现代电力电子技术的应用研究

王梓康

湖北科技学院/电子信息工程学院 湖北 咸宁 437000

引言

电力电子技术是一门基于半导体物理，电路理论，以及信号分析的应用科学，它主要用于电力，交通，航空航天，工业控制等领域不同设备之间的电能功率转换以及电压，电流调控。这门技术已经广泛地与全球能源，工业生产，社会生活等多个领域结合在一起，因此在世界范围内都有大量的研发人员在从事电力电子技术的研究，让其发展与应用更好地造福人类。

1 电力电子技术的基本类型

1.1 整流电路

当今世界大部分的电能都是由交流发电机产生，并通过输电线路最终送到用户手中；而日常生活与工业用电中会大量用到直流电，不可直接从电网中获取。此时就需要用到整流电路来将50Hz的工频交流电转化为直流电。整流电路往往由大功率硅整流管（二极管）以及晶闸管构成，其在电路中往往作为开关来执行接通和断开的功能，隔绝反向的电流，导通正向的电流，达到把交流电变为直流电的目的。

1.2 逆变电路

在交流输电技术被普遍使用的大背景下，我国电力系统工程在特高压直流输电技术上的成就举世瞩目，当直流输电技术所输送的电能来到用户侧时，还需通过逆变电路将直流电转化为交流电，再通过降压变压器送给用户。过去常常在逆变器中运用到GTO（门极可关断晶闸管），大功率晶体管。由于半导体功率电子设备的更新换代，现在更多地用到MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）来组成全桥或半桥逆变电路1[1]。这些半导体功率器件在逆变电路中同样充当着开关的角色，通过多组开关之间的配合，实现把直流电在一个时间周期内，按正反两个方向送给负载，以把直流电变为交变电流。

1.3 变频器

变频器是上述两种功率电子电路与滤波电路以及脉冲宽度调制技术相结合的产物，它可以通过整流电路现将固定频率的交流电转化为直流电，再经过逆变电路，设定理想的脉冲宽度调制系数，最终输出含有理想频率的正弦交流电2[2]。它的出现满足了交流电机对于无级调速的广泛需求并打破了传统直流调速技术的上限，大大降低了因直流调速器体积大，故障率高而带来的运行和维护成本。

2 电力电子技术的应用

2.1 在风能发电中的应用

在国家大力支持新能源发电的政策背景下，风能发电作为新能源发电占比较高的一种清洁能源，兼具低污染，施工方便，资本青睐等优点，在产生社会效益的同时也为国家的生态环境建设有着相当的贡献。风能发电的质量提高很大程度上归功于电力电子技术在其中的运用。传统的风能发电装置中，直流励磁技术的运用会在一定程度上限制风能发电的质量和总量，而电力电子技术的应用可以将直流励磁技术替换为交流变频技术，以达到发电机在风速不同的情况下电能质量的波动尽可能小。

2.2 太阳能发电中的应用

太阳能是众多可再生能源中数量最多的能源，太阳能发光发电技术和设备的应用为全球的能源产业提供了新的发展方向，在太阳能光伏发电的过程中，无论是应用单独的发电系统还是将传统发电系统和太阳能发电系统相结合，都需要具有跟踪功能的逆变器，将太阳能发电系统和太阳能光伏发电设备中产生的直流电转化为交流电，而逆变器的制作正是运用了电力电子技术[3]。

2.3 高压直流输电中的应用

在国家政策的大力推动下，西电东送和电网联网等重大输配电项目落地国家电网与南方电网。高压直流输电系统在这些项目中起着十分重要的作用，其组成分为两个换流站与一组直流输电线路。作为交直流转换的核心功能单位，换流阀是高压直流输电工程的核心设备。国内的换流阀为了提高其开关可靠性，以及方便操作和维护，一般选择直接光触发晶闸管作为主要开关器件。

2.4 交通运输行业中的应用

当今社会，新能源汽车以及高铁动车的发展受到国家重视，如油电混合汽车，纯电动汽车，智能驾驶汽车等新能源汽车不断被开发面世。一些新兴的新能源汽车企业，如小鹏汽车，特斯拉，比亚迪，这些车企在造车过程中，需要用到电力电子元器件来解决汽车的能源动力问题。电动汽车的储能电池往往输出直流电，而动力电机往往需要交流电来控制其转速以及供能，这个过程就需要用到逆变器将电能从电池送到电机。

2.5 工业自动化方面的应用

电力电子技术在传统工业生产上有着非常先进的作用，这些工业发展生产需要消耗大量对的电能，而电力电子器件所独具的弱电控制强电能力可以再生产过程中，优化电能管理，提高能源转换效率和使用效率，降低浪费的同时维持用电设备高质量长时间稳定运行。电力电子技术与现代计算机互联网相结合，可以实现电能管理自动化，解放生产力的同时建立设备电能消耗与损耗的大数据库，再经过数据分析处理，进一步优化电能管理系统，将工人从烦琐的人力劳动中解放出来[4]。

3 电力电子技术的发展方向

电力电子技术目前还存在一些发展不充分的问题，首先是电网中的谐波主要来源与电力电子器件在开关换流过程中所产生的高次谐波，这会降低电能质量，导致电流波形畸变；第二是电力电子器件在开关过程中会产生一定的损耗，降低传输效率，需要相关科研工作者从器件材料和散热的角度出发，减少开关损耗；第三是智能化程度不足，大部分器件使用现行的脉冲宽度调制技术来进行控制，没有将更加高效的控制算法通过计算机和互联网运用其中[5]。基于上述问题可得出电力电子技术的发展方向，可以从以下几个角度来描述：第一，我国是人口大国，能源消耗的数量很大，且并网的电能在传统输电技术背景下不可储存，而借助电力电子设备可以构建电能存储装置，需要相关研究人员在开发与试验的过程中，规定切实可行的储能技术标准，在实践过程中不断完善负载条件下的储能技术要求。第二，电力电子技术可以为国家节能减排，绿水青山的总体发展目标做出关键性技术贡献，通过计算机技术和控制技术来促进弱电控制软件的更新换代，降低变频器生产成本，促进变频空调和冰箱的普及，提升能源利用效率，减少资源的过度消耗。第三，集成化功率电力电子设备与线路，减少设备在生产生活中做占用的空间与面积，以及与互联网相结合，利用互联网使多台电力电子设备相配合工作，建立综合管理控制系统，提高用电设备与输电线路的智能化程度[6]。

4 结束语

电力电子技术在各行各业中的运用呈现出其丰富的实用性和巨大的发展潜力，不仅在技术层面使人们对于电能的控制更加方便有效，还可以在社会生产中提升能源质量，节约能源，促进智能化发展，在很大程度上为人们的生活质量提升与国家能源产业发展做出了积极贡献。