現代電力電子技術的發展趨勢探析

田素軍

摘要：現代電力電子技術由控制電路、變流電路及電力電子器件三部分構成，在電力、電子和控制三大技術領域的共同作用下解決各種電力系統問題。具體應用方面，電力技術涉及配電、發電及電力輸送等諸多內容，而電子技術則主要涵蓋了電子器件及電子電路的設備和技術問題，控制技術領域主要研究對象是外在裝置設備的工作狀態和參數標準。器件作為電力電子技術的實施基礎，對于電能的控制與轉化意義重大，現代電力電子技術的發展勢必將滲透生活的各個領域。

關鍵詞：現代電力電子技術;控制系統;發展趨勢;應用展望分析

當前電力電子技術的發展趨勢，其大致方向表現為由傳統低頻技術處理向現代高頻技術轉換，并逐漸取代傳統的電力電子器件整合時代。電力電子技術的發展源自硅整流器件，從整流器時代發展至逆變器時代，并逐漸演變為如今的變頻器時代。現代電力電子技術被廣泛應用于社會生產生活的諸多領域，開關電源、輸電技術、發電系統，隨處可見電力電子技術的身影。上世紀九十年代初以功率半導體復合器件為象征的現代電力電子體系逐漸形成，對于人們的工作和生活產生了重大影響。本文從電力電子技術的發展歷程和應用展望等方面分析了現代電力電子技術的發展趨勢，體現了電力電子技術的發展與當前時代發展特征的融合。

1 關于電力電子技術的發展

1.1 回顧電力電子技術的發展歷程

電力電子技術的發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發展主要表現為大規模的工業用電，它的用電來源主要是交流發電機，消費形式以直流電為主，比如有色金屬的電解、內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化為工業用電而被廣泛應用于配電和輸電領域，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發展遭遇了嚴重的能源危機，其波及范圍之廣使得整流器的發展不再適應電能企業的使用需求，以交流電為主的逆變器時代應運而生。逆變器時代以晶閘管、晶體管以及晶閘管器件作為時代發展的主流，在高壓直流輸出的過程中實現了對動態功率的有效補償。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了大規模和超大規模集成電路的發展與應用，這不僅電子應用領域的顯著創新，同時也為后期現代電力電子技術的發展提供了必要的技術借鑒。變頻器時代還對電力的精細加工技術進行了完善，全控型功率器件的出現實現了電力電子技術的高頻化發展，使得現代電力電子技術轉化成為一種可能。功率半導體市場逐漸被變頻器件取代，這一革新不僅提升了變頻調速的使用頻率，在小型輕量化技術裝備方面也有了顯著進步。

1.2 當前電力電子技術的應用領域

電力電子技術的發展核心控制體系在于電能器件的有效轉換，作為一種現代技術，電力電子技術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等方面的內容。通過對電網工頻電能的轉化來達到不同的使用目的，以此適應現代化生產對電力電子技術的使用需求。具體應用方面，其應用領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及控制技術進行有效整合，將固有不變的交流電轉變為可換可調的可變式交流電，以此達到無級調速的目的，這對電能資源的節約顯然極為有利。其二，在開關電源和供電電源方面現代電力電子技術也有著自身的使用功能，類似變頻電源、焊接電源、充電電源、照明電源等都為現代化電力系統的完善提供了切實可行的技術指導。其三，一些發電系統或是交流輸電技術也體現出現代電力電子技術的應用意義，水力發電、風力發電、配電與用電系統的完善等都和電子系統的應用之間有著密切聯系。

2 現代電力電子技術的發展趨勢探討

2.1 電力電子技術的發展趨勢

電子電子技術歸根結底是對電源技術的研究，電源技術不僅是電力電子技術研究的核心，一定程度上開光電源技術的發展也預示著現代電力電子技術今后的發展走向。從發展趨勢來看，現代電力電子技術的發展趨勢可概括為以下幾方面特點：第一，現代電力電子技術的集成化與模塊化特征。這一特征主要表現在現代電力電子技術的功率器件和電源單元兩個方面，從微小器件組成來實現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，在設計與制造方面也形成了顯著的模塊化特征。電力電子技術的模塊化發展其核心目的旨在降低器件的電應力，從安全性與可靠性角度提升電力系統的使用性能。第二，現代電力電子技術的高頻化特征。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出一定的反比例趨勢，因此體積的減小必然會導致電子技術的高頻化呈現。從這個角度來看，全控型電子器件的問世已然標志著現代電子與電力技術率先實現了自身的高頻化轉換。第三，現代電力電子技術的全控化與數字化特征。全控化電力電子技術的革新突破了原有電力電子器件在使用功能方面的限制，降低了關斷換流電路可能造成的危險，從根本上保障了電力系統在使用過程中的安全性。數字化特征則主要表現在現代電力電子技術的高頻斬波以及諧振變換等方面，從弱電領域拓展了電力電子技術的發展渠道，提前實現了控制技術的集成化。第四，現代電力電子技術的綠色化特征。這里的綠色化特征既包括了環境污染問題的控制，又涉及到必要的電網污染源問題，是當前電力電子技術在發展過程中亟需解決的重要問題。發電容量的控制從根本上減少了發電對環境造成的污染，與此相關的污染過濾器或是電能補償系統等都是當前電力電子技術向綠色化邁進的有力證據。具體的電力電子技術應用方面，則主要表現為四大革新趨勢：其一，太陽能發電技術的應用。太陽能發電技術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，燃料電池發電技術。燃料電池的發電裝置主要是將其中的化學能轉化為可使用的電能，節能省電，鮮少產生環境污染問題。其三，交流輸電技術的應用。作為一種新型電力系統出現的交流輸電技術實現了對電網資源重新分配與利用，保障了電力系統的穩定性。其四，現代電力電子技術中的儲存與質量控制技術。儲存技術的使用在于提升電力系統本身的電力儲備功能，而質量控制技術則在于從供電質量角度提高電力產品的使用效率。

2.2 現代電力電子技術的應用展望

關于現代電力電子技術的應用展望，可從如下幾方面得以體現：第一，從節能性角度提升電機系統的使用性能，可從專用電機的設計或是控制設備的完善等方面來提升整體電力系統的使用效率;第二，中高壓直流輸電系統的運用也是今后電力電子技術發展的必然趨勢，這一系統本身就具備了低污染和低能耗的特點;第三，當前社會發展進程中充電站網絡的構建或是電動車輛的普及已經逐漸成為現代電力電子技術發展進程中積極完善與改革的內容，以電動汽車為代表的環保電力問題逐漸成為一個時代課題。至于當前城市建設過程中充電網絡的配備問題基本尚處于起步階段，無論是實際應用領域還是理論構建領域都還存在許多值得研究和討論的問題，但無疑其發展空間是極為廣闊的;第四，關于電力系統中電能儲備裝置的設置與超導線的使用也將成為電力電子技術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的持續發展產生積極而深遠的影響。然而面對電能儲備過程中存在的諸多問題，電力系統設計者需要從控制技術與存儲技術的雙重層面來體現儲能裝置的有效性，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對策。

3 結束語

現代電力電子技術的核心在于通過電子器件的轉換來達到特定的變頻和技術控制目的，以此實現節能減排的環保目標。實際技術應用領域，電力電子技術的發展也是對電源技術的提升，在此基礎之上現代電力電子技術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逐漸成為一種可能。伴隨如今半導體器件的日臻成熟，電力電子技術的發展也更加崇尚經濟和環保的發展原則，體現電能品質與效率的有機結合。不難看出，電力電子技術的發展源于技術領域本身的應用需求，隨著現代化電子技術和電能耗材的出現，一些陳舊的電力電子技術理應被更加先進的技術所取代，進而更好地滿足電子應用領域的使用需求。當前日臻成熟的開關電源技術正逐漸朝著集成化、綠色化和數字化的方向發展，這也象征著現代電力電子技術的發展又向前邁了一大步。

參考文獻：

[1] 張承慧，崔納新.交流電機變頻調速及其應用 [M].北京：機械工業出版社，2008.

[2] 姜山，黃可，馮瑞華.寬禁帶半導體器件的發展與應用 [M].北京：機械工業出版社，2001.

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

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術 [M].北京：機械工業出版社，2005

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