現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢探析

田素軍

摘要：現(xiàn)代電力電子技術(shù)由控制電路、變流電路及電力電子器件三部分構(gòu)成，在電力、電子和控制三大技術(shù)領(lǐng)域的共同作用下解決各種電力系統(tǒng)問題。具體應(yīng)用方面，電力技術(shù)涉及配電、發(fā)電及電力輸送等諸多內(nèi)容，而電子技術(shù)則主要涵蓋了電子器件及電子電路的設(shè)備和技術(shù)問題，控制技術(shù)領(lǐng)域主要研究對象是外在裝置設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。器件作為電力電子技術(shù)的實施基礎(chǔ)，對于電能的控制與轉(zhuǎn)化意義重大，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展勢必將滲透生活的各個領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代電力電子技術(shù);控制系統(tǒng);發(fā)展趨勢;應(yīng)用展望分析

當(dāng)前電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，其大致方向表現(xiàn)為由傳統(tǒng)低頻技術(shù)處理向現(xiàn)代高頻技術(shù)轉(zhuǎn)換，并逐漸取代傳統(tǒng)的電力電子器件整合時代。電力電子技術(shù)的發(fā)展源自硅整流器件，從整流器時代發(fā)展至逆變器時代，并逐漸演變?yōu)槿缃竦淖冾l器時代?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域，開關(guān)電源、輸電技術(shù)、發(fā)電系統(tǒng)，隨處可見電力電子技術(shù)的身影。上世紀(jì)九十年代初以功率半導(dǎo)體復(fù)合器件為象征的現(xiàn)代電力電子體系逐漸形成，對于人們的工作和生活產(chǎn)生了重大影響。本文從電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程和應(yīng)用展望等方面分析了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，體現(xiàn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展與當(dāng)前時代發(fā)展特征的融合。

1 關(guān)于電力電子技術(shù)的發(fā)展

1.1 回顧電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程

電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程可具體劃分為三個時期，即整流器時代、逆變器時代和變頻器時代。首先，整流器時期的電力電子技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)為大規(guī)模的工業(yè)用電，它的用電來源主要是交流發(fā)電機，消費形式以直流電為主，比如有色金屬的電解、內(nèi)燃機車的牽引以及軋鋼中的直流電等。硅整流器通過將直流電轉(zhuǎn)化為工業(yè)用電而被廣泛應(yīng)用于配電和輸電領(lǐng)域，這在六七十年代的中國隨處可見。其次，逆變器時代的電力電子技術(shù)發(fā)展遭遇了嚴(yán)重的能源危機，其波及范圍之廣使得整流器的發(fā)展不再適應(yīng)電能企業(yè)的使用需求，以交流電為主的逆變器時代應(yīng)運而生。逆變器時代以晶閘管、晶體管以及晶閘管器件作為時代發(fā)展的主流，在高壓直流輸出的過程中實現(xiàn)了對動態(tài)功率的有效補償。然而這時的使用范圍還僅僅局限于中低頻領(lǐng)域，使用過程中的效率較為偏低。再者，八十年代的變頻器時代實現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展與應(yīng)用，這不僅電子應(yīng)用領(lǐng)域的顯著創(chuàng)新，同時也為后期現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展提供了必要的技術(shù)借鑒。變頻器時代還對電力的精細(xì)加工技術(shù)進(jìn)行了完善，全控型功率器件的出現(xiàn)實現(xiàn)了電力電子技術(shù)的高頻化發(fā)展，使得現(xiàn)代電力電子技術(shù)轉(zhuǎn)化成為一種可能。功率半導(dǎo)體市場逐漸被變頻器件取代，這一革新不僅提升了變頻調(diào)速的使用頻率，在小型輕量化技術(shù)裝備方面也有了顯著進(jìn)步。

1.2 當(dāng)前電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

電力電子技術(shù)的發(fā)展核心控制體系在于電能器件的有效轉(zhuǎn)換，作為一種現(xiàn)代技術(shù)，電力電子技術(shù)的主要功能不僅包括了逆變、整流、變頻等基本方面，除此以外還涉及到斬波和智能開關(guān)等方面的內(nèi)容。通過對電網(wǎng)工頻電能的轉(zhuǎn)化來達(dá)到不同的使用目的，以此適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)對電力電子技術(shù)的使用需求。具體應(yīng)用方面，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括了三大方面：其一，在變頻器作用下對微電子技術(shù)及控制技術(shù)進(jìn)行有效整合，將固有不變的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳Q可調(diào)的可變式交流電，以此達(dá)到無級調(diào)速的目的，這對電能資源的節(jié)約顯然極為有利。其二，在開關(guān)電源和供電電源方面現(xiàn)代電力電子技術(shù)也有著自身的使用功能，類似變頻電源、焊接電源、充電電源、照明電源等都為現(xiàn)代化電力系統(tǒng)的完善提供了切實可行的技術(shù)指導(dǎo)。其三，一些發(fā)電系統(tǒng)或是交流輸電技術(shù)也體現(xiàn)出現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用意義，水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、配電與用電系統(tǒng)的完善等都和電子系統(tǒng)的應(yīng)用之間有著密切聯(lián)系。

2 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢探討

2.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢

電子電子技術(shù)歸根結(jié)底是對電源技術(shù)的研究，電源技術(shù)不僅是電力電子技術(shù)研究的核心，一定程度上開光電源技術(shù)的發(fā)展也預(yù)示著現(xiàn)代電力電子技術(shù)今后的發(fā)展走向。從發(fā)展趨勢來看，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢可概括為以下幾方面特點：第一，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的集成化與模塊化特征。這一特征主要表現(xiàn)在現(xiàn)代電力電子技術(shù)的功率器件和電源單元兩個方面，從微小器件組成來實現(xiàn)電子器件的智能化辨別與使用。這樣的模塊功率不僅有效控制了器件的體積，在設(shè)計與制造方面也形成了顯著的模塊化特征。電力電子技術(shù)的模塊化發(fā)展其核心目的旨在降低器件的電應(yīng)力，從安全性與可靠性角度提升電力系統(tǒng)的使用性能。第二，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻化特征。從理論分析及實踐驗證的雙重角度不難看出，無論是變壓器的電感還是電容體積在供電頻率方面都呈現(xiàn)出一定的反比例趨勢，因此體積的減小必然會導(dǎo)致電子技術(shù)的高頻化呈現(xiàn)。從這個角度來看，全控型電子器件的問世已然標(biāo)志著現(xiàn)代電子與電力技術(shù)率先實現(xiàn)了自身的高頻化轉(zhuǎn)換。第三，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的全控化與數(shù)字化特征。全控化電力電子技術(shù)的革新突破了原有電力電子器件在使用功能方面的限制，降低了關(guān)斷換流電路可能造成的危險，從根本上保障了電力系統(tǒng)在使用過程中的安全性。數(shù)字化特征則主要表現(xiàn)在現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻斬波以及諧振變換等方面，從弱電領(lǐng)域拓展了電力電子技術(shù)的發(fā)展渠道，提前實現(xiàn)了控制技術(shù)的集成化。第四，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的綠色化特征。這里的綠色化特征既包括了環(huán)境污染問題的控制，又涉及到必要的電網(wǎng)污染源問題，是當(dāng)前電力電子技術(shù)在發(fā)展過程中亟需解決的重要問題。發(fā)電容量的控制從根本上減少了發(fā)電對環(huán)境造成的污染，與此相關(guān)的污染過濾器或是電能補償系統(tǒng)等都是當(dāng)前電力電子技術(shù)向綠色化邁進(jìn)的有力證據(jù)。具體的電力電子技術(shù)應(yīng)用方面，則主要表現(xiàn)為四大革新趨勢：其一，太陽能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用。太陽能發(fā)電技術(shù)為普通家庭提供了足夠的電能使用空間，成為了可再生資源的有效傳播途徑之一。其二，燃料電池發(fā)電技術(shù)。燃料電池的發(fā)電裝置主要是將其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為可使用的電能，節(jié)能省電，鮮少產(chǎn)生環(huán)境污染問題。其三，交流輸電技術(shù)的應(yīng)用。作為一種新型電力系統(tǒng)出現(xiàn)的交流輸電技術(shù)實現(xiàn)了對電網(wǎng)資源重新分配與利用，保障了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其四，現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的儲存與質(zhì)量控制技術(shù)。儲存技術(shù)的使用在于提升電力系統(tǒng)本身的電力儲備功能，而質(zhì)量控制技術(shù)則在于從供電質(zhì)量角度提高電力產(chǎn)品的使用效率。

2.2 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用展望

關(guān)于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用展望，可從如下幾方面得以體現(xiàn)：第一，從節(jié)能性角度提升電機系統(tǒng)的使用性能，可從專用電機的設(shè)計或是控制設(shè)備的完善等方面來提升整體電力系統(tǒng)的使用效率;第二，中高壓直流輸電系統(tǒng)的運用也是今后電力電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，這一系統(tǒng)本身就具備了低污染和低能耗的特點;第三，當(dāng)前社會發(fā)展進(jìn)程中充電站網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建或是電動車輛的普及已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中積極完善與改革的內(nèi)容，以電動汽車為代表的環(huán)保電力問題逐漸成為一個時代課題。至于當(dāng)前城市建設(shè)過程中充電網(wǎng)絡(luò)的配備問題基本尚處于起步階段，無論是實際應(yīng)用領(lǐng)域還是理論構(gòu)建領(lǐng)域都還存在許多值得研究和討論的問題，但無疑其發(fā)展空間是極為廣闊的;第四，關(guān)于電力系統(tǒng)中電能儲備裝置的設(shè)置與超導(dǎo)線的使用也將成為電力電子技術(shù)亟需解決的問題之一，從根本上解決電能儲備問題勢必將對電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。然而面對電能儲備過程中存在的諸多問題，電力系統(tǒng)設(shè)計者需要從控制技術(shù)與存儲技術(shù)的雙重層面來體現(xiàn)儲能裝置的有效性，對于其中可能存在的不合理問題提出切實有效的解決或改進(jìn)對策。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心在于通過電子器件的轉(zhuǎn)換來達(dá)到特定的變頻和技術(shù)控制目的，以此實現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保目標(biāo)。實際技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)的發(fā)展也是對電源技術(shù)的提升，在此基礎(chǔ)之上現(xiàn)代電力電子技術(shù)本身的自動化與智能化特征越來越明顯，高頻化、模塊化和綠色化的電力電子技術(shù)逐漸成為一種可能。伴隨如今半導(dǎo)體器件的日臻成熟，電力電子技術(shù)的發(fā)展也更加崇尚經(jīng)濟和環(huán)保的發(fā)展原則，體現(xiàn)電能品質(zhì)與效率的有機結(jié)合。不難看出，電力電子技術(shù)的發(fā)展源于技術(shù)領(lǐng)域本身的應(yīng)用需求，隨著現(xiàn)代化電子技術(shù)和電能耗材的出現(xiàn)，一些陳舊的電力電子技術(shù)理應(yīng)被更加先進(jìn)的技術(shù)所取代，進(jìn)而更好地滿足電子應(yīng)用領(lǐng)域的使用需求。當(dāng)前日臻成熟的開關(guān)電源技術(shù)正逐漸朝著集成化、綠色化和數(shù)字化的方向發(fā)展，這也象征著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展又向前邁了一大步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張承慧，崔納新.交流電機變頻調(diào)速及其應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2] 姜山，黃可，馮瑞華.寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展與應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3] 張加勝，張磊.電力電子技術(shù) [M].北京：中國石油大學(xué)出版社，2007.

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2005

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