電力電子技術在農業電氣化中的應用

吳丹

摘 要：現代農業的發展離不開電氣化，為使農業電氣化能夠跟上社會發展的步伐，應將先進技術應用于農業電氣化建設中，帶動傳統農業向現代農業轉變，因此，電力電子技術被應用到農業電氣化中，顯著提升了農業生產的高效和高品質，同時也促進了農業電氣化的發展。因此，文章從電力電子技術基本情況入手，重點研究電力電子技術在農業電氣化中的應用情況。

關鍵詞：電力電子；農業電氣化；應用

如今科學技術不斷發展，與此同時，農業用電數量，用電概率都較之前有了很大的改善，并且，不光是在用電數量，而且用電的技術程度都有了很大的要求，為了提升我國的農業電氣化水平，節約資源，不僅要利用輸電技術來維持農業的電力需求，更要向自動化、信息化以及數字化建設的方向發展[1]，所以，更加深入地利用先進電力電子技術應用于農業電氣化中。

1 電力電子技術在農業電氣化中的應用現狀

“加快發展現代農業”是我國現代化進程中的重大歷史任務，也是“十二五”規劃的一項重要任務，而農業的電氣化水平直接決定了現代農業的發展水平。農業電氣化是指在農業上對電能的應用，包括了農業生產和農村居民生活領域，農業生產上主要是電能的利用和農業生產的機械化和自動化，而農村居民生活領域主要是電能的輸送、分配和利用。到目前為止，幾乎所有發達國家的都已實現了農業電氣化，但我國的農業電氣化水平還較低，各地區發展差距也較大。而決定我國農業電氣化發展水平的，就是電力電子技術的應用水平。

電力電子技術[2]是在電力領域使用的電子技術，是使用電力電子器件使弱點和強電接口。主要應用在對電能進行變換和控制的領域。20世紀以來，隨著電力電子技術的快速發展，其應用范圍以擴展到工業、農業、交通、電力、通信、節能、家電、環保等多個領域。例如在在農業技術裝備中的應用提高了農業裝備的自動化程度，使農業技術裝備實現了靈活可控。

2 電力電子技術在農業電網電能變換中的應用

在農村，用電大多采用從國家電網買電形式，這種形式費用高并且偏遠地區會出現缺電等問題。我國農村有豐富的可再生資源，可以因地制宜采用分布式發電技術改善農村的用能條件。在水資源豐富的地區，可以采用水電發電；在風能資源充足的地區，可以推廣使用小風電；在太陽光充足的地區，推廣使用光伏發電；也可以推廣風光互補發電，并結合沼氣發電、生物質能發電等[3]。采用電力電子技術的電力變換技術，來實現農業的電氣化。

2.1 AC/DC變換

AC/DC變換稱為整流。由于風速的隨機性，農業用微型風力發電機發出來的電能為不穩定的交流電源，需要首先把它們通過AC/DC變換整流成直流電，然后再通過逆變技術變成標準的交流電。圖1為三相橋式整流電路。這種電路簡單，容易得到直流電壓，但會產生嚴重的諧波污染，需接入濾波器等電力電子裝置濾除諧波。

2.2 DC/DC變換

DC/DC變換稱為直流變換。太陽能、水能、沼氣能、燃料電池等提供的電能為直流電壓，由于電壓等級低，所以需采用直流變換中的升壓電路升壓至合適的電壓等級（圖2為升壓變換電路），然后再進行逆變。另外，發電系統具有輸出功率變化響應慢的特點，如光伏發電系統和小水電發電系統響應時間在秒級，而燃料電池響應時間則更長，甚至需要數分鐘，所以在負荷突變時，功率的輸入跟不上所需要的功率輸出，會出現有功功率不足的現象；另外，光伏發電和風力發電由于陽光和風速的隨機性而具有波動性大的特點，所以需要在系統中加入儲能單元，在發電量多時儲存電能，在發電量少時調用所儲存的電能，儲能單元可以選擇蓄電池等，當使用蓄電池里的電能時，需要采用升壓電路使蓄電池放電，升壓電路將蓄電池電壓升壓至母線電壓，以供給負荷使用；反之當母線電壓過高時，需要采用降壓電路降壓對儲能單元充電，所以儲能單元通常采用雙向DC/DC電路進行充放電。

2.3 DC/AC變換

DC/AC變換稱為逆變。通過上文所述的整流或直流變換技術，都是把電源變換到合適電壓等級的直流電，而農業裝備中使用的電動機、農業生產所需要的照明電源等都需要的是標準的正弦交流電，所以需要采用如圖3所示的逆變電路把直流電變換為標準的交流電，以供給負荷，或者將余電并網。

3 電力電子技術在農業技術裝備中的應用

以電力電子技術為基礎的裝置有開關電源、軟開關、有源功率因數校正、不間斷電源、靜止無功補償裝置、變頻調速裝置等，這些裝置在農業裝備技術中有著廣泛的應用。隨著電力電子技術的發展，使農業裝備發展迅速。

3.1 農業灌溉中的變頻水泵

傳統的農業滴灌中所使用的水泵采用的電動機基本上是不可調速的電動機，水泵在工作時，電動機在一定轉速下運行，這種電動機不能通過調速來調節滴灌量的多少，而只能通過調節多個閥門的開關以滿足灌溉流量的需要，在需要小流量滴灌時，電動機的大部分能量都消耗在閥門上，浪費很大，因此需要根據需要來控制滴灌的流量。而采用電力電子變頻器進行頻率變換而進一步達到調速的目的，可以控制滴灌流量，大約能節約30%的電能，同時可以實現滴灌過程的自動化，形成無人值守的現代農業灌溉系統[4]。

3.2 精準施肥機

精準施肥技術可以減少肥料的使用，降低對環境的污染，優化農業生產，以獲得最高的產量和最大的經濟效益。精準施肥機基于脈寬調制（PWM）技術，能夠因地制宜，實現肥料播撒隨農業機械的行駛速度自動調節，并且可以在施肥過程中根據實際需要改變施肥量，也可結合采樣技術、導航技術等進行施肥，達到精準施肥的目的。

3.3 計算機節能開關電源

計算機現在已深入到生活的方方面面，在農業中計算機的利用也得到了迅速的發展。發達國家的農業科技人員，已利用計算機控制技術代替人力來管理農田，例如控制農田的滴灌、噴灌、施肥和人工智能化的田間管理，實現了農業的現代化。計算機并不是無時無刻地在工作，而是在需要時發出控制指令，如果長期處于運行狀態會使得耗電量大大增加，由此推動了計算機全面采用了數字開關電源，在睡眠狀態下的耗電量只有30瓦甚至更低。

3.4 高壓變頻農業清選機

高壓變頻農業清選機采用了電力電子技術中的高壓交流變頻調速技術，其調速方式以效率高，調速范圍寬并且可以實現無級調速，應用范圍廣、易于操作，安全性能高等眾多有點，超過任何一種調速方式，在農業清選機中廣泛應用。農業清選機中應用了高壓變頻調速電機后，降低了運行成本，實現了自動調控，也使電動機轉動造成的環境噪音大大的降低。

4 結束語

農業現代化是我國現階段重要任務之一，農業電氣化已成為改善農民生活水平的重要手段。電力電子技術作為一種高新技術為農業電氣化的發展提供了很好的支撐，隨著新的電力電子元器件的研發及現代計算機、控制技術的迅速發展，應用領域更加廣泛，應用性能也越來越完善。新的大功率電力電子器件的研發和應用必將為農業電氣化的發展提供更加廣闊的應用前景。因此，應注重電力電子技術在農業電氣化中的應用。

參考文獻

[1]耿志艷.電源及電力電子技術在農村電網中的作用[J].生態環保，2004（05）.

[2]李敏.電力電子技術在電氣工程中的應用[J].電力訊息，2015（12）.

[3]郭建.電力電子技術在新能源領域的應用研究[J].科技創新，2015（24）.

[4]馮建斌，曾祥泉.水泵變頻技術在農業灌溉中的應用[J].農田水利，2008（04）.