā)電機(jī)組的最佳速度也要有不同變化。因此，發(fā)電運(yùn)行時，需要將傳統(tǒng)的直流勵磁改成超低頻可變頻交流勵磁，用勵磁頻率的變化彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的非穩(wěn)定變化，以保持當(dāng)枯水期水頭下降時，水力發(fā)電機(jī)能持續(xù)發(fā)電。這需要現(xiàn)代電力電子技術(shù)來完成。太陽能光伏發(fā)電則給世界能源界注入了一股新鮮的力量，太陽能資源也是十分豐富，而大功率太陽能發(fā)電，不管使用獨(dú)立或并網(wǎng)的系統(tǒng)，都需要利用最大功率跟蹤功能的逆變器將太陽能陣列發(fā)電的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，這更需要現(xiàn)代電力電子技術(shù)來完成。

2.2 電力電子技術(shù)在電力節(jié)能中的應(yīng)用

當(dāng)前，現(xiàn)代工業(yè)能源與電力相結(jié)合的越來越密切，電力正以清潔、穩(wěn)定、利用率高以及適用范圍廣的眾多優(yōu)點(diǎn)，已在現(xiàn)代工業(yè)的各個方面得到廣泛利用，電能已是現(xiàn)代工業(yè)的動力之源與能量之泉。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，近幾年來，我國的工業(yè)用電總量正以每年15.9%的速度猛增，然而在很多發(fā)展中國家，工業(yè)用電還不夠合理，特別是在用電效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重。在世界化石能源日益枯竭的今天，降低電能消耗對于解決能源問題意義重大，而提高電源效率、降低電源消耗的根本途徑就是運(yùn)用現(xiàn)代化電力電子技術(shù)來提高效率，優(yōu)化性能，還節(jié)約原材料。電力電子技術(shù)對世界的能源安全有著至關(guān)重要的作用。

2.3 電力電子技術(shù)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的連接紐帶，是機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)的重要媒介，電力電子技術(shù)為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件。在電力電子技術(shù)的應(yīng)用中，在傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)中，許多勞動強(qiáng)度大、勞動環(huán)境惡劣的工作環(huán)境，通過工業(yè)控制系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)化為勞動力，把工人們從落后的勞動車間帶入到現(xiàn)代化的智能工作室，大大提高了勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了人力資源。解決了企業(yè)的眾多安全與環(huán)境問題。

2.4 電力電子技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用

電力電子技術(shù)不但在現(xiàn)代工業(yè)制成品得到廣泛應(yīng)用，也給人們的衣食住行中帶來的極大的方便。電力電子控制學(xué)讓人們從繁雜的家務(wù)勞動中解放出來：譬如洗衣服只需要把衣服放進(jìn)洗衣機(jī)，再按下按鈕，有空就可以拿出干凈的衣服；洗碗機(jī)能快速將油乎乎的餐具洗凈，同時，電力電子變頻技術(shù)使得家用電器既方便又節(jié)能，變速空調(diào)和變速熱泵能夠節(jié)約30%的電能，高頻熒光燈比白熾燈效率高2-3倍。

3.結(jié)束語

總之，電力電子技術(shù)是一個較年輕但極具發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)。是智力、信息、知識密集型的技術(shù)，有非常高的實(shí)用性，應(yīng)用范圍非常的廣，每個用電產(chǎn)品幾乎都可以牽涉到電力電子技術(shù)，同時電力電子技術(shù)可以達(dá)到高效節(jié)能的目的。這個行業(yè)也必將進(jìn)一步得到發(fā)展，必將節(jié)省更多的能源，為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)，成為國民經(jīng)濟(jì)中的一個重要產(chǎn)業(yè)。

[1] 王云亮.電力電子技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2004.

[2] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[3] 諾克斯維爾B.K.博斯.電力電子和電機(jī)傳動的最新進(jìn)展[J].電力電子,2005(6).

[4] 楊慧穎等.風(fēng)力發(fā)電中電力電子技術(shù)的應(yīng)用[J].2005.

[5] 張國君,王學(xué)禮.現(xiàn)代電力電子及電源技術(shù)的發(fā)展[J].2005.

[6] 楊敏利.我國電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化模式選擇與戰(zhàn)略分析[J].

[7] 林渭勛.淺談半導(dǎo)體高頻電力電子技術(shù)[A].電力電子技術(shù)選編[M].浙江大學(xué),1992:384-390.

[8] 季幼章.迎接知識經(jīng)濟(jì)時代,發(fā)展電源技術(shù)應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用,l998,2.

[9] 葉治正,葉靖國.開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].高等教育出版社,1998.