電力電子技術的發展及應用探究

西北民族大學電氣工程學院 劉增金

1.電力電子技術的發展

自上個世紀五十年代末第一只晶閘管問世以來，電力電子技術開始登上現代電氣傳動技術舞臺。以晶閘管為基礎開發的可控硅整流裝置，讓電能的變換和控制從旋轉變流機組和靜止離子變流器進入由電力電子器件構成的變流器時代，是電氣傳動史上的一次革命。隨著電力電子技術理論研究與制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件的功能與應用迅速在得發展，先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，隨著電力電子技術在更多新領域的應用與發展表明電力電子技術已經進入現代電力電子時代。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。

1.1 晶閘管整流時代

大功率的工業用電由工頻（50Hz）交流發電機來提供的，在應用過程中，大約有20%的電能是以直流形式消費的，譬如電解（有色金屬和化工原料需要直流電解）、牽引（電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等）、直流傳動（軋鋼、造紙等）等幾大領域。大功率硅整流器能夠高效率的把工頻交流電轉變為直流電，在上世紀六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用快速發展。國內曾經掀起了各地大辦硅整流器廠的熱潮，當前我國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家大多是那個時代建設的。這一時期稱之為電力電子技術的晶閘管時代。

1.2 電力電子技術的逆變時代

上世紀70年代后，隨著自關斷器件的出現，電力電子技術進入了逆變時代。當時的世界范圍的能源危機，讓交流電機變頻調速因節能效果顯著而得到了迅猛發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0～100Hz的交流電，大功率逆變用的晶閘管以及巨型功率晶體管（GTR）和門極可關斷晶閘管（GT0）很快成為當時電力電子器件的主要角色。雖然這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變的功能，但僅局限在中低頻范圍內，工作頻率相對較低。

1.3 現代電力電子變頻器時代

上世紀八十年代后，大規模和超大規模集成電路技術得到了廣泛的應用，為電力電子技術的快速發展打下了良好的基礎。集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合應用。以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件以及以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學正在向高頻技術處理問題為主的現代電力電子學轉變。這種現象表明，傳統電力電子技術已經進入現代電力電子變頻器時代。這一時期，各種新型器件應用大規模集成電路技術，向復合化、模塊化的方向發展，讓電力電子器件結構緊湊、體積縮小，同時能夠綜合不同器件的優點。這些新型器件的發展，為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，同時使現代電子技術不斷向高頻化發展，為用電設備的高效節材節能、實現小型輕量化、機電一體化和智能化打下了重要的技術基礎。

2.電力電子的技術應用

當前，電力電子技術的應用越來越廣泛。世界上一些先進工業國家正處于由“工業經濟”模式向“信息經濟”模式轉變的時期，而電力電子技術是改造傳統產業、支持高新技術發展的基礎，是信息產業與傳統產業之間的橋梁紐帶，近些年來，隨著新型器件的開發與性能的改善與提高，更多高性能的電力變流裝置已經被廣泛使用。這不僅促進了電力電子學自身的發展，而且影響著半導體材料技術、大規模集成電路技術、自動控制技術、信息傳遞與處理技術及電路拓撲技術的進步。因此，電力電子技術的應用已經成為一門有著廣闊應用前景，發展方興未艾的技術，在國民經濟中的地位越來越重要。

2.1 電力電子技術在再生能源發電中的應用

當前世界的能源結構，仍是以資源有限、污染嚴重的化石燃料為主要電力能源，但清潔干凈的可再生能源如太陽能、風能、水能、海洋能、生物質能、地熱能、燃料電池等再生能源也開始進入快速發展時期。這些新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限的優勢正在迅速推廣使用。據有關資料預測，到2060年，世界電力能源消耗的一半將來源于可再生能源發電。

在可再生資源中，風能是最重要的組成部分。全球風能資源豐富，據統計，全球風能潛力能占到當前全球用電量的5倍之多。同時，利用風能發電無污染，能降低全球二氧化碳排放量歐洲，再次，風能發電施工占地少，周期短，投資靈活，具有較好的經濟效益和社會效益。現代電力電子技術以及變頻調速技術的迅速發展，在風力發電中的得到了廣泛的應用。當前的風電機組已經成為結合了先進的空氣動力學、機械制造、電子技術、微機控制技術的高科技產品，而風力發電系統中不可或缺的重要組成部分就是高科技的電力電子技術，電力電子技術對于風電機組的控制、電能的轉換、電能質量的改善等都至關重要。

水能和太陽能也是可再生能源中重要組成部分。當前，我國的水電蘊藏大約為6.67億千瓦，能開發的大約為3.78億千瓦，但我國目前的水電年發電量僅為19200億千瓦時，開發潛力還很大。水能發電由于具有豐水期和枯水期，發電機組的最佳速度也要有不同變化。因此，發電運行時，需要將傳統的直流勵磁改成超低頻可變頻交流勵磁，用勵磁頻率的變化彌補發電機轉子轉速的非穩定變化，以保持當枯水期水頭下降時，水力發電機能持續發電。這需要現代電力電子技術來完成。太陽能光伏發電則給世界能源界注入了一股新鮮的力量，太陽能資源也是十分豐富，而大功率太陽能發電，不管使用獨立或并網的系統，都需要利用最大功率跟蹤功能的逆變器將太陽能陣列發電的直流電轉化成交流電，這更需要現代電力電子技術來完成。

2.2 電力電子技術在電力節能中的應用

當前，現代工業能源與電力相結合的越來越密切，電力正以清潔、穩定、利用率高以及適用范圍廣的眾多優點，已在現代工業的各個方面得到廣泛利用，電能已是現代工業的動力之源與能量之泉。據相關數據，近幾年來，我國的工業用電總量正以每年15.9%的速度猛增，然而在很多發展中國家，工業用電還不夠合理，特別是在用電效率低、浪費嚴重。在世界化石能源日益枯竭的今天，降低電能消耗對于解決能源問題意義重大，而提高電源效率、降低電源消耗的根本途徑就是運用現代化電力電子技術來提高效率，優化性能，還節約原材料。電力電子技術對世界的能源安全有著至關重要的作用。

2.3 電力電子技術在改造傳統產業中的應用

電力電子技術是弱電控制強電的連接紐帶，是機電設備與計算機的重要媒介，電力電子技術為傳統產業和新興產業采用微電子技術創造了條件。在電力電子技術的應用中，在傳統工業行業中，許多勞動強度大、勞動環境惡劣的工作環境，通過工業控制系統把電能轉化為勞動力，把工人們從落后的勞動車間帶入到現代化的智能工作室，大大提高了勞動生產率，節約了人力資源。解決了企業的眾多安全與環境問題。

2.4 電力電子技術在家用電器中的應用

電力電子技術不但在現代工業制成品得到廣泛應用，也給人們的衣食住行中帶來的極大的方便。電力電子控制學讓人們從繁雜的家務勞動中解放出來：譬如洗衣服只需要把衣服放進洗衣機，再按下按鈕，有空就可以拿出干凈的衣服；洗碗機能快速將油乎乎的餐具洗凈，同時，電力電子變頻技術使得家用電器既方便又節能，變速空調和變速熱泵能夠節約30%的電能，高頻熒光燈比白熾燈效率高2-3倍。

3.結束語

總之，電力電子技術是一個較年輕但極具發展前途的產業。是智力、信息、知識密集型的技術，有非常高的實用性，應用范圍非常的廣，每個用電產品幾乎都可以牽涉到電力電子技術，同時電力電子技術可以達到高效節能的目的。這個行業也必將進一步得到發展，必將節省更多的能源，為國民經濟服務，成為國民經濟中的一個重要產業。

[1] 王云亮.電力電子技術[M].電子工業出版社,2004.

[2] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術[M].機械工業出版社,2001.

[3] 諾克斯維爾B.K.博斯.電力電子和電機傳動的最新進展[J].電力電子,2005(6).

[4] 楊慧穎等.風力發電中電力電子技術的應用[J].2005.

[5] 張國君,王學禮.現代電力電子及電源技術的發展[J].2005.

[6] 楊敏利.我國電力電子技術產業化模式選擇與戰略分析[J].

[7] 林渭勛.淺談半導體高頻電力電子技術[A].電力電子技術選編[M].浙江大學,1992:384-390.

[8] 季幼章.迎接知識經濟時代,發展電源技術應用[J].電源技術應用,l998,2.

[9] 葉治正,葉靖國.開關穩壓電源[M].高等教育出版社,1998.