電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用研究

鄭哲一 曾荷蕓 鄧維 李小碟

摘 要 本課題主要討論了電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用。本課題首先詳細地介紹了電力電子技術(shù)的概念，此外還在介紹電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，深入剖析了電力電子技術(shù)在電氣工程中的具體應(yīng)用，目的是為了讓更多的人能夠較容易的理解電力電子技術(shù)，能夠知道電力電子技術(shù)是如何帶給人們便捷的生活，從而表現(xiàn)出電力電子技術(shù)對當(dāng)代社會的意義。[1]

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù) 電氣工程 電網(wǎng)

中圖分類號：TN7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2020）03-0040-03

時代在發(fā)展，科技在進步，人們的生活方式也變得越來越多、越來越便捷，我們是否認真仔細地想過是什么讓時代發(fā)展的如此迅速？是什么讓科技進步地如此之快？又是什么讓人們的生活方式變得越來越多越來越便捷？是電腦手機的出現(xiàn)讓我們的生活開始出現(xiàn)變化，讓我們可以時時刻刻上網(wǎng)了解到世界各地的時事新聞;是“共享單車”、“美團外賣”這些應(yīng)用程序的存在更改了我們的生活方式，讓我們的生活變得便捷;是高鐵技術(shù)的發(fā)展讓我們之間的距離變得越來越近，讓我們的生活開始加快腳步。而發(fā)展這些的基礎(chǔ)，是那一個個電路板的拼接，那一個個電子元件的連接，以及那一臺臺設(shè)備的控制運行。

伴隨著我國生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步和提高，電能已經(jīng)成為人們生活中必不可少的一份子，而如何讓電網(wǎng)輸出高質(zhì)量的電，如何維持電網(wǎng)的穩(wěn)定，如何讓電能盡最大限度地發(fā)揮作用，這是我們需要考慮的眼前的問題。[2]此時，電力電子技術(shù)的出現(xiàn)，極大地解決了其中的問題，由此可見，電力電子技術(shù)在保障著人們的生活，在推進著電力行業(yè)的發(fā)展。

1 電力電子技術(shù)基本內(nèi)容簡介

電力電子技術(shù)是一種應(yīng)用于電力領(lǐng)域的新型電子技術(shù)，簡單來講，電力電子技術(shù)就是利用電力電子器件（如晶閘管、GTO、IGBT等）對電能進行變換和控制的技術(shù)，是把“粗電”變成“精電”的技術(shù)。電力電子技術(shù)的“電力”改造工作范圍非常大，功率可以大到幾百兆瓦，甚至可以小到幾瓦及1瓦以下。電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)是不一樣的，他們的區(qū)別是，電力電子主要用于電力變換，即交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流。而信息電子技術(shù)主要用在軟件方面來處理信息。電力電子技術(shù)通常被分為兩類，即電力電子器件制造技術(shù)和電力電子器件應(yīng)用技術(shù)。[3]

電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展歷程是從半控型器件起步，將半控型器件進行應(yīng)用和發(fā)展，之后發(fā)展出了全控型器件，再將全控型器件進行發(fā)展與應(yīng)用，發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)合型器件，現(xiàn)如今使用的最多的也是功率集成電路，功率集成電路是將驅(qū)動、控制、保護模塊和電力電子器件集成在一起。[4]

電力電子技術(shù)發(fā)展的歷程不算很長但是卻發(fā)展的很快，這門技術(shù)被人們應(yīng)用的很充分，每一個部分在生產(chǎn)生活中都有對應(yīng)的使用意義，為人們生活創(chuàng)造出了太多便捷。電力電子技術(shù)在生活的各個領(lǐng)域都有被應(yīng)用，被用在工業(yè)、交通、電氣、通信、計算機、新能源技術(shù)等領(lǐng)域中，它也在家用電器方面被廣泛應(yīng)用，例如照明、空調(diào)、洗衣機等家電中被應(yīng)用。由此可見，電力電子技術(shù)在人們生活的各個方面都存在，甚至可以說電力電子技術(shù)是人們生活的必備品。

可能大部分人會把電力電子技術(shù)歸到弱電技術(shù)中，會覺得它與強電沒有任何關(guān)系，事實上，電力電子技術(shù)不僅與弱電有關(guān)聯(lián)，更與強電有關(guān)聯(lián)，而且它是連接強電與弱電的重要橋梁。[5]

2 電力電子技術(shù)的意義

電力電子技術(shù)是改變?nèi)藗兩畹母炯夹g(shù)，從家用器件設(shè)備到出行交通設(shè)備再到航空航天設(shè)備，都是通過應(yīng)用電力電子技術(shù)去創(chuàng)造、改變、發(fā)展的。雖然這是一門工科技術(shù)方面的問題，但它卻也涉及著多個學(xué)科門類的問題，所以電力電子技術(shù)的發(fā)展同樣也會影響別的學(xué)科的發(fā)展，是相互促進、共同發(fā)展的。

電力電子技術(shù)是一個很強的現(xiàn)代化技術(shù)，被熟練地運用于生產(chǎn)生活中，它通過控制各種電子元件來實現(xiàn)對電路的控制，而且還可以提高設(shè)備的效率，從而讓設(shè)備使用時間增長。隨著電力電子技術(shù)逐步的發(fā)展與優(yōu)化，其應(yīng)用的范圍也在慢慢地擴大。[6]其主要意義有以下四點：

（1）讓電能充分的被人們利用，使電能的使利用率達到最大化。從我們身邊來說，燈是離人們生活中最近的與電有關(guān)的裝置，要想從人們生活中實現(xiàn)節(jié)電這一目的，就可以推出節(jié)能燈這個項目。要使人們的生產(chǎn)生活中充分利用電能，可以通過電力電子技術(shù)來提高或者變換頻率調(diào)速來實現(xiàn)，例如變頻空調(diào)，改變交流電機的頻率和調(diào)速等。除此之外，能源壓力是當(dāng)代的頭疼問題之一，讓我們頭疼的是不可再生能源恰恰也是人們生活的必需能源，此時可再生能源的發(fā)展就顯得尤為重要，可再生能源就在大自然中，我們可以通過電力電子技術(shù)來優(yōu)化可再生能源轉(zhuǎn)化來的電能，讓這些電能可以為人們所用。[7]

（2）改進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，使一些新興產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的集成度和效率可能無法滿足當(dāng)代人的需求，對于產(chǎn)業(yè)鏈來說，設(shè)備是必不可少的一個環(huán)節(jié)，大多數(shù)甚至可以說是全部的設(shè)備都需要電來啟動，這時電的質(zhì)量就顯得很重要，電的質(zhì)量靠電力電子技術(shù)來提高改善。電力電子技術(shù)又是連接強電與弱電的橋梁，所以可以通過可控設(shè)備來控制不可控設(shè)備的運行，這大大解放了人們的勞動力，提高了產(chǎn)業(yè)的效率。[8]

（3）電力電子技術(shù)向智能的方向發(fā)展，使信息方面的技術(shù)與電力電子技術(shù)能夠相互結(jié)合，給人們提供更便捷的生活。雖然電力電子技術(shù)經(jīng)過這么多年的發(fā)展已經(jīng)很純熟了，但是這門技術(shù)還蘊含著巨大的可能與未知。

3 電力電子技術(shù)在電氣工程中的應(yīng)用

3.1 軟開關(guān)技術(shù)

3.1.1 開關(guān)介紹

（1）硬開關(guān)。不管開關(guān)兩端電壓和電流有沒有降為零都直接打開或關(guān)斷，此時可能會出現(xiàn)火花，有明顯的能量損失存在，同樣也有安全隱患存在。

（2）軟開關(guān)。軟開關(guān)電路中有電感和電容，電感和電容存在的意義就是讓開關(guān)兩端的電壓電流數(shù)值能緩慢降為零，之后再將開關(guān)打通關(guān)斷。軟開關(guān)電路降低了能量損失，消除了硬開關(guān)電路存在的安全隱患。

3.1.2 軟開關(guān)技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢及優(yōu)勢

（1）軟開關(guān)技術(shù)可以很好的降低開關(guān)開通和開關(guān)關(guān)斷時的能量損失，延長設(shè)備即開關(guān)的使用壽命。在對要求很高的大工程上，使用軟開關(guān)技術(shù)可以表現(xiàn)出高效率。

（2）安全性高。如果是硬關(guān)而且電流過大時可能會出現(xiàn)火花，此時不僅對設(shè)備會造成嚴(yán)重的傷害，而且更重要的是對使用設(shè)備的人會造成巨大風(fēng)險，對環(huán)境而言也不友好。軟開關(guān)技術(shù)大大提高了安全性。在對頻率和效率要求很高的工程上，可以應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)中的諧振電路，諧振電路可以在大頻率中表現(xiàn)出高效率。

（3）單一的軟開關(guān)電路可以解決大部分的問題，那么將單一的電路通過級聯(lián)、并聯(lián)、串聯(lián)等的方式形成組合電路，在一些方面來說可以大大提高電路的性能，組合電路將成為未來研究發(fā)展的一個大趨勢。

3.2 靜止無功補償技術(shù)

3.2.1 靜止無功補償技術(shù)簡介

無功功率補償技術(shù)主要應(yīng)用于電網(wǎng)中，它可以讓電網(wǎng)處于高質(zhì)量運行的狀態(tài)。要使無功完全不存在是不可能的，而我們要做到的是讓無功功率保持平衡，打破這個平衡主要有兩個原因：一方面在電網(wǎng)的“頭部”，即輸送部門傳送的三相電的質(zhì)量不高;另一方面在電網(wǎng)的“尾部”，即用戶的電氣性能不好。這兩方面的原因?qū)е铝舜罅繜o功的存在。在電力系統(tǒng)的運行中，電能質(zhì)量對人們來說至關(guān)重要，電能質(zhì)量高，不僅對用戶來說使用起來方便快捷，而且給設(shè)備也能提高效率減輕負擔(dān)并且能讓設(shè)備使用的壽命延長。電壓和頻率是用來表征電能質(zhì)量好還是不好的指標(biāo)量，電壓和頻率分別和無功功率和有功功率緊密關(guān)聯(lián)，控制用功功率和無功功率也是通過控制電壓頻率來完成的。

無功補償?shù)难b置發(fā)展歷程是：從一開始的無功補償電容器，發(fā)展到同步調(diào)相機，再到電力電子器件構(gòu)成的無功補償裝置。無功補償電容器實現(xiàn)不了動態(tài)補償，因為其自身有固定的阻抗所以限制了它的功能。同步調(diào)相機的類別屬于電機類，它可以實現(xiàn)動態(tài)補償，但在運行過程中會浪費太多電能，所以逐漸被社會淘汰。隨著技術(shù)進一步的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)晶閘管這一電力電子器件構(gòu)成的無功補償裝置有著良好的性能，于是，這種裝置已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。[9]

3.2.2 靜止無功補償技術(shù)的優(yōu)勢及未來的發(fā)展趨勢

（1）根據(jù)用電設(shè)備可以得到實時功率因數(shù)從而計算出損失的電能，此時可以提高電壓的功率因數(shù)，來減小電能的損失，以達到節(jié)能目的。

（2）減小了電能的損失從而延長了設(shè)備的使用壽命，也大大提高了電網(wǎng)中的電能的質(zhì)量。

（3）因為晶閘管有耐壓的限制，這導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓操作環(huán)境被限制，即無功補償技術(shù)目前還只應(yīng)用于低壓系統(tǒng)，而這也給未來的發(fā)展趨勢指了一條明朗的路，將無功補償技術(shù)應(yīng)用在高壓系統(tǒng)中，這個發(fā)展趨勢將會解決更多的還有待解決的問題。

3.3 高壓直流輸電

3.3.1 高壓直流輸電簡介

可以說，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用了電力電子技術(shù)之母的是高壓直流輸電技術(shù)?？v觀電史，我們知道一百多年前就有兩位偉大的科學(xué)家引發(fā)了“電流之戰(zhàn)”，這兩位偉大的科學(xué)家就是愛迪生和特斯拉了。愛迪生發(fā)明了電燈，他是直流電的支持者，而特斯拉確是交流電的支持者，最后的結(jié)果是交流電勝利了。雖然當(dāng)時是交流電的勝利，但是交流電和直流電并沒有哪一個優(yōu)于哪一個之說，對于現(xiàn)如今來說，直流和交流各有優(yōu)缺點，怎么樣達到最好的效果呢？就是“合作共贏”。剛開始人們是用直流電來輸送電能，但是隨著社會、經(jīng)濟、技術(shù)的發(fā)展，世界開始變得越來越大，人們了解的地區(qū)也越來越多，人們的視野開始變得寬廣，而輸電的距離也開始增加，此時交流電遠距離的運輸凸顯出了交流電運輸?shù)娜毕荩绯杀镜脑黾?、穩(wěn)定性的降低、輸電容量不足等，此時電力電子技術(shù)正在發(fā)展且出現(xiàn)了變流技術(shù)中的交直流變換技術(shù)，此時直流電又進入人們的視野，從而解決了交流電輸電所帶來的一系列問題。

3.3.2 高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢

（1）從經(jīng)濟角度來考慮，高壓直流輸電技術(shù)的經(jīng)濟成本要比交流輸電的經(jīng)濟成本低，而且性能優(yōu)于交流輸電。直流輸電沒有感性、容性等參數(shù)的限制，也沒有交流電的肌膚渦流效應(yīng)的干預(yù)，所以相同的距離直流輸電使用的材料要比交流輸電使用的材料更少，即節(jié)約了成本。[10]

（2）從適用范圍考慮，直流輸電的適用范圍更廣，在地下和海底中這種對設(shè)備技術(shù)要求比較高的環(huán)境中都可以使用。

（3）從環(huán)保的角度來說，直流輸電更節(jié)能。因為直流輸電所需的材料比交流輸電少，而且不存在肌膚等效應(yīng)，所以電能損耗更小，電能利用率更高。

（4）從操控的角度來說，直流輸電更便于控制。電力電子技術(shù)本來就是強電與弱電的溝通橋梁，是通過弱電控制強電，電力電子器件本身就具備可控性所以可以很好的通過控制電力電子器件進一步控制電力系統(tǒng)，從而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

綜上所述，通過從電力電子技術(shù)的介紹開始，來說明電力電子技術(shù)在電氣工程上的應(yīng)用，可以讓我們直觀地感受到電力電子技術(shù)給我們帶來的便捷生活及電力電子技術(shù)相對于其他技術(shù)的優(yōu)勢所在，顯露出電力電子技術(shù)在現(xiàn)代社會中的地位。電力電子技術(shù)的發(fā)展離不開人們的探索，而人類社會的發(fā)展也離不開電力電子技術(shù)作為基底支持。電力電子技術(shù)不僅僅是技術(shù)發(fā)面的發(fā)展，它也深深地影響著經(jīng)濟的發(fā)展，從而影響到整個社會的發(fā)展。在電力行業(yè)中，電力電子技術(shù)已經(jīng)被熟練地應(yīng)用于方方面面，每一個環(huán)節(jié)都有電力電子技術(shù)的存在意義與價值?？梢赃@樣說，電力電子技術(shù)像海浪，而電力系統(tǒng)就像在海上行駛的船，海浪一次次的推動著船，船才得以在海上越行越遠。

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西華大學(xué)，四川 成都