電力電子技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述

電力電子技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述摘要：電力電子技術(shù)是利用電力電子器件（比如GTO、IGBT、晶閘管等）對(duì)電能加以控制與變換的一種技術(shù)。它既是電子學(xué)在強(qiáng)電領(lǐng)域的分支，也是電工學(xué)在弱電領(lǐng)域的分支，總之它是強(qiáng)電與弱電相結(jié)合的一門學(xué)科。電力電子技術(shù)作為一門新興技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、能源、生命科學(xué)、環(huán)保以及材料等領(lǐng)域，并且其發(fā)展勢(shì)頭日益強(qiáng)勁。電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜浅Ｖ匾慕巧?。本文分析了電力電子技術(shù)的發(fā)展，并從八個(gè)方面，簡(jiǎn)要論述了電力電子技術(shù)所應(yīng)用的領(lǐng)域。關(guān)鍵字：電力電子技術(shù)、發(fā)展、應(yīng)用1發(fā)展縱觀電力電子技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，是由低頻技術(shù)處理向高頻技術(shù)處理逐步轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)開始于上世紀(jì)五十年代末與六十年代初的硅整流器件，隨后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代、變頻器時(shí)代，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，這一技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)的諸多領(lǐng)域。而上世紀(jì)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(dǎo)體復(fù)合器件，標(biāo)志著傳統(tǒng)電力電子技術(shù)時(shí)代的結(jié)束與現(xiàn)代電力電子時(shí)代的興起。上世紀(jì)九十年代的電力電子技術(shù)著重于研究高頻化、集成化、模塊化與智能化。理論與實(shí)踐證明：電氣產(chǎn)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(dāng)我們把50Hz的標(biāo)準(zhǔn)工頻進(jìn)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(huì)大幅度縮小，這將會(huì)使用于制造電子設(shè)備的材料大幅度縮減，運(yùn)行過程中的電能節(jié)約也會(huì)日趨明顯，電氣設(shè)備系統(tǒng)的各項(xiàng)性能將會(huì)大幅度改善，這一點(diǎn)將會(huì)對(duì)冶金行業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，電力電子器件的高頻化已經(jīng)成為未來電力電子技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向，同時(shí)硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化也將會(huì)是器件發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)?，F(xiàn)階段，飛速發(fā)展的模塊已經(jīng)囊括了開關(guān)元件和與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管在內(nèi)及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路多個(gè)單元，并且已經(jīng)生產(chǎn)出一系列產(chǎn)品，同時(shí)在可靠性上達(dá)到了非常高的標(biāo)準(zhǔn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問題日益突顯，這使得世界各國(guó)普遍關(guān)注電力電子技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也使各國(guó)投入大量精力對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)研發(fā)。一方面有著自關(guān)斷能力的高頻元件的開發(fā)與利用已經(jīng)取得了令人驚喜的地步；另一方面，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的融合也使新一代電力電子技術(shù)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(jì)引起第二次電子學(xué)革命。2應(yīng)用2.1在再生能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用目前，世界能源仍舊是以污染較為嚴(yán)重且資源有限的化石燃料為主。隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸提高，那些干凈清潔的可再生能源比如風(fēng)能、生物質(zhì)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿鹊龋瓉砹税l(fā)展的黃金時(shí)期，但是想要真正發(fā)揮這些綠色能源的巨大優(yōu)勢(shì)，就必須廣泛應(yīng)用電力電子技術(shù)。比如在風(fēng)能的開發(fā)與利用領(lǐng)域，風(fēng)能機(jī)電系統(tǒng)融合了機(jī)械制造學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及電子技術(shù)，但最重要的還是電力電子技術(shù)，因?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電能轉(zhuǎn)換、機(jī)組控制以及電能質(zhì)量改善等方面，都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2.2在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用目前，電氣化鐵道已經(jīng)廣泛應(yīng)用電力電子技術(shù)，比如直流機(jī)車所采用的整流裝置，交流機(jī)車所采用的變頻裝置。除了那些牽引類電機(jī)傳動(dòng)以外，車輛之中的輔助電源也同樣無法離開電力電子技術(shù)。比如電動(dòng)汽車的電機(jī)主要是靠電力電子裝置來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制與電力變換的，同時(shí)電動(dòng)汽車的蓄電池充電，也是依靠電力電子技術(shù)，再比如飛機(jī)、輪船，甚至是電梯，都需要電力電子技術(shù)提供強(qiáng)大的支撐。2.3在家用電器領(lǐng)域的應(yīng)用電力電子技術(shù)在工業(yè)制成品領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也在悄然改變?nèi)藗兊纳?。比如電力電子控制學(xué)能夠?qū)⑷祟悘姆彪s的家務(wù)之中解放出來，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、空調(diào)等家用電器的出現(xiàn)，使人類不再?gòu)氖逻@些勞動(dòng)，使人們盡情享受生活。再比如變頻空調(diào)器是一個(gè)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(shí)還能夠節(jié)約30%的電力能源。電視、音響以及計(jì)算機(jī)等設(shè)備都需要應(yīng)用到電力電子技術(shù)，沒有這項(xiàng)技術(shù)，上述這些機(jī)械設(shè)備都將無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著電力電子技術(shù)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(shí)間來享受生活。2.4在UPS系統(tǒng)中的應(yīng)用緊急供電系統(tǒng)是電力自動(dòng)化系統(tǒng)得以安全運(yùn)行的重要保證，同時(shí)也是通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)以及其他要求持續(xù)供電場(chǎng)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(diào)制技術(shù)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(shí)也使設(shè)備的效率大幅度提高。2.5在節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用目前，能源問題已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)廣泛關(guān)注的問題，而且工業(yè)能源與電力的關(guān)系也越發(fā)緊密。由于電力有著穩(wěn)定、利用率高的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，可以毫不客氣的說電能已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的能量之源。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近些年，國(guó)內(nèi)工業(yè)用電量以每年15.9%的速度增長(zhǎng)，因此在我們?cè)诎l(fā)展生產(chǎn)的同時(shí)，還需要關(guān)注節(jié)能減排，提高電能利用的效率。電力電子技術(shù)在這一時(shí)代背景下，恰好能夠發(fā)揮其自身的作用，使應(yīng)用電力電子技術(shù)的設(shè)備、元件提高電能使用的效率，大大降低電源的消耗，使設(shè)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(yīng)用自20世紀(jì)80年代,柔性交流輸電(FACTS)概念被提出后,電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究得到了極大的關(guān)注,多種設(shè)備相繼出現(xiàn)。已有不少文獻(xiàn)介紹和總結(jié)了相關(guān)設(shè)備的基本原理和應(yīng)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(shù)的應(yīng)用研究和現(xiàn)狀。2.7在汽車工業(yè)中的應(yīng)用作為汽車用電源，在原來14V、28V基礎(chǔ)上，現(xiàn)又增加了新的42V系列，且還出現(xiàn)了混合動(dòng)力源電動(dòng)車（HEV）等288V的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)汽車的各種功能，就必須利用所謂的電力電子技術(shù)。如：回波（echo）技術(shù)，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(shù)導(dǎo)致了“響應(yīng)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(dòng)窗等1kW以下的輕負(fù)載到數(shù)十kW功率級(jí)的電力驅(qū)動(dòng)，功率都不斷增大。利用電動(dòng)機(jī)、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(dòng)力性能。在汽車工業(yè)的應(yīng)用主要有：利用電子開關(guān)替代傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)以及繼電器；無觸點(diǎn)點(diǎn)火、燃油電子噴射；電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向、電子自動(dòng)變速器；對(duì)原有的直流電源系統(tǒng)進(jìn)行改造；對(duì)水泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、懸架等進(jìn)行電子監(jiān)控。2.8在光伏發(fā)電中的應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)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(chǎng)合，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級(jí)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(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)據(jù)說明光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)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(chǔ)存電能的蓄電池，充放電控制器、逆變器、并網(wǎng)控制、無功補(bǔ)償，電控柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)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(shù)支持。3總結(jié)綜上所述，電力電子技術(shù)是智力、信息、知識(shí)密集型技術(shù)，作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的科技支撐，它在通信、能源、生命科學(xué)、環(huán)保以及材料等諸多領(lǐng)域都扮演著非常重要的角色，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目之一。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)也必然會(huì)在社會(huì)的諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是電子工業(yè)發(fā)展將具有一定價(jià)值，其前景也會(huì)日趨美好。參考文獻(xiàn)[1]程鵬飛.電力電子技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景探析[J].科學(xué)之友，2013（4）：158－1