电力电子技术发展及应用综述

电力电子技术发展及应用综述摘要：电力电子技术是利用电力电子器件（比如GTO、IGBT、晶闸管等）对电能加以控制与变换的一种技术。它既是电子学在强电领域的分支，也是电工学在弱电领域的分支，总之它是强电与弱电相结合的一门学科。电力电子技术作为一门新兴技术，已经被广泛应用于通信、能源、生命科学、环保以及材料等领域，并且其发展势头日益强劲。电力电子技术在国民经济发展以及人们日常生活中扮演着非常重要的角色。本文分析了电力电子技术的发展，并从八个方面，简要论述了电力电子技术所应用的领域。关键字：电力电子技术、发展、应用1发展纵观电力电子技术的发展动向，是由低频技术处理向高频技术处理逐步转变。电力电子技术开始于上世纪五十年代末与六十年代初的硅整流器件，随后经历了整流器时代、逆变器时代、变频器时代，随着电力电子技术的快速发展，这一技术已经被广泛应用于社会的诸多领域。而上世纪八十年代末与九十年代初出现的功率MOSFET与IGBT，也就是高频、高压、大电流的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术时代的结束与现代电力电子时代的兴起。上世纪九十年代的电力电子技术着重于研究高频化、集成化、模块化与智能化。理论与实践证明：电气产品体积与重量缩小与供电频率的平方根成反比，也就是说，当我们把50Hz的标准工频进行大幅度提高以后，使用这一工频的电子仪器的体积与重量将会大幅度缩小，这将会使用于制造电子设备的材料大幅度缩减，运行过程中的电能节约也会日趋明显，电气设备系统的各项性能将会大幅度改善，这一点将会对冶金行业的快速发展产生深远影响。因此，电力电子器件的高频化已经成为未来电力电子技术发展的主导方向，同时硬件结构的模块化、标准化也将会是器件发展的一个必然趋势。现阶段，飞速发展的模块已经囊括了开关元件和与其反向并联的续流二极管在内及驱动保护电路多个单元，并且已经生产出一系列产品，同时在可靠性上达到了非常高的标准。随着经济的快速发展，能源问题日益突显，这使得世界各国普遍关注电力电子技术的发展态势，也使各国投入大量精力对其进行生产研发。一方面有着自关断能力的高频元件的开发与利用已经取得了令人惊喜的地步；另一方面，电力电子技术与微电子技术的融合也使新一代电力电子技术锋芒毕露。有的专家断言：智能化功率集成电路的兴起与推广必将在二十一世纪引起第二次电子学革命。2应用2.1在再生能源发电领域的应用目前，世界能源仍旧是以污染较为严重且资源有限的化石燃料为主。随着人们环保意识的逐渐提高，那些干净清洁的可再生能源比如风能、生物质能、太阳能、潮汐能、地热能等等，迎来了发展的黄金时期，但是想要真正发挥这些绿色能源的巨大优势，就必须广泛应用电力电子技术。比如在风能的开发与利用领域，风能机电系统融合了机械制造学、空气动力学、计算机控制技术以及电子技术，但最重要的还是电力电子技术，因为电力电子技术在电能转换、机组控制以及电能质量改善等方面，都发挥着至关重要的作用。2.2在交通运输领域的应用目前，电气化铁道已经广泛应用电力电子技术，比如直流机车所采用的整流装置，交流机车所采用的变频装置。除了那些牵引类电机传动以外，车辆之中的辅助电源也同样无法离开电力电子技术。比如电动汽车的电机主要是靠电力电子装置来实现驱动控制与电力变换的，同时电动汽车的蓄电池充电，也是依靠电力电子技术，再比如飞机、轮船，甚至是电梯，都需要电力电子技术提供强大的支撑。2.3在家用电器领域的应用电力电子技术在工业制成品领域内被广泛应用的同时，也在悄然改变人们的生活。比如电力电子控制学能够将人类从繁杂的家务之中解放出来，洗衣机、洗碗机、空调等家用电器的出现，使人类不再从事这些劳动，使人们尽情享受生活。再比如变频空调器是一个最典型的例子，它能够提高高频荧光灯的效率，使高频荧光灯的效率比白炽灯提高了2—3倍，同时还能够节约30%的电力能源。电视、音响以及计算机等设备都需要应用到电力电子技术，没有这项技术，上述这些机械设备都将无法正常运转。随着电力电子技术的快速发展，家用电器也日趋智能化，这必然为人们节省更多的时间来享受生活。2.4在UPS系统中的应用紧急供电系统是电力自动化系统得以安全运行的重要保证，同时也是通信设备、计算机以及其他要求持续供电场合所必备的一种可靠电源。目前，UPS系统通常采用的是利用脉宽调制技术和IGBT、MOSFET等电力电子元件，这些电力电子元件的使用不但使电源的噪音大大降低，同时也使设备的效率大幅度提高。2.5在节能领域中的应用目前，能源问题已经成为世界范围内广泛关注的问题，而且工业能源与电力的关系也越发紧密。由于电力有着稳定、利用率高的优点，而被广泛应用于工业生产，可以毫不客气的说电能已经成为现代工业的能量之源。相关数据显示，近些年，国内工业用电量以每年15.9%的速度增长，因此在我们在发展生产的同时，还需要关注节能减排，提高电能利用的效率。电力电子技术在这一时代背景下，恰好能够发挥其自身的作用，使应用电力电子技术的设备、元件提高电能使用的效率，大大降低电源的消耗，使设备、元件的性能提高，节约原材料的使用。2.6在电力系统中的应用自20世纪80年代,柔性交流输电(FACTS)概念被提出后,电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大的关注,多种设备相继出现。已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。以下按照电力系统的发电、输电和配电以及节电环节,列举电力电子技术的应用研究和现状。2.7在汽车工业中的应用作为汽车用电源，在原来14V、28V基础上，现又增加了新的42V系列，且还出现了混合动力源电动车（HEV）等288V的驱动电压（典型值），形成了多种电源并存的局面。使用这些电源来实现汽车的各种功能，就必须利用所谓的电力电子技术。如：回波（echo）技术，藉能量管理或功率管理的最佳化，高可靠性，利用线控（x-by-wire）装置的电子控制系统等都是非常需要的。这些电力电子装置与原来的装置比较，由于电力电子技术导致了“响应性好”、“软控制的灵活性”、“小型轻量化的操控”、“高的效率”等一系列优越的性能，尤其是从各类照明、指示灯、雨刷（刮水器）、电动窗等1kW以下的轻负载到数十kW功率级的电力驱动，功率都不断增大。利用电动机、逆变器或交流变换器等电力电子装置的性能，大幅度提升了汽车的动力性能。在汽车工业的应用主要有：利用电子开关替代传统的机械开关以及继电器；无触点点火、燃油电子喷射；电子动力转向、电子自动变速器；对原有的直流电源系统进行改造；对水泵、动力转向、悬架等进行电子监控。2.8在光伏发电中的应用光伏发电技术是可再生的新能源重要组成部分，可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电器，大到兆瓦级电站，小到玩具。光伏电源无处不在。到2040年可再生能源将占光能耗得50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上。到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数据说明光伏发电产业的发展前景及其在能源领域的重要战略地位。光伏发电系统是由太阳能电池方阵，储存电能的蓄电池，充放电控制器、逆变器、并网控制、无功补偿，电控柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。其中除了太阳能电池，其它部分都需要电力电子技术支持。3总结综上所述，电力电子技术是智力、信息、知识密集型技术，作为现代社会发展的科技支撑，它在通信、能源、生命科学、环保以及材料等诸多领域都扮演着非常重要的角色，也是我国经济与社会可持续发展项目之一。相信随着科学技术的不断进步，电力电子技术也必然会在社会的诸多领域得到广泛应用，特别是电子工业发展将具有一定价值，其前景也会日趋美好。参考文献[1]程鹏飞.电力电子技术的应用及发展前景探析[J].科学之友，2013（4）：158－1