电气工程中电力电子技术的应用探讨

杨永建

摘要：作为跨半导体和电气技术的新技术，电力电子技术在电气工程中的应用变得越来越流行，利用电力电子技术的使用可以显着提高电气工程的效率和安全性。本文首先简要阐述了电力电子技术的基本概念和发展现状，并重点分析了电气工程系统中电力电子技术的实际应用场合和应用效果，希望为电气工程技术人员提供一些参考思路。

关键词：电气工程；电力电子；技术；应用

引言：

当前，随着半导体技术、电子信息技术以及智能控制技术的快速发展，电力电子技术也日益成熟并且得到更为广泛的应用，在能源、电力、工业、交通等各个方面正处于高速发展时期。电力电子技术的广泛应用为促进我国电网系统质量提升、电力能源结构优化升级以及电力驱动领域的创新发展正发挥着重要的作用。

一、电力电子技术的简述

电力电子技术已发展成为一种新兴的半导体技术，主要利用半导体电子元件来转换和控制电力变换。常用的电力电子元件包括晶闸管、大功率MOS管、以及IGBT、IGCT等，电力电子技术可以将功率在1W到超过MW范围内的电能进行变换。电力电子技术与电子信息技术有较大的区别，电子信息技术主要应用对信息数据的处理，而电力电子技术用于转换电力。电力电子技术从实用角度可分为两类：电力电子制造技术和电能变换技术。电能变换技术涉及整流、斩波、变频、逆变等多个领域。电力电子技术由于能够实现大功率电能的转换，在电力工程系统中得到了广泛的应用。目前，我国各大理工科高校的电气工程和自动化相关专业均开设了电力电子技术基础课程，为我国电力工业的人才培养奠定了坚实的基础。

二、电力电子技术在电气工程中的应用

1、变电站中电力电子技术的应用

电力电子技术在变电站中的应用不仅提高了变电站的效率，而且大大减少了手动操作的频次，可以更有效地避免由于人为因素造成的工作错误，实现变电站高质量和高效率的运行管理。同时，电力电子技术的应用将有助于变电站工作人员进行监督工作，尽快发现工作中存在的问题，并尽快解决问题，确保变电站安全稳定运行。近年来，随着社会的快速发展，电力电子技术也得到了改进。电力电子技术在变电站的应用有助于实现变电站的科学管理。因此，变电站应注重电力电子技术的应用以减少变电站安全事故。随着电力电子技术的发展，变电站还大量采用静态无功补偿装置，大大提高了电力系统的安全稳定运行，为用户提供了高质量的电力。无功率补偿可以提高电力系统的功率因数和负载，降低功率损耗，确保电压安全稳定运行，从而提高电源质量。一般来说，静态无功补偿装置主要有以下四种类型：第一个是晶闸管控制器，主要由两部分组成：反并联晶体管和电抗器串联连接。第二种是晶体管开关电容器，属于单相结构。这种装置很少发生磨损，响应快，切换平稳，同时能实现综合补偿。第三种是静态同步补偿装置，其补偿的基本原理是在并联作用下将自整流桥电流连接到电网，以达到电压调节等无功补偿的目的，通常使用功率半导体桥式变换器进行补偿，这种无功补偿主要是动态补偿，它具有调节速度快的特点，静态同步补偿器主要是利用脉冲宽度调制技术消除电流中的谐波从而减少由于谐波影响对设备的损坏。第四种是可控串联补偿装置。该装置可以通过对电流谐波控制并对频率参数进行有效补偿，从而改善系统的阻尼特性，从而减少了系统的低频振荡，提高了系统的安全性和可靠性。

2、电气传动系统中电力电子技术的应用

电气传动系统是指利用电动机将电能转化为机械能，并将这部分机械能转化为系统需要的运动形式进行合理的传递和分配，使系统内机械执行机构能够完成工艺工作，一般的电气传动系统主要有电机驱动器、机械传动机构和控制系统等部分。随着新型电机、大功率电力电子器件与新的计算机控制技术的广泛应用，电气传动系统经历了从简单到复杂，从低级到高级，从单电动机拖动到多电动机拖动，从直流电机调速到交流电机变频调速的发展过程，电气传统系统的性能和效率在不断进步，电力传动系统控制的本质是对电力传动系统的发电机、电动机、变压器等电气设备进行自动控制的过程，其中，对于电气传动系统中的发电机功率控制、驱动电机的调速、伺服控制功能而言，需要电力电子技术深度参与，比如对于交流电机驱动的变频器，用于直流电机调速的PWM电压控制需要运用较大功率的电力电子器件，比如IGBT、IGCT大功率场效应管等功率元件，利用电力电子技术能够实现驱动电机的平滑调速与精确的位置伺服控制，同时结合先进的智能化控制算法如神经网络算法、模糊控制算法等能够有效提升电气传动系统的能量转换效率和稳定性。

3、新能源发电中电力电子技术的应用

当前，随着我国能源结构的不断优化，新能源发电产业正在快速增长，其中，以风力发电机组和太阳能光伏发电系统中的应用最为广泛。

在风力发电系统中，由于自然界的风速变化较快，且难以控制，因此风力发电机组的转速和功率受风速影响非常不稳定，如果不能对发电机输出的电压和频率进行有效控制，会导致风力发电机组输出电能质量很差，难以并入电网之中或对电网造成很大的影响。为了解决这一问题。在风力发电技术中广泛应用了电力电子技术，以永磁型风力发电机组为例，机组在运行过程中转速跟随风速变化，因此发电机输出电压和频率也是事实变化的，并不能直接并入电网，因此，需要再用全功率整流-逆变技术，首先在发电机出口侧利用可控整流技术将并不规则的电压波形进行整流后变成直流，然后通过逆变部分对直流电进行逆变，输出与电网电压、频率、相位相同的三相交流电再并入电网。在风电变频器中，使用了很多大功率电力电子元器件，如晶闸管、大功率IGBT等器件，此外，还需要运用大量的现代控制理论和控制技术与电力电子技术相结合，实现对风力发电机组输出电能波形的控制，从而保证风电能够平稳的向电网输出电能。

在太阳能光伏发电系统中，光伏电池的材料特性决定了光伏电池板只能输出直流電，而我国电网均为三相交流电，因此必须利用逆变器对光伏输出的直流电进行逆变后再上网，光伏逆变器是一种典型的电力电子设备，其中广泛使用了大功率电力电子器件如IGBT等。此外，在光伏发电系统中，在不同季节，不同时段和不同天气下，由于光照强度的差别，太阳能光伏板发电效率会受到很大的影响，导致光伏板输出的直流电压和电流存在较大的波动，要想让光伏发电顺利并网，首先要运用大功率电力电子器件实现DC-DC变换，保证逆变器直流母线电压能够满足逆变器输入电压需求，在DC-DC变换过程中，也运用到了电力电子技术以实现光伏电池直流电压输出稳压的功能。

结语：

总之，伴随着电力电子技术在电气工程中的广泛应用，不仅提升了电气工程的运行效率，而且提高了电力系统的安全性和稳定性，并同时降低了电气系统的运行维护成本，从而更好的促进了我国电气工程领域的健康发展。尤其在变电站系统、电气传动系统和新能源发电方面的电力电子技术起到了至关重要的作用，为我国电网稳定运行和能源产业结构的优化升级贡献了巨大的力量。

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（作者单位：保定四方三伊电气有限公司）