電力電子技術的應用

紀琳

【摘 要】本文簡單闡述了電力電子技術的發(fā)展，主要介紹了電力電子技術在電力系統(tǒng)、汽車工業(yè)、光伏發(fā)電領域等方面的應用。

【關鍵詞】電力電子技術；應用

0.引言

電力電子技術是一個以功率半導體器件、電路技術、計算機技術、現(xiàn)代控制技術為支撐的技術平臺。經(jīng)過50年的發(fā)展歷程， 電力電子技術已迅速發(fā)展成為一門獨立的技術、學科領域。它的應用領域幾乎涉及到國民經(jīng)濟的每個工業(yè)。尤其是進入21世紀，隨著新的理論、器件、技術的不斷涌現(xiàn)，特別是與微電子技術的日益融合，電力電子技術的應用領域也必將不斷地得以拓展，它將成為新世紀的關鍵支撐技術之一。電力電子技術擁有許多微電子技術所具有的特征，比如發(fā)展迅速、滲透力強、生命力旺盛，并且能與其它學科相互融合和相互發(fā)展。

1.電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用

自20世紀80年代，柔性交流輸電（FACTS）概念被提出后，電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究得到了極大的關注，多種設備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的基本原理和應用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié)，列舉電力電子技術的應用研究和現(xiàn)狀。

1.1在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應用

電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機組的多種設備，電力電子技術的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。

靜止勵磁采用晶閘管整流自并勵方式，具有結構簡單、可靠性高及造價低等優(yōu)點，被世界各大電力系統(tǒng)廣泛采用。由于省去了勵磁機這個中間慣性環(huán)節(jié)，因而具有其特有的快速性調(diào)節(jié)，給先進的控制規(guī)律提供了充分發(fā)揮作用并產(chǎn)生良好控制效果的有利條件。

變速恒頻勵磁廣泛應用于水力、風力發(fā)電機。在水力和風力發(fā)電過程中，為了獲得最大有效功率，使水力和風力發(fā)電機組變速運行，主要通過調(diào)整轉子勵磁電流的頻率，使其與轉子轉速疊加后保持定子頻率即輸出頻率恒定。此項應用的技術核心是變頻電源。

發(fā)電廠風機水泵的變頻調(diào)速。風機水泵耗電量約占火電設備總耗電量的65%，且運行效率較低。使用低壓或高壓變頻器，實施風機水泵的變頻調(diào)速，可以達到節(jié)能的目的。低壓變頻器技術已非常成熟，國內(nèi)外有許多的生產(chǎn)廠家，無完整的系列產(chǎn)品，但具備高壓大容量變頻器設計和生產(chǎn)能力的企業(yè)較少，目前，國內(nèi)不少院校和企業(yè)正在抓緊時間搞聯(lián)合研發(fā)。

1.2在輸電環(huán)節(jié)的應用

電力電子元器件應用于高壓輸電系統(tǒng)被稱為“硅片引起的第二次革命”，大幅度改善了電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行特性。在輸電環(huán)節(jié)中應用的技術主要有直流輸電（HVDC）和輕犁直流輸電（HVDC Light）技術以及柔性交流輸電（FACTS）技術，其中柔性交流輸電技術應用尤為重要。

FACTS技術的概念問世于20世紀80年代，它是一項基于電力電子技術與現(xiàn)代控制技術對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術，可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，從而大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。 近年來柔性交流輸電技術在世界上發(fā)展迅速，并將FACTS技術用于實際電力系統(tǒng)工程。

1.3在配電環(huán)節(jié)中的應用

配電系統(tǒng)亟待需要解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質(zhì)量。電能質(zhì)量控制不僅要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾。電力電子技術和現(xiàn)代控制技術在配電系統(tǒng)中的應用，即為用戶電力技術或稱DFACTS技術，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發(fā)展起來的電能質(zhì)量控制新技術?？梢詫FACTS設備理解為FACTS設備的壓縮版，其原理、結構均相同，功能也相似。潛在需求量大，市場介入較容易，研發(fā)投入和生產(chǎn)成本較低，隨著電力電子元器件價格不斷降低，可預期DFACTS設備產(chǎn)品將進入快速發(fā)展期。

1.4在節(jié)能環(huán)節(jié)的運用

1.4.1變負荷電動機調(diào)速運行

要想使電動機節(jié)電較完善，必須將本身挖掘節(jié)電潛力節(jié)電和通過變負荷電動機的調(diào)速技術節(jié)電二者結合起來。目前，交流調(diào)速主要廣泛應用于冶金、礦山等部門及社會生活中，如：風機、泵類等變負荷機械中采用調(diào)速控制代替擋風板或節(jié)流閥控制風流量和水流量具有顯著的效果。國外變負荷的風機、水泵大多采用了交流調(diào)速，我國正在推廣應用中。

1.4.2減少無功損耗，提高功率因數(shù)

在電氣設備中，變壓器和交流異步電動機等都屬于感性負載，這些設備在運行時不僅消耗有功功率，而且還消耗無功功率。因此，無功電源與有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的主要部分。在電力系統(tǒng)中應保持無功平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓降低 ，設備損壞，功率因數(shù)減少，嚴重時將引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故。所以，當電力網(wǎng)或電氣設備無功容量不足時，應增加無功補償設備，以提高設備功率因數(shù)。

2.電力電子技術在汽車工業(yè)中的應用

作為汽車用電源，在原來14V、28V基礎上，現(xiàn)又增加了新的42V系列，且還出現(xiàn)了混合動力源電動車（HEV）等288V的驅動電壓（典型值），形成了多種電源并存的局面。使用這些電源來實現(xiàn)汽車的各種功能，就必須利用所謂的電力電子技術。如：回波（echo）技術，藉能量管理或功率管理的最佳化，高可靠性，利用線控（x-by-wire）裝置的電子控制系統(tǒng)等都是非常需要的。這些電力電子裝置與原來的裝置比較，由于電力電子技術導致了“響應性好”、“軟控制的靈活性”、“小型輕量化的操控”、“高的效率”等一系列優(yōu)越的性能，尤其是從各類照明、指示燈、雨刷（刮水器）、電動窗等1kW以下的輕負載到數(shù)十kW功率級的電力驅動，功率都不斷增大。利用電動機、逆變器或交流變換器等電力電子裝置的性能，大幅度提升了汽車的動力性能。

在汽車工業(yè)的應用主要有：利用電子開關替代傳統(tǒng)的機械開關以及繼電器；無觸點點火、燃油電子噴射；電子動力轉向、電子自動變速器；對原有的直流電源系統(tǒng)進行改造；對水泵、動力轉向、懸架等進行電子監(jiān)控。

3.電力電子技術在光伏發(fā)電中的應用

光伏發(fā)電技術是可再生的新能源重要組成部分，可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級電站，小到玩具。光伏電源無處不在。到2040年可再生能源將占光能耗得50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上。到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)據(jù)說明光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域的重要戰(zhàn)略地位。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，儲存電能的蓄電池，充放電控制器、逆變器、并網(wǎng)控制、無功補償，電控柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設備組成。其中除了太陽能電池，其它部分都需要電力電子技術支持。

4.結束語

總而言之，電力電子技術是智力、信息、知識密集型技術，也是我國經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展項目之一，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展，特別是電子工業(yè)發(fā)展將具有一定價值。

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