電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

朱苑祺

浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,浙江杭州 310023

電力電子技術(shù)是電力電子領(lǐng)域中一門新興電子技術(shù)廣泛應(yīng)用技術(shù)，電力電子技術(shù)是使用一些電力電子類器件進(jìn)行適時(shí)電能控制及電能的變換類的技術(shù)。電力電子技術(shù)變換出的“電力”功率范圍很大，可達(dá)到GW 級(jí)及以上，小到W 級(jí)及以下，電力電子技術(shù)是主要用來電力的變換，近年來電力電子技術(shù)在實(shí)際生活中得到了廣泛應(yīng)用，例如新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、電力牽引。

1 電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力電子學(xué)的發(fā)展歷程表明，電力電子方面某種新器件的問世，會(huì)對(duì)整個(gè)電力電子技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。1946 年晶體管誕生之后，逐步形成了固體電子學(xué)，電力電子學(xué)受此影響逐步發(fā)展建立起來。電力電子技術(shù)相關(guān)裝置和器件的發(fā)展是相輔相成、互相促進(jìn)的。裝置依賴于器件，新的器件出現(xiàn)能開拓許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，做出新的裝置；應(yīng)用中出現(xiàn)的問題又對(duì)器件提出新的要求，推動(dòng)新器件的研制。例如，只有半控型器件時(shí)，它用于整流比較成熟，所制作的整流器性能良好，但用于逆變器便帶來技術(shù)上的復(fù)雜和體積龐大、成本昂貴等問題，而當(dāng)自關(guān)斷型器件出現(xiàn)后，這些問題就比較容易解決。而且新的電力電子器件和變換技術(shù)仍在不斷出現(xiàn)，它們的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛。

2 電力電子技術(shù)的重要作用

電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中正在并將要發(fā)揮越來越重要的作用。

2.1 提高和改善電能質(zhì)量

在現(xiàn)代文明社會(huì)中電力是主要的動(dòng)力源。由電廠發(fā)出送上電網(wǎng)的交流電(稱為市電)一般電壓和頻率穩(wěn)定波形為正弦，但用戶使用的設(shè)備常使電網(wǎng)無功損耗增加；加上一些自然和人為因素，常招致電壓跌落閃變、瞬時(shí)停電等，大量非線性故障負(fù)載的使用，使電網(wǎng)中出現(xiàn)各次有害的諧波波形，使電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，已成為電網(wǎng)的一種公害，而采用由電力電子器件構(gòu)成的各種控制器和補(bǔ)償器則可有效地提高和改善電能質(zhì)量。近年致力研究的柔性交流輸電系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。至于建造經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性均優(yōu)越的直流輸電，將交流變?yōu)橹绷鬟h(yuǎn)距離輸送再變換為交流市電，更是離不開電力電子技術(shù)。

2.2 優(yōu)化電能使用

優(yōu)化電能的處理裝置，力求電能的使用目標(biāo)達(dá)到合理、高效、節(jié)約，實(shí)現(xiàn)電能最佳化發(fā)展。例如，在節(jié)電節(jié)能方面，針對(duì)電力牽引、風(fēng)機(jī)水泵、軋機(jī)冶煉、工業(yè)窯爐、輕工造紙、感應(yīng)加熱、化工電焊等方面的調(diào)查，一般情況下節(jié)能效果可以達(dá)到10%～40%，國家已將許多節(jié)能節(jié)電的項(xiàng)目推廣試用。例如作為與物質(zhì)生產(chǎn)息息相關(guān)、以功率處理為對(duì)象的電力電子技術(shù)正成為緩解人類所面臨的能源危機(jī)、資源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)威脅的重要技術(shù)手段之一。

2.3 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)

特別是電力電子變頻技術(shù)及高頻化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使機(jī)電設(shè)備將傳統(tǒng)的工頻技術(shù)突破，轉(zhuǎn)向高頻化發(fā)展。使機(jī)電設(shè)備體積減小了幾倍甚至幾十倍，趨向高速化響應(yīng)速度，并實(shí)現(xiàn)無噪音方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，提高了全新的用途及功能。

3 電力電子技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用

3.1 新能源發(fā)電

地球上的石油及煤炭?jī)?chǔ)量不斷在減少，環(huán)境污染在加劇，因此生態(tài)平衡的發(fā)展受到破壞。為了進(jìn)一步緩解生態(tài)平衡的局面，當(dāng)今的各國對(duì)新能源的使用引起重視。目前新能源發(fā)電方式不一，例如，風(fēng)能發(fā)電、海水發(fā)電、潮汐發(fā)電、太陽能發(fā)電地?zé)崮馨l(fā)電、核聚變能發(fā)電等等。其中，太陽能光伏發(fā)電在上海世博會(huì)的開展上已得到投入使用，效果良好。此技術(shù)是目前我國規(guī)模最大、電力電子光伏型發(fā)電項(xiàng)目，同時(shí)也是世博會(huì)歷史上發(fā)電技術(shù)中太陽能發(fā)電的最大規(guī)模投入應(yīng)用。

3.2 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)，即是電網(wǎng)智能化，是建立在高速雙向集成通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，經(jīng)過領(lǐng)先的傳感測(cè)量技術(shù)、操控方法及領(lǐng)先的系統(tǒng)決策技術(shù)的運(yùn)用，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、可靠、高效、安全性的發(fā)展方向。從實(shí)際層面來看，當(dāng)今的智能電網(wǎng)雖比以前的更安全高效，但智能化程度并沒有進(jìn)一步的提高，因此智能電網(wǎng)仍是當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能電表是智能電網(wǎng)體系中的核心部分，依附于智能電表，電力行業(yè)相關(guān)部門可以了解到所有時(shí)間用戶使用電能多少的具體情況。方便于電力機(jī)構(gòu)根據(jù)居民的用電量來制定差異化的電費(fèi)定價(jià)，協(xié)助用戶優(yōu)化電費(fèi)開銷及整體電能消耗。當(dāng)今的智能化電網(wǎng)技術(shù)處于快速發(fā)展的階段，其中風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電是智能化電網(wǎng)發(fā)電的重要組成部分。

3.3 電力牽引

電力牽引是利用電能驅(qū)動(dòng)動(dòng)力為基礎(chǔ)的軌道牽引技術(shù)。電力牽引電能來源由電力系統(tǒng)、發(fā)電廠等來提供，整個(gè)流程為：變電所電力系統(tǒng)發(fā)電、逐級(jí)降壓、直流電變頻為交流電、接觸網(wǎng)等電力電子技術(shù)供電于電力機(jī)車組。能量轉(zhuǎn)化過程為：電能（電力機(jī)車、動(dòng)車牽引電動(dòng)機(jī)等設(shè)備)轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車組、城市軌道組、交通電動(dòng)車輛組的正常運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)電力牽引主要由電源、牽引變電所、動(dòng)車組等環(huán)節(jié)構(gòu)成的電力系統(tǒng)來完成。

電力牽引需要增加供電系統(tǒng)裝置系統(tǒng)，這是電力牽引的一個(gè)缺點(diǎn)，電力電子技術(shù)的電力牽引，其一次性的投資費(fèi)用高于其它的動(dòng)力牽引的投資費(fèi)用。除此之外，電動(dòng)機(jī)車的電力整流裝置在供電線路上會(huì)產(chǎn)生負(fù)電流及不同頻率的諧波，這對(duì)電電子電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行方面有一定的影響。諧波的存在及高電壓接觸面網(wǎng)及電力系統(tǒng)的回流網(wǎng)絡(luò)信息不對(duì)稱，將對(duì)最接近平行的電力系統(tǒng)、線路產(chǎn)生不同諧波的干擾信息，進(jìn)而有可能導(dǎo)致通信的質(zhì)量和人身安全方面的影響。因此，電力電子技術(shù)在今后發(fā)展過程中，應(yīng)優(yōu)先考慮運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)手段來扼殺電力電子牽引技術(shù)方面的缺點(diǎn)，使電力電子牽引技術(shù)趨向合理化發(fā)展。

總之，隨著科技的發(fā)展。電力電子技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用越來越廣泛，電力電子技術(shù)的生態(tài)平衡及環(huán)境上的問題和電力能源危機(jī)方面具有獨(dú)特的特點(diǎn)，發(fā)揮著重要的作用，并且其運(yùn)用潛力是無限大的。

[1]王新河，許建新.現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)[J].治黃科技信息，2011(3).