能源開發(fā)過程中電力電子技術(shù)的應用展望

張肇昕

摘要：電力電子技術(shù)，又稱功率電子技術(shù)。它主要研究各種電力電子器件，以及這些電力電子器件所構(gòu)成的各種各樣高效地完成對電能的變換和控制的電路或裝置。本文通過介紹電力電子技術(shù)的發(fā)展及應用，闡述了電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟中的重要作用，結(jié)合國家政策，描繪出我國電力電子行業(yè)的大好前景。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);功率器件;逆變;能源

一、電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力電子技術(shù)的發(fā)展與功率器件的發(fā)展密切相關(guān)，20世紀70年代，隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)進入了逆變時代。七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機，交流電機變頻調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。在70年代到80年代，隨著變頻調(diào)速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管（GTR）和門極可關(guān)斷晶閘管（GT0）成為當時電力電子器件的主角。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內(nèi)。

80年代末期和90年代初期發(fā)展起來的以功率MOSFET和IGBT為代表的集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，使以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了條件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。

這一時期，各種新的控制方法得到了廣泛應用，特別是現(xiàn)代電力電子技術(shù)越來越多地運用了人工智能技術(shù)。在所有人工智能學科中，神經(jīng)網(wǎng)絡將對電力電子學產(chǎn)生的影響最大，利用混合人工智能技術(shù)（神經(jīng)一模糊，神經(jīng)一遺傳，神經(jīng)一模糊一遺傳，模糊一遺傳）開發(fā)強大的智能控制以及估計方法，單個神經(jīng)模糊專用集成芯片能承擔無傳感器矢量控制，且具有在線故障診斷和容錯控制能力?；谌斯ぶ悄艿哪：刂圃趨?shù)變化和負載轉(zhuǎn)矩擾動的非線性反饋系統(tǒng)中可能可以提供最好的魯棒性，在故障監(jiān)測和故障耐力控制中將會起到越來越重要的作用。

二、電力電子的技術(shù)應用

隨著科技的不斷發(fā)展和人們要求的不斷提高，電力電子技術(shù)的應用越來越廣泛。當今世界先進工業(yè)國家正處于由“工業(yè)經(jīng)濟”模式向“信息經(jīng)濟”模式轉(zhuǎn)變的時期。電力電子技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁，是在非常廣泛的領(lǐng)域內(nèi)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、支持高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，電力電子技術(shù)將在國民經(jīng)濟中扮演著越來越重要的角色。

1.電力電子技術(shù)在再生能源發(fā)電中的應用

世界電力能源消耗以每年2%的速度增長，化石燃料仍然是主要的電力能源，而可再生能源發(fā)電剛剛開始進入快速發(fā)展時期?？梢灶A計，在不遠的將來，可再生能源發(fā)電將成為電力生產(chǎn)的一個重要組成部分，這主要包括風力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電。預計到2060年，世界電力能源消耗的一半將由可再生能源發(fā)電來提供。

風能是可再生能源中最重要的組成部分。首先，全球風能資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，全球風能潛力約為目前全球用電量的5倍。其次，風能發(fā)電無污染，歐洲風能協(xié)會估計，到2020年風力發(fā)電可提供世界電力需求的10%，降低全球二氧化碳排放量超過10萬億噸。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，其在風力發(fā)電中的應用也更為廣泛。風電技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，今天的風電機組已經(jīng)成為結(jié)合了先進的空氣動力學、機械制造、電子技術(shù)、微機控制技術(shù)的高科技產(chǎn)品。當前一臺風電機組，比20年前的機組功率大20倍，現(xiàn)代的風力發(fā)電場生產(chǎn)出來的電量之大，相當于常規(guī)電廠。當代的電力電子技術(shù)成為風力發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，無論對于風電機組的控制、電能的轉(zhuǎn)換還是電能質(zhì)量的改善都起到關(guān)鍵作用。

水能和太陽能是可再生能源中的另外兩個新寵兒。我國的水電蘊藏為6.67億千瓦，其中可開發(fā)的有3.78億千瓦，我國的水電年發(fā)電量達到19200億千瓦時，居世界第一位。太陽能光伏發(fā)電則給世界能源界注入了一股新鮮的力量，二零零五年被《福布斯》列為中國首富的施正榮就是通過光伏發(fā)電確立了自己在能源界的地位。無論是水能還是太陽能發(fā)電在我國還有很大的潛力，電力電子技術(shù)作為再生能源發(fā)電的點睛之筆將發(fā)揮更重要的作用。

2.電力電子技術(shù)在電力節(jié)能中的應用

現(xiàn)代工業(yè)能源越來越多的與電力相結(jié)合，電力以其清潔、穩(wěn)定、利用率高以及適用范圍廣的優(yōu)勢，全面的深入到現(xiàn)代工業(yè)的各個方面，電能已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的動力之源、能量之泉。據(jù)統(tǒng)計，近幾年我國的工業(yè)用電總量正以每年15.9%的速度猛增，2005年我國工業(yè)用電總量占社會用電總量的73%，2006年1至5月份，全國工業(yè)用電總量達到8026.07億千瓦時。然而在世界范圍內(nèi)，工業(yè)用電還不夠合理，特別是在發(fā)展中國家，用電效率低、浪費嚴重。目前，我國在風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙等十四個行業(yè)潛在的節(jié)電總量大約有1200億千瓦時，大約占目前全國發(fā)電總量的5%。如果在電機和電機控制方面采用先進的電力電子技術(shù)優(yōu)化電能，全國可以節(jié)省高達18%的電能。由此可見，在世界化石能源日益枯竭的今天，電力電子技術(shù)對世界的能源安全以及我國的國家戰(zhàn)略格局有著至關(guān)重要的作用。

3.電力電子技術(shù)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應用

電力電子技術(shù)是弱電控制強電的媒介，是機電設(shè)備與計算機的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件。在電力電子技術(shù)的支撐下，許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中許多勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣的工作，可以通過工業(yè)控制系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)化為勞動力，把工人們從落后的勞動車間帶入到現(xiàn)代化的智能工作室，從而大幅的提高了勞動生產(chǎn)率，節(jié)約了大量的人力資源。在化石燃料電站和核電站中，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為“技術(shù)之星”脫穎而出，成功地解決了諸多安全及環(huán)境問題。

4.電力電子技術(shù)在家用電器中的應用

人們在享受現(xiàn)代工業(yè)制成品的同時，也享受到了電力電子技術(shù)帶來的恩惠。電力電子控制學把人們從繁雜的家務勞動中解放出來：洗衣服只需要把衣服放進洗衣機，再按下按鈕，過一會就可以把干凈的衣服拿出來了;油乎乎的餐具不再讓你發(fā)愁，洗碗機會把干凈的餐具送到你的面前，等等。電力電子變頻技術(shù)使得家用電器既方便又節(jié)能，變速空調(diào)和變速熱泵能夠節(jié)約30%的電能，高頻熒光燈比白幟燈效率高2-3倍。電力電子技術(shù)將家用電器日益向智能化發(fā)展，“一健操作”式的家務勞動更加人性化，使人們有更多的時間去享受生活。

結(jié)語

我國電力電子技術(shù)是一個較年輕但極 具發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)。自1961年以來，經(jīng)過40多年的經(jīng)營和發(fā)展，目前已成為具有一定生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)能力的行業(yè)，電力電子技術(shù)是我國經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展項目之一，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展特別是電子工業(yè)發(fā)展極具價值。電力電子技術(shù)是智力、信息、知識密集型的技術(shù)，從基礎(chǔ)研究、開發(fā)研究到生產(chǎn)試制，各個環(huán)節(jié)均具有較高的技術(shù)含量和智力投入。以電力半導體器件及“變頻技術(shù)”為核心的電力電子行業(yè)，在國家政策的強力支持下將會走向更加輝煌的明天。

參考文獻

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