电力电子技术的发展及应用

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电力电子技术的发展及应用

朱磊1侯振义1张开2

（空军工程大学电讯工程学院陕西西安710077）

（南京理工大学动力工程学院江苏南京210000）

摘要：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，结合国家政策，描绘出我国电力电子行业的大好前景。

关键词：电力电子技术功率器件逆变能源

电力电子技术，又称功率电子技术。它主要研究各种电力电子器件，以及这些电力电子器件所构成的各种各样高效地完成对电能的变换和控制的电路或装置。它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、大电流）或电子领域的一个分支，总之是强弱电相结合的新学科。

1 电力电子技术的发展

电力电子技术的发展与功率器件的发展密切相关，1948年普通晶体管的发明引起了电子工业革命，1957年第一只晶闸管的问世，为电力电子技术的诞生奠定了基础。

1.1 电力电子技术的晶闸管时代

由于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，因此在60年代和70年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得到大发展，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

20世纪70年代，随着自关断器件的出现，电力电子技术进入了逆变时代。七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。在70年代到80年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。

1.3现代电力电子时代

80年代末期和90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，使以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学转变创造了条件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

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，使得器件及结构紧凑、体积缩小，并且能够综合了不同器件的优点。在性能上，器件的容量不断增大，工作频率不断提高，目前，市场化的碳化硅器件达(3500V\1200A),智能功率模块达到(1200V\800A),在斩波器的PWM开关频率可达1MHz。

这一时期，各种新的控制方法得到了广泛应用，特别是现代电力电子技术越来越多地运用了人工智能技术。在所有人工智能学科中，神经网络将对电力电子学产生的影响最大，利用混合人工智能技术(神经一模糊，神经一遗传，神经一模糊一遗传，模糊一遗传)开发强大的智能控制以及估计方法，单个神经模糊专用集成芯片能承担无传感器矢量控制，且具有在线故障诊断和容错控制能力。基于人工智能的模糊控制在参数变化和负载转矩扰动的非线性反馈系统中可能可以提供最好的鲁棒性，在故障监测和故障耐力控制中将会起到越来越重要的作用。

2电力电子的技术应用

随着科技的不断发展和人们要求的不断提高，电力电子技术的应用越来越广泛。当今世界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。电力电子技术作为信息产业与传统产业之间的桥梁，是在非常广泛的领域内改造传统产业、支持高新技术发展的基础。因此，电力电子技术将在国民经济中扮演着越来越重要的角色。

2.1电力电子技术在再生能源发电中的应用

世界电力能源消耗以每年2%的速度增长，化石燃料仍然是主要的电力能源，而可再生能源发电刚刚开始进入快速发展时期。可以预计，在不远的将来，可再生能源发电将成为电力生产的一个重要组成部分，这主要包括风力发电、水力发电、太阳能发电和生物质能发电。预计到2060年，世界电力能源消耗的一半将由可再生能源发电来提供。

风能是可再生能源中最重要的组成部分。首先，全球风能资源丰富，据统计，全球风能潜力约为目前全球用电量的5倍。其次，风能发电无污染，欧洲风能协会估计，到2020年风力发电可提供世界电力需求的10%，降低全球二氧化碳排放量超过10万亿吨。另外，风能发电施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益，已受到世界各国政府的高度重视。近十年来，风电在世界上取得了较快的发展，到2003年底，全球风力发电装机容量已经达到39294MW。

随着现代电力电子技术以及变频调速技术的迅速发展，其在风力发电中的应用也更为广泛。风电技术经过几十年的发展，今天的风电机组已经成为结合了先进的空气动力学、机械制造、电子技术、微机控制技术的高科技产品。当前一台风电机组，比20年前的机组功率大20倍，现代的风力发电场生产出来的电量之大，相当于常规电厂。当代的电力电子技术成为风力发电系统中不可或缺的重要组成部分，无论对于风电机组的控制、电能的转换还是电能质量的改善都起到关键作用。

水能和太阳能是可再生能源中的另外两个新宠儿。我国的水电蕴藏为 6.67亿千瓦，其中可开发的有3.78亿千瓦，我国的水电年发电量达到19200亿千瓦时，居世界第一位。太阳能光伏发电则给世界能源界注入了一股新鲜的力量，二零零五年被《福布斯》列为中国首富的施正荣就是通过光伏发电确立了自己在能源界的地位。无论是水能还是太阳能发电在我国还有很大的潜力，电力电子技术作为再生能源发电的点睛之笔将发挥更重要的作用。

2.2 电力电子技术在电力节能中的应用

现代工业能源越来越多的与电力相结合，电力以其清洁、稳定、利用率高以及适用范围广的优势，全面的深入到现代工业的各个方面，电能已经成为现代工业的动力之源、能量之泉。据统计，近几年我国的工业用电总量正以每年15.9%的速度猛增，2005年我国工业用电总量占社会用电总量的73% ，2006年1至5月份，全国工业用电总量达到8026.07亿千瓦时。然而在世界范围内，工业用电还不够合理，特别是在发展中国家，用电效率低、浪费严重。目前，我国在风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸等十四个行业潜在的节电总量大约有1200亿千瓦时，大约占目前全国发电总量的5%。如果在电机和电机控制方面采用先进的电力电子技术优化电能，全国可以节省高达18%的电能。由此可见，在世界化石能源日益枯竭的今天，电力电子技术对世界的能源安全以及我国的国家战略格局有着至关重要的作用。

2.3 电力电子技术在改造传统产业中的应用

电力电子技术是弱电控制强电的媒介，是机电设备与计算机的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件。在电力电子技术的支撑下，许多传统产业中许多劳动强度大、劳动环境恶劣的工作，可以通过工业控制系统把电能转化为劳动力，把工人们从落后的劳动车间带入到现代化的智能工作室，从而大幅的提高了劳动生产率，节约了大量的人力资源。在化石燃料电站和核电站中，电力电子技术已经成为“技术之星”脱颖而出，成功地解决了诸多安全及环境问题。

2.4 电力电子技术在家用电器中的应用

人们在享受现代工业制成品的同时，也享受到了电力电子技术带来的恩惠。电力电子控制学把人们从繁杂的家务劳动中解放出来：洗衣服只需要把衣服放进洗衣机，再按下按钮，过一会就可以把干净的衣服拿出来了；油乎乎的餐具不再让你发愁，洗碗机会把干净的餐具送到你的面前，等等。电力