电力电子技术的发展及应用探究

西北民族大学电气工程学院 刘增金

1.电力电子技术的发展

自上个世纪五十年代末第一只晶闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台。以晶闸管为基础开发的可控硅整流装置，让电能的变换和控制从旋转变流机组和静止离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，是电气传动史上的一次革命。随着电力电子技术理论研究与制造工艺水平的不断提高，电力电子器件的功能与应用迅速在得发展，先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，随着电力电子技术在更多新领域的应用与发展表明电力电子技术已经进入现代电力电子时代。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1 晶闸管整流时代

大功率的工业用电由工频（50Hz）交流发电机来提供的，在应用过程中，大约有20%的电能是以直流形式消费的，譬如电解（有色金属和化工原料需要直流电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）、直流传动（轧钢、造纸等）等几大领域。大功率硅整流器能够高效率的把工频交流电转变为直流电，在上世纪六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用快速发展。国内曾经掀起了各地大办硅整流器厂的热潮，当前我国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家大多是那个时代建设的。这一时期称之为电力电子技术的晶闸管时代。

1.2 电力电子技术的逆变时代

上世纪70年代后，随着自关断器件的出现，电力电子技术进入了逆变时代。当时的世界范围的能源危机，让交流电机变频调速因节能效果显著而得到了迅猛发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0～100Hz的交流电，大功率逆变用的晶闸管以及巨型功率晶体管（GTR）和门极可关断晶闸管（GT0）很快成为当时电力电子器件的主要角色。虽然这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变的功能，但仅局限在中低频范围内，工作频率相对较低。

1.3 现代电力电子变频器时代

上世纪八十年代后，大规模和超大规模集成电路技术得到了广泛的应用，为电力电子技术的快速发展打下了良好的基础。集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合应用。以功率MOSFET和IGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件以及以低频技术处理问题为主的传统电力电子学正在向高频技术处理问题为主的现代电力电子学转变。这种现象表明，传统电力电子技术已经进入现代电力电子变频器时代。这一时期，各种新型器件应用大规模集成电路技术，向复合化、模块化的方向发展，让电力电子器件结构紧凑、体积缩小，同时能够综合不同器件的优点。这些新型器件的发展，为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，同时使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能、实现小型轻量化、机电一体化和智能化打下了重要的技术基础。

2.电力电子的技术应用

当前，电力电子技术的应用越来越广泛。世界上一些先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的时期，而电力电子技术是改造传统产业、支持高新技术发展的基础，是信息产业与传统产业之间的桥梁纽带，近些年来，随着新型器件的开发与性能的改善与提高，更多高性能的电力变流装置已经被广泛使用。这不仅促进了电力电子学自身的发展，而且影响着半导体材料技术、大规模集成电路技术、自动控制技术、信息传递与处理技术及电路拓扑技术的进步。因此，电力电子技术的应用已经成为一门有着广阔应用前景，发展方兴未艾的技术，在国民经济中的地位越来越重要。

2.1 电力电子技术在再生能源发电中的应用

当前世界的能源结构，仍是以资源有限、污染严重的化石燃料为主要电力能源，但清洁干净的可再生能源如太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能、燃料电池等再生能源也开始进入快速发展时期。这些新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限的优势正在迅速推广使用。据有关资料预测，到2060年，世界电力能源消耗的一半将来源于可再生能源发电。

在可再生资源中，风能是最重要的组成部分。全球风能资源丰富，据统计，全球风能潜力能占到当前全球用电量的5倍之多。同时，利用风能发电无污染，能降低全球二氧化碳排放量欧洲，再次，风能发电施工占地少，周期短，投资灵活，具有较好的经济效益和社会效益。现代电力电子技术以及变频调速技术的迅速发展，在风力发电中的得到了广泛的应用。当前的风电机组已经成为结合了先进的空气动力学、机械制造、电子技术、微机控制技术的高科技产品，而风力发电系统中不可或缺的重要组成部分就是高科技的电力电子技术，电力电子技术对于风电机组的控制、电能的转换、电能质量的改善等都至关重要。

水能和太阳能也是可再生能源中重要组成部分。当前，我国的水电蕴藏大约为6.67亿千瓦，能开发的大约为3.78亿千瓦，但我国目前的水电年发电量仅为19200亿千瓦时，开发潜力还很大。水能发电由于具有丰水期和枯水期，发电机组的最佳速度也要有不同变化。因此，发电运行时，需要将传统的直流励磁改成超低频可变频交流励磁，用励磁频率的变化弥补发电机转子转速的非稳定变化，以保持当枯水期水头下降时，水力发电机能持续发电。这需要现代电力电子技术来完成。太阳能光伏发电则给世界能源界注入了一股新鲜的力量，太阳能资源也是十分丰富，而大功率太阳能发电，不管使用独立或并网的系统，都需要利用最大功率跟踪功能的逆变器将太阳能阵列发电的直流电转化成交流电，这更需要现代电力电子技术来完成。

2.2 电力电子技术在电力节能中的应用

当前，现代工业能源与电力相结合的越来越密切，电力正以清洁、稳定、利用率高以及适用范围广的众多优点，已在现代工业的各个方面得到广泛利用，电能已是现代工业的动力之源与能量之泉。据相关数据，近几年来，我国的工业用电总量正以每年15.9%的速度猛增，然而在很多发展中国家，工业用电还不够合理，特别是在用电效率低、浪费严重。在世界化石能源日益枯竭的今天，降低电能消耗对于解决能源问题意义重大，而提高电源效率、降低电源消耗的根本途径就是运用现代化电力电子技术来提高效率，优化性能，还节约原材料。电力电子技术对世界的能源安全有着至关重要的作用。

2.3 电力电子技术在改造传统产业中的应用

电力电子技术是弱电控制强电的连接纽带，是机电设备与计算机的重要媒介，电力电子技术为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件。在电力电子技术的应用中，在传统工业行业中，许多劳动强度大、劳动环境恶劣的工作环境，通过工业控制系统把电能转化为劳动力，把工人们从落后的劳动车间带入到现代化的智能工作室，大大提高了劳动生产率，节约了人力资源。解决了企业的众多安全与环境问题。

2.4 电力电子技术在家用电器中的应用

电力电子技术不但在现代工业制成品得到广泛应用，也给人们的衣食住行中带来的极大的方便。电力电子控制学让人们从繁杂的家务劳动中解放出来：譬如洗衣服只需要把衣服放进洗衣机，再按下按钮，有空就可以拿出干净的衣服；洗碗机能快速将油乎乎的餐具洗净，同时，电力电子变频技术使得家用电器既方便又节能，变速空调和变速热泵能够节约30%的电能，高频荧光灯比白炽灯效率高2-3倍。

3.结束语

总之，电力电子技术是一个较年轻但极具发展前途的产业。是智力、信息、知识密集型的技术，有非常高的实用性，应用范围非常的广，每个用电产品几乎都可以牵涉到电力电子技术，同时电力电子技术可以达到高效节能的目的。这个行业也必将进一步得到发展，必将节省更多的能源，为国民经济服务，成为国民经济中的一个重要产业。

[1] 王云亮.电力电子技术[M].电子工业出版社,2004.

[2] 黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].机械工业出版社,2001.

[3] 诺克斯维尔B.K.博斯.电力电子和电机传动的最新进展[J].电力电子,2005(6).

[4] 杨慧颖等.风力发电中电力电子技术的应用[J].2005.

[5] 张国君,王学礼.现代电力电子及电源技术的发展[J].2005.

[6] 杨敏利.我国电力电子技术产业化模式选择与战略分析[J].

[7] 林渭勋.浅谈半导体高频电力电子技术[A].电力电子技术选编[M].浙江大学,1992:384-390.

[8] 季幼章.迎接知识经济时代,发展电源技术应用[J].电源技术应用,l998,2.

[9] 叶治正,叶靖国.开关稳压电源[M].高等教育出版社,1998.