电力电子技术在电气工程中的应用研究

郑哲一 曾荷芸 邓维 李小碟

摘 要 本课题主要讨论了电力电子技术在电气工程中的应用。本课题首先详细地介绍了电力电子技术的概念，此外还在介绍电力电子技术的基础上，深入剖析了电力电子技术在电气工程中的具体应用，目的是为了让更多的人能够较容易的理解电力电子技术，能够知道电力电子技术是如何带给人们便捷的生活，从而表现出电力电子技术对当代社会的意义。[1]

关键词 电力电子技术 电气工程 电网

中图分类号：TN7 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）03-0040-03

时代在发展，科技在进步，人们的生活方式也变得越来越多、越来越便捷，我们是否认真仔细地想过是什么让时代发展的如此迅速？是什么让科技进步地如此之快？又是什么让人们的生活方式变得越来越多越来越便捷？是电脑手机的出现让我们的生活开始出现变化，让我们可以时时刻刻上网了解到世界各地的时事新闻;是“共享单车”、“美团外卖”这些应用程序的存在更改了我们的生活方式，让我们的生活变得便捷;是高铁技术的发展让我们之间的距离变得越来越近，让我们的生活开始加快脚步。而发展这些的基础，是那一个个电路板的拼接，那一个个电子元件的连接，以及那一台台设备的控制运行。

伴随着我国生产力和科学技术水平的不断进步和提高，电能已经成为人们生活中必不可少的一份子，而如何让电网输出高质量的电，如何维持电网的稳定，如何让电能尽最大限度地发挥作用，这是我们需要考虑的眼前的问题。[2]此时，电力电子技术的出现，极大地解决了其中的问题，由此可见，电力电子技术在保障着人们的生活，在推进着电力行业的发展。

1 电力电子技术基本内容简介

电力电子技术是一种应用于电力领域的新型电子技术，简单来讲，电力电子技术就是利用电力电子器件（如晶闸管、GTO、IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，是把“粗电”变成“精电”的技术。电力电子技术的“电力”改造工作范围非常大，功率可以大到几百兆瓦，甚至可以小到几瓦及1瓦以下。电力电子技术与信息电子技术是不一样的，他们的区别是，电力电子主要用于电力变换，即交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流。而信息电子技术主要用在软件方面来处理信息。电力电子技术通常被分为两类，即电力电子器件制造技术和电力电子器件应用技术。[3]

电力电子器件制造技术的发展历程是从半控型器件起步，将半控型器件进行应用和发展，之后发展出了全控型器件，再将全控型器件进行发展与应用，发展到现在的复合型器件，现如今使用的最多的也是功率集成电路，功率集成电路是将驱动、控制、保护模块和电力电子器件集成在一起。[4]

电力电子技术发展的历程不算很长但是却发展的很快，这门技术被人们应用的很充分，每一个部分在生产生活中都有对应的使用意义，为人们生活创造出了太多便捷。电力电子技术在生活的各个领域都有被应用，被用在工业、交通、电气、通信、计算机、新能源技术等领域中，它也在家用电器方面被广泛应用，例如照明、空调、洗衣机等家电中被应用。由此可见，电力电子技术在人们生活的各个方面都存在，甚至可以说电力电子技术是人们生活的必备品。

可能大部分人会把电力电子技术归到弱电技术中，会觉得它与强电没有任何关系，事实上，电力电子技术不仅与弱电有关联，更与强电有关联，而且它是连接强电与弱电的重要桥梁。[5]

2 电力电子技术的意义

电力电子技术是改变人们生活的根本技术，从家用器件设备到出行交通设备再到航空航天设备，都是通过应用电力电子技术去创造、改变、发展的。虽然这是一门工科技术方面的问题，但它却也涉及着多个学科门类的问题，所以电力电子技术的发展同样也会影响别的学科的发展，是相互促进、共同发展的。

电力电子技术是一个很强的现代化技术，被熟练地运用于生产生活中，它通过控制各种电子元件来实现对电路的控制，而且还可以提高设备的效率，从而让设备使用时间增长。随着电力电子技术逐步的发展与优化，其应用的范围也在慢慢地扩大。[6]其主要意义有以下四点：

（1）让电能充分的被人们利用，使電能的使利用率达到最大化。从我们身边来说，灯是离人们生活中最近的与电有关的装置，要想从人们生活中实现节电这一目的，就可以推出节能灯这个项目。要使人们的生产生活中充分利用电能，可以通过电力电子技术来提高或者变换频率调速来实现，例如变频空调，改变交流电机的频率和调速等。除此之外，能源压力是当代的头疼问题之一，让我们头疼的是不可再生能源恰恰也是人们生活的必需能源，此时可再生能源的发展就显得尤为重要，可再生能源就在大自然中，我们可以通过电力电子技术来优化可再生能源转化来的电能，让这些电能可以为人们所用。[7]

（2）改进传统产业，使一些新兴产业得到快速发展。一些传统产业的集成度和效率可能无法满足当代人的需求，对于产业链来说，设备是必不可少的一个环节，大多数甚至可以说是全部的设备都需要电来启动，这时电的质量就显得很重要，电的质量靠电力电子技术来提高改善。电力电子技术又是连接强电与弱电的桥梁，所以可以通过可控设备来控制不可控设备的运行，这大大解放了人们的劳动力，提高了产业的效率。[8]

（3）电力电子技术向智能的方向发展，使信息方面的技术与电力电子技术能够相互结合，给人们提供更便捷的生活。虽然电力电子技术经过这么多年的发展已经很纯熟了，但是这门技术还蕴含着巨大的可能与未知。

3 电力电子技术在电气工程中的应用

3.1 软开关技术

3.1.1 开关介绍

（1）硬开关。不管开关两端电压和电流有没有降为零都直接打开或关断，此时可能会出现火花，有明显的能量损失存在，同样也有安全隐患存在。

（2）软开关。软开关电路中有电感和电容，电感和电容存在的意义就是让开关两端的电压电流数值能缓慢降为零，之后再将开关打通关断。软开关电路降低了能量损失，消除了硬开关电路存在的安全隐患。

3.1.2 软开关技术在未来的发展趋势及优势

（1）软开关技术可以很好的降低开关开通和开关关断时的能量损失，延长设备即开关的使用寿命。在对要求很高的大工程上，使用软开关技术可以表现出高效率。

（2）安全性高。如果是硬关而且电流过大时可能会出现火花，此时不仅对设备会造成严重的伤害，而且更重要的是对使用设备的人会造成巨大风险，对环境而言也不友好。软开关技术大大提高了安全性。在对频率和效率要求很高的工程上，可以应用软开关技术中的谐振电路，谐振电路可以在大频率中表现出高效率。

（3）单一的软开关电路可以解决大部分的问题，那么将单一的电路通过级联、并联、串联等的方式形成组合电路，在一些方面来说可以大大提高电路的性能，组合电路将成为未来研究发展的一个大趋势。

3.2 静止无功补偿技术

3.2.1 静止无功补偿技术简介

无功功率补偿技术主要应用于电网中，它可以让电网处于高质量运行的状态。要使无功完全不存在是不可能的，而我们要做到的是让无功功率保持平衡，打破这个平衡主要有两个原因：一方面在电网的“头部”，即输送部门传送的三相电的质量不高;另一方面在电网的“尾部”，即用户的电气性能不好。这两方面的原因导致了大量无功的存在。在电力系统的运行中，电能质量对人们来说至关重要，电能质量高，不仅对用户来说使用起来方便快捷，而且给设备也能提高效率减轻负担并且能让设备使用的寿命延长。电压和频率是用来表征电能质量好还是不好的指标量，电压和频率分别和无功功率和有功功率紧密关联，控制用功功率和无功功率也是通过控制电压频率来完成的。

无功补偿的装置发展历程是：从一开始的无功补偿电容器，发展到同步调相机，再到电力电子器件构成的无功补偿装置。无功补偿电容器实现不了动态补偿，因为其自身有固定的阻抗所以限制了它的功能。同步调相机的类别属于电机类，它可以实现动态补偿，但在运行过程中会浪费太多电能，所以逐渐被社会淘汰。随着技术进一步的发展，人们发现晶闸管这一电力电子器件构成的无功补偿装置有着良好的性能，于是，这种装置已经被广泛地应用在电力系统中。[9]

3.2.2 静止无功补偿技术的优势及未来的发展趋势

（1）根据用电设备可以得到实时功率因数从而计算出损失的电能，此时可以提高电压的功率因数，来减小电能的损失，以达到节能目的。

（2）减小了电能的损失从而延长了设备的使用寿命，也大大提高了电网中的电能的质量。

（3）因为晶闸管有耐压的限制，这导致系统的电压操作环境被限制，即无功补偿技术目前还只应用于低压系统，而这也给未来的发展趋势指了一条明朗的路，将无功补偿技术应用在高压系统中，这个发展趋势将会解决更多的还有待解决的问题。

3.3 高压直流输电

3.3.1 高压直流输电简介

可以说，在电力系统中应用了电力电子技术之母的是高压直流输电技术。纵观电史，我们知道一百多年前就有两位伟大的科学家引发了“电流之战”，这两位伟大的科学家就是爱迪生和特斯拉了。爱迪生发明了电灯，他是直流电的支持者，而特斯拉确是交流电的支持者，最后的结果是交流电胜利了。虽然当时是交流电的胜利，但是交流电和直流电并没有哪一个优于哪一个之说，对于现如今来说，直流和交流各有优缺点，怎么样达到最好的效果呢？就是“合作共赢”。刚开始人们是用直流电来输送电能，但是随着社会、经济、技术的发展，世界开始变得越来越大，人们了解的地区也越来越多，人们的视野开始变得宽广，而输电的距离也开始增加，此时交流电远距离的运输凸显出了交流电运输的缺陷，例如成本的增加、稳定性的降低、输电容量不足等，此时电力电子技术正在发展且出现了变流技术中的交直流变换技术，此时直流电又进入人们的视野，从而解决了交流电输电所带来的一系列问题。

3.3.2 高压直流输电技术的优势

（1）从经济角度来考虑，高压直流输电技术的经济成本要比交流输电的经济成本低，而且性能优于交流输电。直流输电没有感性、容性等参数的限制，也没有交流电的肌肤涡流效应的干预，所以相同的距离直流输电使用的材料要比交流输电使用的材料更少，即节约了成本。[10]

（2）从适用范围考虑，直流输电的适用范围更广，在地下和海底中这种对设备技术要求比较高的环境中都可以使用。

（3）从环保的角度来说，直流输电更节能。因为直流输电所需的材料比交流输电少，而且不存在肌肤等效应，所以电能损耗更小，电能利用率更高。

（4）从操控的角度来说，直流输电更便于控制。电力电子技术本来就是强电与弱电的沟通桥梁，是通过弱电控制强电，电力电子器件本身就具备可控性所以可以很好的通过控制电力电子器件进一步控制电力系统，从而保持系统的穩定性。

4 结语

综上所述，通过从电力电子技术的介绍开始，来说明电力电子技术在电气工程上的应用，可以让我们直观地感受到电力电子技术给我们带来的便捷生活及电力电子技术相对于其他技术的优势所在，显露出电力电子技术在现代社会中的地位。电力电子技术的发展离不开人们的探索，而人类社会的发展也离不开电力电子技术作为基底支持。电力电子技术不仅仅是技术发面的发展，它也深深地影响着经济的发展，从而影响到整个社会的发展。在电力行业中，电力电子技术已经被熟练地应用于方方面面，每一个环节都有电力电子技术的存在意义与价值。可以这样说，电力电子技术像海浪，而电力系统就像在海上行驶的船，海浪一次次的推动着船，船才得以在海上越行越远。

参考文献：

[1] 张一功，肖湘宁.现代电力电子技术原理及应用[M].北京：科学出版社.1999.

[2] 金海明.郑安平.电力电子技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[3] 林忠岳.现代电力电子应用技术[M].北京：科学出版社，2007： 237-245.

[4] 贺益康，潘再平.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2010.

[5] 汪先兵，王祥傲.基于仿真技术的电力电子技术课程教学研究[J].集宁师范学院学报，2019，41（06）：100-103.

[6] 李远豪.浅谈计算机仿真软件在电力电子技术教学中的应用[J].电子世界，2020（03）：105.

[7] 包海泉.电力电子技术应用系统发展热点[J].电子技术与软件工程，2017（18）：23.

[8] 张静，王洪月，刘泽华.浅析电力电子技术在智能电网中的应用[J].科技经济导刊，2017（15）：112-114.

[9] 闫影，丁涛.浅谈电力电子技术在电力系统中的应用[J].科学技术创新，2011（23）：84.

[10] 刘绪斌.浅谈电力电子技术的应用及其发展[J].中国电子商务， 2012（06）：145.

西华大学，四川 成都