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电力电子技术发展和应用

摘要:创新与发展是当今时代的主题,电力电子技术正随着创新发展的潮流,在促进我国经济体向绿色华、数字化转变及改善人民生活质量方面发挥着独特而重要的作用。本文按时间顺序对电力电子技术的发展和应用做了浅析,并对电力电子技术的发展方向做了展望。正确认识当前我国电力电子技术的发展和应用现状,对电力电子技术的发展具有重要意义。

关键词:电力电子技术;发展;应用;电力电子器件

电力电子技术是结合电子技术、电力技术和控制技术而衍生出来的。主要功能是利用电力电子器件完成电能变换和控制的技术[1],电力电子技术的实用性非常强,都可以完成小到1W以下,大到GW以上的电力转换。现在我们生活各个地方几乎都有电力电子技术的身影,我国目前电能总量的30%是利用电力电子技术进行控制和转换的。

1电子电力技术的发展

20世纪50年代末,硅整流器的诞生催发了电力电子技术的出现,电力电子技术从发展过程上看,由开始的整流器时代,过渡到逆变器时代,一直到如今的变频器时代已经是电力电子技术经历的第三次变革。电力电子技术的发展趋势也是逐步向高频率、高电压、大电流、高集成度发向发展。当今的电力电子技术已经全面进入到现代电力电子时代,可以说电力电子技术的发展是我国科技发展的一个缩影。1.1整流器时代。1957年,电力电子技术伴随着第一个工业用晶闸管的诞生,正式从技术层面被人类发现。电子电力技术发展的初期,工业用电大多数是由发电厂50HZ的交流电提供的,但是其中的20%是以直流电形式消费出去的,主要用于化学电解、动力牵引等[2]。在当时,大功率硅整流管是实现这一切的基石。因为大功率硅整流管可以以很高的效率把50HZ的交流电转化为直流电,这个用途使中国的大功率硅晶体管和晶闸管快速发展。1.2逆变器时代。整流器在把交流电转换成直流电方面做的很好,但是如果希望把直流电逆变成交流电,整流器就无能为力了。20世纪70年代的能源危机,加速了大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管、门极关断晶闸管这三种电子电力器件的诞生。它们可以将直流电逆变为低频的交流电(0~100HZ)。这时电子电力技术已经可以很轻松的进行整流和逆变了,但是也只限于频率较低的交流电。1.3变频器时代在变频器时代中首先出现的便是功率MOSFET了,它的出现成功地解决了中小功率电源向高频方向的发展问题。接着出现的是绝缘栅双晶体管(IGBT),IGBT的出现让大中功率电源有了向高频方向发展的空间。功率MOSFET和IGBT的问世标志人类正式进入现代电子电力(表1)。

2电子电力技术的应用

电力电子技术因其在技术方面的独特优势,在电源、智能电网、新能源发电等方面都有显著应用。2.1在一般电源方面:不间断电源做为一种高可靠性、高性能电源,现在已经是是计算机、通讯系统以及要求提供不能中断场合所必需配备的电源,有的已经被写入到标准中强制执行。现代不间断电源因为采用了脉宽调制技术和现代电力电子器件(功率MOSFET、IGBT等),电池的噪音得到较大幅度的降低,而在效率和可靠性方面又有提升。2.2在专用电源方面的应用主要有两种:高频逆变式整流焊接机电源及大功率开关型高压直流电源。2.2.1逆变焊接机电源大都采用交流—直流—交流—直流变换的方法。但焊接机电源工作在频繁短路、燃弧、开路交替变化之中,工作环境恶劣,所以电源的可靠性不好控制。如果可以预知系统的工作状态,提前对相关硬件及电路做调整和处理,可以大大提高大功率IGBT的可靠性。而采用微处理器作为脉冲宽度调制的控制器就可实现上诉效果。2.2.2大功率开关型高压直流电源一般在大型设备中应用较广,如医用X光机、CT机、水质改良机、静电除尘设备等。2.3智能电网正在成为我国电网的发展方向,大容量电力电子技术是智能电网的核心技术之一。在变换器设计和分析中采用大功率全控型电力电子器件为核心的技术及相关组合式电力电子技术都成为当今前沿技术。2.4在新能源发电中采用电子电力技术的应用特点为:由于风能、太阳能都随天气情况有很大变化,在实地应用时一次能源供给随机性较大;这就要求电网侧输出电能质量高,同时具有低电压穿越和孤岛保护功能。并网发电要求高,电网侧要求电能波动小,谐波小等技术指标给电力电子技术也提出了更高的控制要求。2.5电力电子技术在电力牵引中主要应用是基于大容量电力电子变换及其控制技术,目前在电力牵引中的电力电子变换器我国目前也正在逐步以国产代替进口,电力牵引在去进口化方面一直走在前沿。电子电力技术在电力牵引中,主要发展方向有:对设备实施精准控制、发展集成技术和冷却技术、提高电子电力转换器的效率和功率密度、保证设备的可靠运行。2.6智能开关技术主要是闭合或切断指定位置的电流电压,在智能电网中的应用就是有效的保护过流、预防漏电问题,保证电力系统运行安全稳定。智能开关技术还可以让电气设备等仪器不受严重损耗,保护电器设备。

3我国电力电子技术存在的不足

3.1我国电力电子产品目前主要以中低端产品为主,缺乏自主研发生产的高端产品。高端产品许多都关系到国民经济命脉和国家安全,正是在这些关键领域,国外均是对我国在技术和软硬件控制方面实行技术封锁。这也大大限制了我国高端电力电子产品的发展。3.2我国电力电子产业链有待发展和完善,我国的一些电力企业虽然在一些发面取得了一些技术上的突破,但是因为整个产业链发展不够完善,单一方面的技术突破无法凝聚成合力,也不能有效的把先进技术转变成行业竞争力。3.3我国目前大功率变流器制造水平较低、缺乏重大工程经验的相关积累,目前几乎全部高性能大功率变流装置都要依靠进口,我国的制造水平在一定程度上制约了电力电子技术在大功率方向的发展。3.4电力电子应用基础研究方面做的还不够,我国的许多原本做基础研究的机构由于经费、转制等方面的原因,把大部分的研究力量转向为产品试制和开发。在这个方面应加大投入力度,转变观念。

4电力电子技术的发展方向

4.1模块化。电力电子技术的模块化包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。4.2高频化。由电力电子技术的发展历程中的逆变器时代和变频器时代就可以看出电子电力技术在向着高频化的方向发展。逆变器时代只可以将直流电转化为0~100HZ的交流电,变频器时代就已经向更高的频率方向发展了。4.3绿色化。绿色化也是全球经济发展的主题,而电力电子技术的绿色化主要包括:显著节电即发电容量的节约同时电力电子产品不能对电网产生污染。4.4数字化。变流电路控制技术的发展方向是数字化,用数字控制代替传统的模拟控制已经成为必然的发展趋势。结束语电力电子技术对我国的经济的发展和科技的进步做出了独特而重要的贡献,我国电力电子技术虽然在一定层面还是处在落后阶段,但发展的趋势和潜力都十分巨大。随着科学的发展和进步,电力电子技术会有更高更好的发展,更好地为我国现代化建设服务。

参考文献

[1]步铁征.电子技术的应用及发展趋势分析[J].城市建设理论研究(电子版),2017(8):293.

[2]陈磊,欧家祥,张秋雁,袁旭峰,胡晟,游菲,石果.电力电子变压器研究综述[J].电网与清洁能源,2015(12):36-42.

作者:张洵浩 单位:黑龙江省鹤岗市第一中学

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