电力电子技术的应用与研究

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电力电子技术的发展及应用探究　西北民族大学电气工程学院刘增金　【摘要】电力电子技术，也被称为功率电子技术，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是一门新兴的应用于电力领域的电子技术。现代　电力电子技术是以高新技术知识为基础的一种知识密集型技术综合，是强弱电相结合的新学科，一方面它是电子学在高电压、大电流等强电或电工领域的一个分　支，另一方面它也是电工学在低电压、大电流等电流弱电或电子领域的一个分支。当前，电力电子技术与微电子技术的结合已成为当今技术发展的主流　电力电　子技术的应用，贯穿在电能的获取、传输、变换和利用的几乎每个环节，使用电效率、节能效益、供电质量大大提高。电力电子技术的应用电气自动化中发挥越　来越重要的作用，为电能的产生和利用搭起了桥梁，为电能的输出、应用提供了更好的方式和平台，从根本上提高了电能的应用效率。本文通过介绍电力电子技　术的发展及应用，阐述了电力电子技术在国民经济中的重要作用。　【关键词】电力电子技术；功率器件；逆变；能源　１．电力电子技术的发展　自上个世纪五十年代末第一只晶闸管　问世以来，电力电子技术开始登上现代电　气传动技术舞台。以晶闸管为基础开发的　可控硅整流装置，让电能的变换和控制从　旋转变流机组和静止离子变流器进入由电　力电子器件构成的变流器时代，是电气传　动史上的一次革命。随着电力电子技术理　论研究与制造工艺水平的不断提高，电力　电子器件的功能与应用迅速在得发展，先　后经历了整流器时代、逆变器时代和变频　器时代，随着电力电子技术在更多新领域　的应用与发展表明电力电子技术已经进入　现代电力电子时代。八十年代末期和九十　年代初期发展起来的、以功率ＭＯＳＦＥＴ和　ＩＧＢＴ为代表的、集高频、高压和大电流于　一身的功率半导体复合器件，表明传统电　力电子技术已经进入现代电力电子时代。　１．１晶闸管整流时代　大功率的工业用电由工频（５０Ｈｚ）　交流发电机来提供的，在应用过程中，大　约有２０％的电能是以直流形式消费的，譬　如电解（有色金属和化工原料需要直流电　解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机　车、地铁机车、城市无轨电车等）、直流　传动（轧钢、造纸等）等几大领域。大功　率硅整流器能够高效率的把工频交流电转　变为直流电，在上世纪六十年代和七十年　代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应　用快速发展。国内曾经掀起了各地大办硅　整流器厂的热潮，当前我国大大小小的制　造硅整流器的半导体厂家大多是那个时代　建设的。这一时期称之为电力电子技术的　晶闸管时代。　１．２电力电子技术的逆变时代　上世纪７Ｏ年代后，随着自关断器件　的出现，电力电子技术进入了逆变时代。　当时的世界范围的能源危机，让交流电机　变频调速因节能效果显著而得到了迅猛发　展。变频调速的关键技术是将直流电逆变　为０　ｌＯＯＨｚ的交流电，大功率逆变用的晶　闸管以及巨型功率晶体管（ＧＴＲ）和门极　可关断晶闸管（ＧＴＯ）很快成为当时电力　电子器件的主要角色。虽然这时的电力电　子技术已经能够实现整流和逆变的功能，　但仅局限在中低频范围内，工作频率相对　较低。　１．３现代电力电子变频器时代　上世纪八十年代后，大规模和超大　规模集成电路技术得到了广泛的应用，为　电力电子技术的快速发展打下了良好的基　础。集成电路技术的精细加工技术和高压　大电流技术有机结合应用。以功率ＭＯＳＦＥＴ　和ＩＧＢＴ为代表的集高频、高压和大电流于　一身的功率半导体复合器件以及以低频技　术处理问题为主的传统电力电子学正在向　高频技术处理问题为主的现代电力电子学　转变。这种现象表明，传统电力电子技术　已经进入现代电力电子变频器时代。这一　时期，各种新型器件应用大规模集成电路　技术，向复合化、模块化的方向发展，让　电力电子器件结构紧凑、体积缩小，同时　能够综合不同器件的优点。这些新型器件　的发展，为交流电机变频调速提供了较高　的频率，使其性能更加完善可靠，同时使　现代电子技术不断向高频化发展，为用电　设备的高效节材节能、实现小型轻量化、机　电一体化和智能化打下了重要的技术基础。　２．电力电子的技术应用　当前，电力电子技术的应用越来越　广泛。世界上一些先进工业国家正处于由　“工业经济”模式向“信息经济”模式转　变的时期，而电力电子技术是改造传统产　业、支持高新技术发展的基础，是信息产　业与传统产业之间的桥梁纽带，近些年　来，随着新型器件的开发与性能的改善与　提高，更多高性能的电力变流装置已经被　广泛使用。这不仅促进了电力电子学自身　的发展，而且影响着半导体材料技术、大　规模集成电路技术、自动控制技术、信息　传递与处理技术及电路拓扑技术的进步。　因此，电力电子技术的应用已经成为一门　有着广阔应用前景，发展方兴未艾的技　术，在国民经济中的地位越来越重要。　２．１电力电子技术在再生能源发电中　的应用　当前世界的能源结构，仍是以资源有　限、污染严重的化石燃料为主要电力能源，　但清洁干净的可再生能源如太阳能、风　能、水能、海洋能、生物质能、地热能、　燃料电池等再生能源也开始进入快速发　展时期。这些新兴的绿色能源，以其永不　（下转第２５页）　／＇２０１１．０９／电．Ｉｔ盛鼻

电力电子技术的应用研究及发展趋势

电力电子技术是一种应用极广的技术，它涉及到包括电力系统、工业、交通、家电等领域的许多方面。随着社会经济的发展和科技不断进步，电力电子技术的应用越发普遍，其应用领域也在不断扩大。在这篇文章中，我将从电力电子技术的分类、应用研究和未来发展三个方面来谈谈电力电子技术的应用研究及发展趋势。

一、电力电子技术的分类

电力电子技术根据其不同的功率等级、用途和原理等因素，可以分为多种不同的类别。其中比较常见的主要有以下几种：

1、直流-直流变换器

直流-直流变换器可以将直流电压转换、升压或降压，常见的应用有开关电源、电动机驱动系统等。直流-直流变换器具有简单的控制、高效率和稳定性，目前在交通、能源、石化、冶金等领域中得到了广泛的应用。

2、交流-直流变流器

交流-直流变流器可以将交流电转换为直流电供电使用，常见的应用有风力发电、光伏发电等。这种变换器具有高效、可靠和可控的特点，是现代电力系统中最重要的组成部分之一。

3、交流-交流变换器

交流-交流变换器可以改变交流电的频率和电压等参数，常见的应用有电动机驱动系统、变频空调、UPS等。交流-交流变换器在工业、家电等领域中应用广泛，目前已经成为了工业发展的关键技术之一。

二、电力电子技术的应用研究 随着电力电子技术的不断发展和进步，其应用领域也在不断拓展。在应用研究方面，电力电子技术主要有以下几个方向：

1、高电压高功率应用

随着电力系统的发展和能源消费增长，电力电子技术在高电压高功率领域的应用范围也在不断扩大。高电压高功率应用主要包括超高压输电、逆变器、脉冲电源、高压直流输电等。电力电子技术在这些领域中的应用，可以提高电力系统的可靠性、效率和稳定性，同时也可以改善电力系统的质量和环境问题。

2、新能源发电系统

新能源发电系统是近年来最热门的电力电子技术应用之一。新能源发电系统包括太阳能发电、风力发电、潮汐能发电等。电力电子技术在新能源发电系统中的应用，可以将风、光等无法控制的能源转化为易于控制的电能，提高了整个发电系统的效率。

电力电子技术在电力系统中的应用

随着电子技术的迅速发展，电力电子技术得到了广泛的应用。电力电子技术是指将电力和电子技术相结合，通过半导体器件将电力进行变换、传递和控制的技术。在电力系统中，电力电子技术的应用已经成为了研究的热点之一。

一、电力电子技术的概述

电力电子技术是一种电力工程和电子工程相结合的技术。其主要应用在将电力进行变换、传递和控制的过程中。电力电子技术的发展可以追溯到1960年代，当时出现了用半导体器件实现交流电到直流电的变换技术，即交流输电系统的直流输电技术（HVDC）。这项技术实现了对远距离长距离输电的需求，缩短了电力传输距离，减少了线路损耗，提高了电力传输的效率和可靠性。

随着时代的发展，电力电子技术应用领域不断扩大，如市电变频器、电力电容、UPS等系统都是电力电子技术的代表。电力电子技术的发展，推动了电力系统的革新，提升了电力传输的能力和效率，实现了电网智能化、数字化、可靠性和安全性的大幅提升。

二、1、 HVDC 交流输电系统的直流输电技术（HVDC）是电力电子技术在电力系统中的基础应用之一。它可以将交流电转换成直流电，从而实现不同地点之间的电力互联、跨越海洋和山区、进行长距离电力输送。

HVDC技术可以提高输电线路的容量、减少输电损耗，并且提高电力传输的可靠性。HVDC技术正在逐渐普及，已经被应用到欧洲、北美、亚洲等地区的多条输电线路中，成为了电力系统中重要的输电方式。

2、 FACTS

灵活交流输电系统（FACTS）技术是一种电力电子技术，它可以根据负荷不同而调整电力系统的电压、电流和相角，从而提高电力系统的稳定性、可靠性以及抗干扰能力。

FACTS技术可以使电力系统在电力负载发生变化时，自动调整电力参数和稳定电力系统，从而提高电网的稳定性，减少配电线路的损耗，降低能源消耗和污染排放。

3、 STATCOM

静止补偿器（STATCOM）是一种电力电子设备，它可以在电力系统中自动实现电容电抗补偿，从而提高电力系统的稳定性和可靠性，减少电力线路的损耗。 STATCOM技术可以使电力系统在电力负载变化时，自动调整电力参数，实现电力的优化配置，提高电力传输的效率，降低电力损失，从而提高电力系统的稳定性和可靠性。

电力电子技术在电力系统中的应用及发展

首先，电力电子技术在电力系统中的应用非常广泛。电力电子技术包含了各种电力电子器件和电路，如开关电源、逆变器、整流器、变频器等。这些技术可以用于各种不同的应用，包括电力调节、变频调速、无停电切换、能量回馈等。电力电子技术在电力系统中的应用主要有以下几个方面：

1.电力调节：电力电子技术可以用来调节电力系统的电压和频率。例如，电力电子技术可以用于调节输电线路的电压，以保证电力系统的稳定性和可靠性。同时，它也可以用来调节电力系统的频率，以适应不同的负载条件。

2.变频调速：电力电子技术可以用于变频调速系统中，通过改变电机的供电频率来改变电机的转速。这可以使电机在不同负载要求下，具备良好的性能特性。变频调速系统广泛应用于工业、交通等领域。

3.无停电切换：电力电子技术可以实现无停电切换。例如，在配电系统中，当发生故障时，电力电子技术可以实现对备用电源的无停电切换，以保证供电的连续性和可靠性。

4.能量回馈：电力电子技术可以实现能量的回馈。例如，通过逆变器将太阳能等可再生能源转换为电能，然后回馈到电力系统中，减少对传统能源的依赖，提高能源利用效率。

除了以上应用，电力电子技术还可以用于电力系统的电力质量改善、电力系统的故障检测和故障定位等方面，为电力系统的稳定运行和安全性提供支持。 其次，电力电子技术在电力系统中的发展也非常迅速。随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，电力电子技术得到了广泛的研究和应用。目前，电力电子技术正在向下列几个方向发展：

1.高效率：提高电力电子设备的工作效率是当前的重要发展方向。高效率的电力电子设备可以减少能量损失，提高能源利用效率。

2.高功率密度：提高电力电子设备的功率密度，使其在体积相同的情况下可以提供更大的功率输出。这对于应用于空间有限的场合非常有用。

3.高可靠性：提高电力电子设备的可靠性，使其能够在恶劣的工作环境下稳定运行。这对于电力系统的稳定性和可靠性非常重要。