電氣工程中電力電子技術(shù)的應(yīng)用探討

楊永建

摘要：作為跨半導(dǎo)體和電氣技術(shù)的新技術(shù)，電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用變得越來越流行，利用電力電子技術(shù)的使用可以顯著提高電氣工程的效率和安全性。本文首先簡要闡述了電力電子技術(shù)的基本概念和發(fā)展現(xiàn)狀，并重點(diǎn)分析了電氣工程系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用效果，希望為電氣工程技術(shù)人員提供一些參考思路。

關(guān)鍵詞：電氣工程；電力電子；技術(shù)；應(yīng)用

引言：

當(dāng)前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子信息技術(shù)以及智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)也日益成熟并且得到更為廣泛的應(yīng)用，在能源、電力、工業(yè)、交通等各個(gè)方面正處于高速發(fā)展時(shí)期。電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用為促進(jìn)我國電網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量提升、電力能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)以及電力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展正發(fā)揮著重要的作用。

一、電力電子技術(shù)的簡述

電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一種新興的半導(dǎo)體技術(shù)，主要利用半導(dǎo)體電子元件來轉(zhuǎn)換和控制電力變換。常用的電力電子元件包括晶閘管、大功率MOS管、以及IGBT、IGCT等，電力電子技術(shù)可以將功率在1W到超過MW范圍內(nèi)的電能進(jìn)行變換。電力電子技術(shù)與電子信息技術(shù)有較大的區(qū)別，電子信息技術(shù)主要應(yīng)用對(duì)信息數(shù)據(jù)的處理，而電力電子技術(shù)用于轉(zhuǎn)換電力。電力電子技術(shù)從實(shí)用角度可分為兩類：電力電子制造技術(shù)和電能變換技術(shù)。電能變換技術(shù)涉及整流、斬波、變頻、逆變等多個(gè)領(lǐng)域。電力電子技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的轉(zhuǎn)換，在電力工程系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，我國各大理工科高校的電氣工程和自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)均開設(shè)了電力電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，為我國電力工業(yè)的人才培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用

1、變電站中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在變電站中的應(yīng)用不僅提高了變電站的效率，而且大大減少了手動(dòng)操作的頻次，可以更有效地避免由于人為因素造成的工作錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)變電站高質(zhì)量和高效率的運(yùn)行管理。同時(shí)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用將有助于變電站工作人員進(jìn)行監(jiān)督工作，盡快發(fā)現(xiàn)工作中存在的問題，并盡快解決問題，確保變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)也得到了改進(jìn)。電力電子技術(shù)在變電站的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)變電站的科學(xué)管理。因此，變電站應(yīng)注重電力電子技術(shù)的應(yīng)用以減少變電站安全事故。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變電站還大量采用靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，大大提高了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為用戶提供了高質(zhì)量的電力。無功率補(bǔ)償可以提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)和負(fù)載，降低功率損耗，確保電壓安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高電源質(zhì)量。一般來說，靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要有以下四種類型：第一個(gè)是晶閘管控制器，主要由兩部分組成：反并聯(lián)晶體管和電抗器串聯(lián)連接。第二種是晶體管開關(guān)電容器，屬于單相結(jié)構(gòu)。這種裝置很少發(fā)生磨損，響應(yīng)快，切換平穩(wěn)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)綜合補(bǔ)償。第三種是靜態(tài)同步補(bǔ)償裝置，其補(bǔ)償?shù)幕驹硎窃诓⒙?lián)作用下將自整流橋電流連接到電網(wǎng)，以達(dá)到電壓調(diào)節(jié)等無功補(bǔ)償?shù)哪康?，通常使用功率半?dǎo)體橋式變換器進(jìn)行補(bǔ)償，這種無功補(bǔ)償主要是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，它具有調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，靜態(tài)同步補(bǔ)償器主要是利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)消除電流中的諧波從而減少由于諧波影響對(duì)設(shè)備的損壞。第四種是可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置。該裝置可以通過對(duì)電流諧波控制并對(duì)頻率參數(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)償，從而改善系統(tǒng)的阻尼特性，從而減少了系統(tǒng)的低頻振蕩，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是指利用電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將這部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需要的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行合理的傳遞和分配，使系統(tǒng)內(nèi)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠完成工藝工作，一般的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等部分。隨著新型電機(jī)、大功率電力電子器件與新的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從低級(jí)到高級(jí)，從單電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，從直流電機(jī)調(diào)速到交流電機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展過程，電氣傳統(tǒng)系統(tǒng)的性能和效率在不斷進(jìn)步，電力傳動(dòng)系統(tǒng)控制的本質(zhì)是對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制的過程，其中，對(duì)于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)功率控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速、伺服控制功能而言，需要電力電子技術(shù)深度參與，比如對(duì)于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變頻器，用于直流電機(jī)調(diào)速的PWM電壓控制需要運(yùn)用較大功率的電力電子器件，比如IGBT、IGCT大功率場(chǎng)效應(yīng)管等功率元件，利用電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的平滑調(diào)速與精確的位置伺服控制，同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的智能化控制算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊控制算法等能夠有效提升電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

3、新能源發(fā)電中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)前，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在快速增長，其中，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于自然界的風(fēng)速變化較快，且難以控制，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率受風(fēng)速影響非常不穩(wěn)定，如果不能對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率進(jìn)行有效控制，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電能質(zhì)量很差，難以并入電網(wǎng)之中或?qū)﹄娋W(wǎng)造成很大的影響。為了解決這一問題。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中廣泛應(yīng)用了電力電子技術(shù)，以永磁型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，機(jī)組在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，因此發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率也是事實(shí)變化的，并不能直接并入電網(wǎng)，因此，需要再用全功率整流-逆變技術(shù)，首先在發(fā)電機(jī)出口側(cè)利用可控整流技術(shù)將并不規(guī)則的電壓波形進(jìn)行整流后變成直流，然后通過逆變部分對(duì)直流電進(jìn)行逆變，輸出與電網(wǎng)電壓、頻率、相位相同的三相交流電再并入電網(wǎng)。在風(fēng)電變頻器中，使用了很多大功率電力電子元器件，如晶閘管、大功率IGBT等器件，此外，還需要運(yùn)用大量的現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電能波形的控制，從而保證風(fēng)電能夠平穩(wěn)的向電網(wǎng)輸出電能。

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的材料特性決定了光伏電池板只能輸出直流電，而我國電網(wǎng)均為三相交流電，因此必須利用逆變器對(duì)光伏輸出的直流電進(jìn)行逆變后再上網(wǎng)，光伏逆變器是一種典型的電力電子設(shè)備，其中廣泛使用了大功率電力電子器件如IGBT等。此外，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在不同季節(jié)，不同時(shí)段和不同天氣下，由于光照強(qiáng)度的差別，太陽能光伏板發(fā)電效率會(huì)受到很大的影響，導(dǎo)致光伏板輸出的直流電壓和電流存在較大的波動(dòng)，要想讓光伏發(fā)電順利并網(wǎng)，首先要運(yùn)用大功率電力電子器件實(shí)現(xiàn)DC-DC變換，保證逆變器直流母線電壓能夠滿足逆變器輸入電壓需求，在DC-DC變換過程中，也運(yùn)用到了電力電子技術(shù)以實(shí)現(xiàn)光伏電池直流電壓輸出穩(wěn)壓的功能。

結(jié)語：

總之，伴隨著電力電子技術(shù)在電氣工程中的廣泛應(yīng)用，不僅提升了電氣工程的運(yùn)行效率，而且提高了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并同時(shí)降低了電氣系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，從而更好的促進(jìn)了我國電氣工程領(lǐng)域的健康發(fā)展。尤其在變電站系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和新能源發(fā)電方面的電力電子技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用，為我國電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)貢獻(xiàn)了巨大的力量。

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（作者單位：保定四方三伊電氣有限公司）