电力电子技术在新能源中的应用

电力电子技术

——在新能源中的应用

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电力电子技术在新能源中的应用

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。我国的能源供应和环境污染越来越突出。一般估计，地球上的石油还可供人类开采40年-50年。煤炭约200年。我国的石油剩余开采量仅有全球人均的1／10，煤炭仅有1／2。火力发电，燃烧大量煤炭，排放S02和C02，汽车尾气也是城市空气污染的首要因素。新能源的开发与利用迫在眉睫，而在新能源的利用中，电力电子技术扮演重要的角色。

什么是电力电子技术？

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。70年代后期以门极可关断晶闸管，电力双极型晶体管，电力场效应管为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。而如今为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小，但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向.电力电子器件的发展利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。一代器件造就一代电力电子装置与应用，新的装置与应用又促进着电力电子器件的发展

能源，是人类生存的基本要素，也是国民经济和社会发展的主要物质基础，能源安全则是国家经济安全的基本支撑。能源短缺，尤其优质能源短缺，始终困扰着经济高速发展的中国，越来越成为制约我国经济发展的瓶颈。目前我国能源生产总量居世界第三，能源消费总量及温室气体排放仅次于美国位居世界第二。实际上，随着经济的快速发展，我国已成为世界第二大能源消费国，能源消费量约占世界的1l％，石油对外依存度超过40％。近年来国际油价的不断上涨，石油领域的竞争远远超出纯商业的范围，成为世界大国经济、军事、政治斗争的武器。世界排名前20位的西方大型国际石油跨国公司占有了全球已探明优质石油储量的81％，直接导致国际石油市场垄断的加剧，而且他们仍在继续凭借经济实力加紧抢占更多最重要的石油产地，中国的石油安全有受制于人的潜在威胁。实际上，为解决日益增长的能源需求．从1993年中国就开始了海外寻找石油的漫长征程，足迹遍及非洲、拉美、中东。因此不少专家指出，解决我国能源短缺的根本出路在于解决我国能源短缺的根本出路在于发展新能源。

应用电力电子技术能实现非电能与电能之间的转换。

利用太阳电池将太阳能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。太阳能发电太阳能是取之不尽，用之不竭的能源。太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛。目前太阳能在利用中，主要采用了三种技术：太阳能光电技术、太阳能光热技术和太阳能光伏发电技术：1.太阳能光电技术是指利用太阳能电池将白天的太阳能转化为电能由蓄电池储存上在放电控制器的控制下释放出来，供室内照明和其他需

要。目前占主流的太阳电池是硅太阳电池，它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。2.太阳能热发电技术就是利用光学系统聚集太阳辐射能，用以加热工质，生产高温蒸汽。驱动汽轮机组发电，简称光热发电技术。他与光伏发电相比，具有效率高、结构紧凑、运行成本低等优点。目前技术比较成熟且应用比较广泛的是蔬菜温室大棚、中药材和果脯干燥及太阳能热水器等。 3.将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏效应。不需要借助其它任何机械部件，光线中的能量被半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这种把光能转换成为电能的能量转换器，就是太阳能电池。太阳能电池也同晶体管一样，是由半导体组成的，它的主要材料是硅，也有一些其他合金。光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。完全依靠太阳电池供电的光伏系统，系统中太阳电池方阵受光照时发出的电力是唯一的能量来源。首先最简单的独立光伏系统是直联系统，发出的直流电力直接供给负载使用，中间没有储能设备，负载只在有光照时才能工作。这种系统有太阳能水泵、太阳能风帽、太阳能路灯等。并网光伏发电系统：太阳电池方阵发出的直流电力经过逆变器变换成交流电，且与电网并联并向电网输送电力的光伏发电系统。这类光伏系统发展很快，在20 世纪末，并网光伏系统的用量就超过了独立光伏系统。并网光伏发电系统可分为两大类：光伏电站和户用并网光伏系统。而在光伏系统中太阳能电池、蓄电池、控制器，都离不开电力电子技术，在太阳能到电能的转换中，电力电子技术发挥着重要的作用。开发新能源，电力电子器件的应用和先进的控制技术是关键。将最新的电力电子技术、控制技术应用于新能源系统中，提高新能源的效率和电力变换质量、降低新能源成本，使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，提高人们的生活水平，具有重大的经济效益和社会价值。

电力电子技术与风力发电机系统。近十年来，风力发电在世界上取得了较快的发展，但是在风力发电发展的初期，风力发电机组经历了从定桨距再到变速变桨距的发展过程。初期电机都是采用普通异步发电机发电，普通异步发电机无法控制，并网的风力发电对电网来说相当于随机的扰动源（由于风速的随机变化）且无法控制，所以无论对电网的电能质量还是对电网运行的稳定性都有一定的消极影响。风电技术经过长期发展的历程，今天的风电机组已经成为结合了先进的