現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究

王梓康

湖北科技學院/電子信息工程學院 湖北 咸寧 437000

引言

電力電子技術(shù)是一門基于半導體物理，電路理論，以及信號分析的應(yīng)用科學，它主要用于電力，交通，航空航天，工業(yè)控制等領(lǐng)域不同設(shè)備之間的電能功率轉(zhuǎn)換以及電壓，電流調(diào)控。這門技術(shù)已經(jīng)廣泛地與全球能源，工業(yè)生產(chǎn)，社會生活等多個領(lǐng)域結(jié)合在一起，因此在世界范圍內(nèi)都有大量的研發(fā)人員在從事電力電子技術(shù)的研究，讓其發(fā)展與應(yīng)用更好地造福人類。

1 電力電子技術(shù)的基本類型

1.1 整流電路

當今世界大部分的電能都是由交流發(fā)電機產(chǎn)生，并通過輸電線路最終送到用戶手中；而日常生活與工業(yè)用電中會大量用到直流電，不可直接從電網(wǎng)中獲取。此時就需要用到整流電路來將50Hz的工頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電。整流電路往往由大功率硅整流管（二極管）以及晶閘管構(gòu)成，其在電路中往往作為開關(guān)來執(zhí)行接通和斷開的功能，隔絕反向的電流，導通正向的電流，達到把交流電變?yōu)橹绷麟姷哪康摹?/p>

1.2 逆變電路

在交流輸電技術(shù)被普遍使用的大背景下，我國電力系統(tǒng)工程在特高壓直流輸電技術(shù)上的成就舉世矚目，當直流輸電技術(shù)所輸送的電能來到用戶側(cè)時，還需通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，再通過降壓變壓器送給用戶。過去常常在逆變器中運用到GTO（門極可關(guān)斷晶閘管），大功率晶體管。由于半導體功率電子設(shè)備的更新?lián)Q代，現(xiàn)在更多地用到MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應(yīng)晶體管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）來組成全橋或半橋逆變電路1[1]。這些半導體功率器件在逆變電路中同樣充當著開關(guān)的角色，通過多組開關(guān)之間的配合，實現(xiàn)把直流電在一個時間周期內(nèi)，按正反兩個方向送給負載，以把直流電變?yōu)榻蛔冸娏鳌?/p>

1.3 變頻器

變頻器是上述兩種功率電子電路與濾波電路以及脈沖寬度調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以通過整流電路現(xiàn)將固定頻率的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，再經(jīng)過逆變電路，設(shè)定理想的脈沖寬度調(diào)制系數(shù)，最終輸出含有理想頻率的正弦交流電2[2]。它的出現(xiàn)滿足了交流電機對于無級調(diào)速的廣泛需求并打破了傳統(tǒng)直流調(diào)速技術(shù)的上限，大大降低了因直流調(diào)速器體積大，故障率高而帶來的運行和維護成本。

2 電力電子技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在風能發(fā)電中的應(yīng)用

在國家大力支持新能源發(fā)電的政策背景下，風能發(fā)電作為新能源發(fā)電占比較高的一種清潔能源，兼具低污染，施工方便，資本青睞等優(yōu)點，在產(chǎn)生社會效益的同時也為國家的生態(tài)環(huán)境建設(shè)有著相當?shù)呢暙I。風能發(fā)電的質(zhì)量提高很大程度上歸功于電力電子技術(shù)在其中的運用。傳統(tǒng)的風能發(fā)電裝置中，直流勵磁技術(shù)的運用會在一定程度上限制風能發(fā)電的質(zhì)量和總量，而電力電子技術(shù)的應(yīng)用可以將直流勵磁技術(shù)替換為交流變頻技術(shù)，以達到發(fā)電機在風速不同的情況下電能質(zhì)量的波動盡可能小。

2.2 太陽能發(fā)電中的應(yīng)用

太陽能是眾多可再生能源中數(shù)量最多的能源，太陽能發(fā)光發(fā)電技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用為全球的能源產(chǎn)業(yè)提供了新的發(fā)展方向，在太陽能光伏發(fā)電的過程中，無論是應(yīng)用單獨的發(fā)電系統(tǒng)還是將傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，都需要具有跟蹤功能的逆變器，將太陽能發(fā)電系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電設(shè)備中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，而逆變器的制作正是運用了電力電子技術(shù)[3]。

2.3 高壓直流輸電中的應(yīng)用

在國家政策的大力推動下，西電東送和電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)等重大輸配電項目落地國家電網(wǎng)與南方電網(wǎng)。高壓直流輸電系統(tǒng)在這些項目中起著十分重要的作用，其組成分為兩個換流站與一組直流輸電線路。作為交直流轉(zhuǎn)換的核心功能單位，換流閥是高壓直流輸電工程的核心設(shè)備。國內(nèi)的換流閥為了提高其開關(guān)可靠性，以及方便操作和維護，一般選擇直接光觸發(fā)晶閘管作為主要開關(guān)器件。

2.4 交通運輸行業(yè)中的應(yīng)用

當今社會，新能源汽車以及高鐵動車的發(fā)展受到國家重視，如油電混合汽車，純電動汽車，智能駕駛汽車等新能源汽車不斷被開發(fā)面世。一些新興的新能源汽車企業(yè)，如小鵬汽車，特斯拉，比亞迪，這些車企在造車過程中，需要用到電力電子元器件來解決汽車的能源動力問題。電動汽車的儲能電池往往輸出直流電，而動力電機往往需要交流電來控制其轉(zhuǎn)速以及供能，這個過程就需要用到逆變器將電能從電池送到電機。

2.5 工業(yè)自動化方面的應(yīng)用

電力電子技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)上有著非常先進的作用，這些工業(yè)發(fā)展生產(chǎn)需要消耗大量對的電能，而電力電子器件所獨具的弱電控制強電能力可以再生產(chǎn)過程中，優(yōu)化電能管理，提高能源轉(zhuǎn)換效率和使用效率，降低浪費的同時維持用電設(shè)備高質(zhì)量長時間穩(wěn)定運行。電力電子技術(shù)與現(xiàn)代計算機互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)電能管理自動化，解放生產(chǎn)力的同時建立設(shè)備電能消耗與損耗的大數(shù)據(jù)庫，再經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，進一步優(yōu)化電能管理系統(tǒng)，將工人從煩瑣的人力勞動中解放出來[4]。

3 電力電子技術(shù)的發(fā)展方向

電力電子技術(shù)目前還存在一些發(fā)展不充分的問題，首先是電網(wǎng)中的諧波主要來源與電力電子器件在開關(guān)換流過程中所產(chǎn)生的高次諧波，這會降低電能質(zhì)量，導致電流波形畸變；第二是電力電子器件在開關(guān)過程中會產(chǎn)生一定的損耗，降低傳輸效率，需要相關(guān)科研工作者從器件材料和散熱的角度出發(fā)，減少開關(guān)損耗；第三是智能化程度不足，大部分器件使用現(xiàn)行的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來進行控制，沒有將更加高效的控制算法通過計算機和互聯(lián)網(wǎng)運用其中[5]。基于上述問題可得出電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，可以從以下幾個角度來描述：第一，我國是人口大國，能源消耗的數(shù)量很大，且并網(wǎng)的電能在傳統(tǒng)輸電技術(shù)背景下不可儲存，而借助電力電子設(shè)備可以構(gòu)建電能存儲裝置，需要相關(guān)研究人員在開發(fā)與試驗的過程中，規(guī)定切實可行的儲能技術(shù)標準，在實踐過程中不斷完善負載條件下的儲能技術(shù)要求。第二，電力電子技術(shù)可以為國家節(jié)能減排，綠水青山的總體發(fā)展目標做出關(guān)鍵性技術(shù)貢獻，通過計算機技術(shù)和控制技術(shù)來促進弱電控制軟件的更新?lián)Q代，降低變頻器生產(chǎn)成本，促進變頻空調(diào)和冰箱的普及，提升能源利用效率，減少資源的過度消耗。第三，集成化功率電力電子設(shè)備與線路，減少設(shè)備在生產(chǎn)生活中做占用的空間與面積，以及與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，利用互聯(lián)網(wǎng)使多臺電力電子設(shè)備相配合工作，建立綜合管理控制系統(tǒng)，提高用電設(shè)備與輸電線路的智能化程度[6]。

4 結(jié)束語

電力電子技術(shù)在各行各業(yè)中的運用呈現(xiàn)出其豐富的實用性和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ粌H在技術(shù)層面使人們對于電能的控制更加方便有效，還可以在社會生產(chǎn)中提升能源質(zhì)量，節(jié)約能源，促進智能化發(fā)展，在很大程度上為人們的生活質(zhì)量提升與國家能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了積極貢獻。