電力電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)電氣化中的應(yīng)用

吳丹

摘 要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)電氣化，為使農(nóng)業(yè)電氣化能夠跟上社會(huì)發(fā)展的步伐，應(yīng)將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)電氣化建設(shè)中，帶動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，因此，電力電子技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)電氣化中，顯著提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效和高品質(zhì)，同時(shí)也促進(jìn)了農(nóng)業(yè)電氣化的發(fā)展。因此，文章從電力電子技術(shù)基本情況入手，重點(diǎn)研究電力電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)電氣化中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：電力電子；農(nóng)業(yè)電氣化；應(yīng)用

如今科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)用電數(shù)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(shù)量，而且用電的技術(shù)程度都有了很大的要求，為了提升我國(guó)的農(nóng)業(yè)電氣化水平，節(jié)約資源，不僅要利用輸電技術(shù)來(lái)維持農(nóng)業(yè)的電力需求，更要向自動(dòng)化、信息化以及數(shù)字化建設(shè)的方向發(fā)展[1]，所以，更加深入地利用先進(jìn)電力電子技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)電氣化中。

1 電力電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)電氣化中的應(yīng)用現(xiàn)狀

“加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”是我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程中的重大歷史任務(wù)，也是“十二五”規(guī)劃的一項(xiàng)重要任務(wù)，而農(nóng)業(yè)的電氣化水平直接決定了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平。農(nóng)業(yè)電氣化是指在農(nóng)業(yè)上對(duì)電能的應(yīng)用，包括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村居民生活領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要是電能的利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，而農(nóng)村居民生活領(lǐng)域主要是電能的輸送、分配和利用。到目前為止，幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家的都已實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)電氣化，但我國(guó)的農(nóng)業(yè)電氣化水平還較低，各地區(qū)發(fā)展差距也較大。而決定我國(guó)農(nóng)業(yè)電氣化發(fā)展水平的，就是電力電子技術(shù)的應(yīng)用水平。

電力電子技術(shù)[2]是在電力領(lǐng)域使用的電子技術(shù)，是使用電力電子器件使弱點(diǎn)和強(qiáng)電接口。主要應(yīng)用在對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的領(lǐng)域。20世紀(jì)以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍以擴(kuò)展到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、電力、通信、節(jié)能、家電、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。例如在在農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備中的應(yīng)用提高了農(nóng)業(yè)裝備的自動(dòng)化程度，使農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備實(shí)現(xiàn)了靈活可控。

2 電力電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)電網(wǎng)電能變換中的應(yīng)用

在農(nóng)村，用電大多采用從國(guó)家電網(wǎng)買(mǎi)電形式，這種形式費(fèi)用高并且偏遠(yuǎn)地區(qū)會(huì)出現(xiàn)缺電等問(wèn)題。我國(guó)農(nóng)村有豐富的可再生資源，可以因地制宜采用分布式發(fā)電技術(shù)改善農(nóng)村的用能條件。在水資源豐富的地區(qū)，可以采用水電發(fā)電；在風(fēng)能資源充足的地區(qū)，可以推廣使用小風(fēng)電；在太陽(yáng)光充足的地區(qū)，推廣使用光伏發(fā)電；也可以推廣風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，并結(jié)合沼氣發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電等[3]。采用電力電子技術(shù)的電力變換技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的電氣化。

2.1 AC/DC變換

AC/DC變換稱為整流。由于風(fēng)速的隨機(jī)性，農(nóng)業(yè)用微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的電能為不穩(wěn)定的交流電源，需要首先把它們通過(guò)AC/DC變換整流成直流電，然后再通過(guò)逆變技術(shù)變成標(biāo)準(zhǔn)的交流電。圖1為三相橋式整流電路。這種電路簡(jiǎn)單，容易得到直流電壓，但會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(yáng)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(jí)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(jí)（圖2為升壓變換電路），然后再進(jìn)行逆變。另外，發(fā)電系統(tǒng)具有輸出功率變化響應(yīng)慢的特點(diǎn)，如光伏發(fā)電系統(tǒng)和小水電發(fā)電系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在秒級(jí)，而燃料電池響應(yīng)時(shí)間則更長(zhǎng)，甚至需要數(shù)分鐘，所以在負(fù)荷突變時(shí)，功率的輸入跟不上所需要的功率輸出，會(huì)出現(xiàn)有功功率不足的現(xiàn)象；另外，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電由于陽(yáng)光和風(fēng)速的隨機(jī)性而具有波動(dòng)性大的特點(diǎn)，所以需要在系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能單元，在發(fā)電量多時(shí)儲(chǔ)存電能，在發(fā)電量少時(shí)調(diào)用所儲(chǔ)存的電能，儲(chǔ)能單元可以選擇蓄電池等，當(dāng)使用蓄電池里的電能時(shí)，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(fù)荷使用；反之當(dāng)母線電壓過(guò)高時(shí)，需要采用降壓電路降壓對(duì)儲(chǔ)能單元充電，所以儲(chǔ)能單元通常采用雙向DC/DC電路進(jìn)行充放電。

2.3 DC/AC變換

DC/AC變換稱為逆變。通過(guò)上文所述的整流或直流變換技術(shù)，都是把電源變換到合適電壓等級(jí)的直流電，而農(nóng)業(yè)裝備中使用的電動(dòng)機(jī)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的照明電源等都需要的是標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的交流電，以供給負(fù)荷，或者將余電并網(wǎng)。

3 電力電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備中的應(yīng)用

以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的裝置有開(kāi)關(guān)電源、軟開(kāi)關(guān)、有源功率因數(shù)校正、不間斷電源、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、變頻調(diào)速裝置等，這些裝置在農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展迅速。

3.1 農(nóng)業(yè)灌溉中的變頻水泵

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)滴灌中所使用的水泵采用的電動(dòng)機(jī)基本上是不可調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，水泵在工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，這種電動(dòng)機(jī)不能通過(guò)調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)滴灌量的多少，而只能通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)以滿足灌溉流量的需要，在需要小流量滴灌時(shí)，電動(dòng)機(jī)的大部分能量都消耗在閥門(mén)上，浪費(fèi)很大，因此需要根據(jù)需要來(lái)控制滴灌的流量。而采用電力電子變頻器進(jìn)行頻率變換而進(jìn)一步達(dá)到調(diào)速的目的，可以控制滴灌流量，大約能節(jié)約30%的電能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)滴灌過(guò)程的自動(dòng)化，形成無(wú)人值守的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)[4]。

3.2 精準(zhǔn)施肥機(jī)

精準(zhǔn)施肥技術(shù)可以減少肥料的使用，降低對(duì)環(huán)境的污染，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以獲得最高的產(chǎn)量和最大的經(jīng)濟(jì)效益。精準(zhǔn)施肥機(jī)基于脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，能夠因地制宜，實(shí)現(xiàn)肥料播撒隨農(nóng)業(yè)機(jī)械的行駛速度自動(dòng)調(diào)節(jié)，并且可以在施肥過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要改變施肥量，也可結(jié)合采樣技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等進(jìn)行施肥，達(dá)到精準(zhǔn)施肥的目的。

3.3 計(jì)算機(jī)節(jié)能開(kāi)關(guān)電源

計(jì)算機(jī)現(xiàn)在已深入到生活的方方面面，在農(nóng)業(yè)中計(jì)算機(jī)的利用也得到了迅速的發(fā)展。發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)科技人員，已利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)代替人力來(lái)管理農(nóng)田，例如控制農(nóng)田的滴灌、噴灌、施肥和人工智能化的田間管理，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。計(jì)算機(jī)并不是無(wú)時(shí)無(wú)刻地在工作，而是在需要時(shí)發(fā)出控制指令，如果長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)會(huì)使得耗電量大大增加，由此推動(dòng)了計(jì)算機(jī)全面采用了數(shù)字開(kāi)關(guān)電源，在睡眠狀態(tài)下的耗電量只有30瓦甚至更低。

3.4 高壓變頻農(nóng)業(yè)清選機(jī)

高壓變頻農(nóng)業(yè)清選機(jī)采用了電力電子技術(shù)中的高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)，其調(diào)速方式以效率高，調(diào)速范圍寬并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)用范圍廣、易于操作，安全性能高等眾多有點(diǎn)，超過(guò)任何一種調(diào)速方式，在農(nóng)業(yè)清選機(jī)中廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)清選機(jī)中應(yīng)用了高壓變頻調(diào)速電機(jī)后，降低了運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)控，也使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)造成的環(huán)境噪音大大的降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是我國(guó)現(xiàn)階段重要任務(wù)之一，農(nóng)業(yè)電氣化已成為改善農(nóng)民生活水平的重要手段。電力電子技術(shù)作為一種高新技術(shù)為農(nóng)業(yè)電氣化的發(fā)展提供了很好的支撐，隨著新的電力電子元器件的研發(fā)及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，應(yīng)用性能也越來(lái)越完善。新的大功率電力電子器件的研發(fā)和應(yīng)用必將為農(nóng)業(yè)電氣化的發(fā)展提供更加廣闊的應(yīng)用前景。因此，應(yīng)注重電力電子技術(shù)在農(nóng)業(yè)電氣化中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[4]馮建斌，曾祥泉.水泵變頻技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用[J].農(nóng)田水利，2008（04）.