現代電力電子技術的應用研究

王梓康

湖北科技學院/電子信息工程學院 湖北 咸寧 437000

引言

電力電子技術是一門基于半導體物理，電路理論，以及信號分析的應用科學，它主要用于電力，交通，航空航天，工業控制等領域不同設備之間的電能功率轉換以及電壓，電流調控。這門技術已經廣泛地與全球能源，工業生產，社會生活等多個領域結合在一起，因此在世界范圍內都有大量的研發人員在從事電力電子技術的研究，讓其發展與應用更好地造福人類。

1 電力電子技術的基本類型

1.1 整流電路

當今世界大部分的電能都是由交流發電機產生，并通過輸電線路最終送到用戶手中；而日常生活與工業用電中會大量用到直流電，不可直接從電網中獲取。此時就需要用到整流電路來將50Hz的工頻交流電轉化為直流電。整流電路往往由大功率硅整流管（二極管）以及晶閘管構成，其在電路中往往作為開關來執行接通和斷開的功能，隔絕反向的電流，導通正向的電流，達到把交流電變為直流電的目的。

1.2 逆變電路

在交流輸電技術被普遍使用的大背景下，我國電力系統工程在特高壓直流輸電技術上的成就舉世矚目，當直流輸電技術所輸送的電能來到用戶側時，還需通過逆變電路將直流電轉化為交流電，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（門極可關斷晶閘管），大功率晶體管。由于半導體功率電子設備的更新換代，現在更多地用到MOSFET（金屬-氧化物半導體場效應晶體管）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的角色，通過多組開關之間的配合，實現把直流電在一個時間周期內，按正反兩個方向送給負載，以把直流電變為交變電流。

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制技術相結合的產物，它可以通過整流電路現將固定頻率的交流電轉化為直流電，再經過逆變電路，設定理想的脈沖寬度調制系數，最終輸出含有理想頻率的正弦交流電2[2]。它的出現滿足了交流電機對于無級調速的廣泛需求并打破了傳統直流調速技術的上限，大大降低了因直流調速器體積大，故障率高而帶來的運行和維護成本。

2 電力電子技術的應用

2.1 在風能發電中的應用

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

2.2 太陽能發電中的應用

太陽能是眾多可再生能源中數量最多的能源，太陽能發光發電技術和設備的應用為全球的能源產業提供了新的發展方向，在太陽能光伏發電的過程中，無論是應用單獨的發電系統還是將傳統發電系統和太陽能發電系統相結合，都需要具有跟蹤功能的逆變器，將太陽能發電系統和太陽能光伏發電設備中產生的直流電轉化為交流電，而逆變器的制作正是運用了電力電子技術[3]。

2.3 高壓直流輸電中的應用

在國家政策的大力推動下，西電東送和電網聯網等重大輸配電項目落地國家電網與南方電網。高壓直流輸電系統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。作為交直流轉換的核心功能單位，換流閥是高壓直流輸電工程的核心設備。國內的換流閥為了提高其開關可靠性，以及方便操作和維護，一般選擇直接光觸發晶閘管作為主要開關器件。

2.4 交通運輸行業中的應用

當今社會，新能源汽車以及高鐵動車的發展受到國家重視，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面世。一些新興的新能源汽車企業，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 工業自動化方面的應用

電力電子技術在傳統工業生產上有著非常先進的作用，這些工業發展生產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過程中，優化電能管理，提高能源轉換效率和使用效率，降低浪費的同時維持用電設備高質量長時間穩定運行。電力電子技術與現代計算機互聯網相結合，可以實現電能管理自動化，解放生產力的同時建立設備電能消耗與損耗的大數據庫，再經過數據分析處理，進一步優化電能管理系統，將工人從煩瑣的人力勞動中解放出來[4]。

3 電力電子技術的發展方向

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

4 結束語

電力電子技術在各行各業中的運用呈現出其豐富的實用性和巨大的發展潛力，不僅在技術層面使人們對于電能的控制更加方便有效，還可以在社會生產中提升能源質量，節約能源，促進智能化發展，在很大程度上為人們的生活質量提升與國家能源產業發展做出了積極貢獻。