電力電子技術發(fā)展及應用綜述

電力電子技術發(fā)展及應用綜述摘要：電力電子技術是利用電力電子器件（比如GTO、IGBT、晶閘管等）對電能加以控制與變換的一種技術。它既是電子學在強電領域的分支，也是電工學在弱電領域的分支，總之它是強電與弱電相結合的一門學科。電力電子技術作為一門新興技術，已經被廣泛應用于通信、能源、生命科學、環(huán)保以及材料等領域，并且其發(fā)展勢頭日益強勁。電力電子技術在國民經濟發(fā)展以及人們日常生活中扮演著非常重要的角色。本文分析了電力電子技術的發(fā)展，并從八個方面，簡要論述了電力電子技術所應用的領域。關鍵字：電力電子技術、發(fā)展、應用1發(fā)展縱觀電力電子技術的發(fā)展動向，是由低頻技術處理向高頻技術處理逐步轉變。電力電子技術開始于上世紀五十年代末與六十年代初的硅整流器件，隨后經歷了整流器時代、逆變器時代、變頻器時代，隨著電力電子技術的快速發(fā)展，這一技術已經被廣泛應用于社會的諸多領域。而上世紀八十年代末與九十年代初出現(xiàn)的功率MOSFET與IGBT，也就是高頻、高壓、大電流的功率半導體復合器件，標志著傳統(tǒng)電力電子技術時代的結束與現(xiàn)代電力電子時代的興起。上世紀九十年代的電力電子技術著重于研究高頻化、集成化、模塊化與智能化。理論與實踐證明：電氣產品體積與重量縮小與供電頻率的平方根成反比，也就是說，當我們把50Hz的標準工頻進行大幅度提高以后，使用這一工頻的電子儀器的體積與重量將會大幅度縮小，這將會使用于制造電子設備的材料大幅度縮減，運行過程中的電能節(jié)約也會日趨明顯，電氣設備系統(tǒng)的各項性能將會大幅度改善，這一點將會對冶金行業(yè)的快速發(fā)展產生深遠影響。因此，電力電子器件的高頻化已經成為未來電力電子技術發(fā)展的主導方向，同時硬件結構的模塊化、標準化也將會是器件發(fā)展的一個必然趨勢?，F(xiàn)階段，飛速發(fā)展的模塊已經囊括了開關元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內及驅動保護電路多個單元，并且已經生產出一系列產品，同時在可靠性上達到了非常高的標準。隨著經濟的快速發(fā)展，能源問題日益突顯，這使得世界各國普遍關注電力電子技術的發(fā)展態(tài)勢，也使各國投入大量精力對其進行生產研發(fā)。一方面有著自關斷能力的高頻元件的開發(fā)與利用已經取得了令人驚喜的地步；另一方面，電力電子技術與微電子技術的融合也使新一代電力電子技術鋒芒畢露。有的專家斷言：智能化功率集成電路的興起與推廣必將在二十一世紀引起第二次電子學革命。2應用2.1在再生能源發(fā)電領域的應用目前，世界能源仍舊是以污染較為嚴重且資源有限的化石燃料為主。隨著人們環(huán)保意識的逐漸提高，那些干凈清潔的可再生能源比如風能、生物質能、太陽能、潮汐能、地熱能等等，迎來了發(fā)展的黃金時期，但是想要真正發(fā)揮這些綠色能源的巨大優(yōu)勢，就必須廣泛應用電力電子技術。比如在風能的開發(fā)與利用領域，風能機電系統(tǒng)融合了機械制造學、空氣動力學、計算機控制技術以及電子技術，但最重要的還是電力電子技術，因為電力電子技術在電能轉換、機組控制以及電能質量改善等方面，都發(fā)揮著至關重要的作用。2.2在交通運輸領域的應用目前，電氣化鐵道已經廣泛應用電力電子技術，比如直流機車所采用的整流裝置，交流機車所采用的變頻裝置。除了那些牽引類電機傳動以外，車輛之中的輔助電源也同樣無法離開電力電子技術。比如電動汽車的電機主要是靠電力電子裝置來實現(xiàn)驅動控制與電力變換的，同時電動汽車的蓄電池充電，也是依靠電力電子技術，再比如飛機、輪船，甚至是電梯，都需要電力電子技術提供強大的支撐。2.3在家用電器領域的應用電力電子技術在工業(yè)制成品領域內被廣泛應用的同時，也在悄然改變人們的生活。比如電力電子控制學能夠將人類從繁雜的家務之中解放出來，洗衣機、洗碗機、空調等家用電器的出現(xiàn)，使人類不再從事這些勞動，使人們盡情享受生活。再比如變頻空調器是一個最典型的例子，它能夠提高高頻熒光燈的效率，使高頻熒光燈的效率比白熾燈提高了2—3倍，同時還能夠節(jié)約30%的電力能源。電視、音響以及計算機等設備都需要應用到電力電子技術，沒有這項技術，上述這些機械設備都將無法正常運轉。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，家用電器也日趨智能化，這必然為人們節(jié)省更多的時間來享受生活。2.4在UPS系統(tǒng)中的應用緊急供電系統(tǒng)是電力自動化系統(tǒng)得以安全運行的重要保證，同時也是通信設備、計算機以及其他要求持續(xù)供電場合所必備的一種可靠電源。目前，UPS系統(tǒng)通常采用的是利用脈寬調制技術和IGBT、MOSFET等電力電子元件，這些電力電子元件的使用不但使電源的噪音大大降低，同時也使設備的效率大幅度提高。2.5在節(jié)能領域中的應用目前，能源問題已經成為世界范圍內廣泛關注的問題，而且工業(yè)能源與電力的關系也越發(fā)緊密。由于電力有著穩(wěn)定、利用率高的優(yōu)點，而被廣泛應用于工業(yè)生產，可以毫不客氣的說電能已經成為現(xiàn)代工業(yè)的能量之源。相關數據顯示，近些年，國內工業(yè)用電量以每年15.9%的速度增長，因此在我們在發(fā)展生產的同時，還需要關注節(jié)能減排，提高電能利用的效率。電力電子技術在這一時代背景下，恰好能夠發(fā)揮其自身的作用，使應用電力電子技術的設備、元件提高電能使用的效率，大大降低電源的消耗，使設備、元件的性能提高，節(jié)約原材料的使用。2.6在電力系統(tǒng)中的應用自20世紀80年代,柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后,電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用研究得到了極大的關注,多種設備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻介紹和總結了相關設備的基本原理和應用現(xiàn)狀。以下按照電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電和配電以及節(jié)電環(huán)節(jié),列舉電力電子技術的應用研究和現(xiàn)狀。2.7在汽車工業(yè)中的應用作為汽車用電源，在原來14V、28V基礎上，現(xiàn)又增加了新的42V系列，且還出現(xiàn)了混合動力源電動車（HEV）等288V的驅動電壓（典型值），形成了多種電源并存的局面。使用這些電源來實現(xiàn)汽車的各種功能，就必須利用所謂的電力電子技術。如：回波（echo）技術，藉能量管理或功率管理的最佳化，高可靠性，利用線控（x-by-wire）裝置的電子控制系統(tǒng)等都是非常需要的。這些電力電子裝置與原來的裝置比較，由于電力電子技術導致了“響應性好”、“軟控制的靈活性”、“小型輕量化的操控”、“高的效率”等一系列優(yōu)越的性能，尤其是從各類照明、指示燈、雨刷（刮水器）、電動窗等1kW以下的輕負載到數十kW功率級的電力驅動，功率都不斷增大。利用電動機、逆變器或交流變換器等電力電子裝置的性能，大幅度提升了汽車的動力性能。在汽車工業(yè)的應用主要有：利用電子開關替代傳統(tǒng)的機械開關以及繼電器；無觸點點火、燃油電子噴射；電子動力轉向、電子自動變速器；對原有的直流電源系統(tǒng)進行改造；對水泵、動力轉向、懸架等進行電子監(jiān)控。2.8在光伏發(fā)電中的應用光伏發(fā)電技術是可再生的新能源重要組成部分，可以用于任何需要電源的場合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級電站，小到玩具。光伏電源無處不在。到2040年可再生能源將占光能耗得50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上。到21世紀末，可再生能源在能源結構中將占80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數據說明光伏發(fā)電產業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領域的重要戰(zhàn)略地位。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，儲存電能的蓄電池，充放電控制器、逆變器、并網控制、無功補償，電控柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設備組成。其中除了太陽能電池，其它部分都需要電力電子技術支持。3總結綜上所述，電力電子技術是智力、信息、知識密集型技術，作為現(xiàn)代社會發(fā)展的科技支撐，它在通信、能源、生命科學、環(huán)保以及材料等諸多領域都扮演著非常重要的角色，也是我國經濟與社會可持續(xù)發(fā)展項目之一。相信隨著科學技術的不斷進步，電力電子技術也必然會在社會的諸多領域得到廣泛應用，特別是電子工業(yè)發(fā)展將具有一定價值，其前景也會日趨美好。參考文獻[1]程鵬飛.電力電子技術的應用及發(fā)展前景探析[J].科學之友，2013（4）：158－1