现代电力电子技术的发展趋势探析

田素军

摘要：现代电力电子技术由控制电路、变流电路及电力电子器件三部分构成，在电力、电子和控制三大技术领域的共同作用下解决各种电力系统问题。具体应用方面，电力技术涉及配电、发电及电力输送等诸多内容，而电子技术则主要涵盖了电子器件及电子电路的设备和技术问题，控制技术领域主要研究对象是外在装置设备的工作状态和参数标准。器件作为电力电子技术的实施基础，对于电能的控制与转化意义重大，现代电力电子技术的发展势必将渗透生活的各个领域。

关键词：现代电力电子技术;控制系统;发展趋势;应用展望分析

当前电力电子技术的发展趋势，其大致方向表现为由传统低频技术处理向现代高频技术转换，并逐渐取代传统的电力电子器件整合时代。电力电子技术的发展源自硅整流器件，从整流器时代发展至逆变器时代，并逐渐演变为如今的变频器时代。现代电力电子技术被广泛应用于社会生产生活的诸多领域，开关电源、输电技术、发电系统，随处可见电力电子技术的身影。上世纪九十年代初以功率半导体复合器件为象征的现代电力电子体系逐渐形成，对于人们的工作和生活产生了重大影响。本文从电力电子技术的发展历程和应用展望等方面分析了现代电力电子技术的发展趋势，体现了电力电子技术的发展与当前时代发展特征的融合。

1 关于电力电子技术的发展

1.1 回顾电力电子技术的发展历程

电力电子技术的发展历程可具体划分为三个时期，即整流器时代、逆变器时代和变频器时代。首先，整流器时期的电力电子技术发展主要表现为大规模的工业用电，它的用电来源主要是交流发电机，消费形式以直流电为主，比如有色金属的电解、内燃机车的牵引以及轧钢中的直流电等。硅整流器通过将直流电转化为工业用电而被广泛应用于配电和输电领域，这在六七十年代的中国随处可见。其次，逆变器时代的电力电子技术发展遭遇了严重的能源危机，其波及范围之广使得整流器的发展不再适应电能企业的使用需求，以交流电为主的逆变器时代应运而生。逆变器时代以晶闸管、晶体管以及晶闸管器件作为时代发展的主流，在高压直流输出的过程中实现了对动态功率的有效补偿。然而这时的使用范围还仅仅局限于中低频领域，使用过程中的效率较为偏低。再者，八十年代的变频器时代实现了大规模和超大规模集成电路的发展与应用，这不仅电子应用领域的显著创新，同时也为后期现代电力电子技术的发展提供了必要的技術借鉴。变频器时代还对电力的精细加工技术进行了完善，全控型功率器件的出现实现了电力电子技术的高频化发展，使得现代电力电子技术转化成为一种可能。功率半导体市场逐渐被变频器件取代，这一革新不仅提升了变频调速的使用频率，在小型轻量化技术装备方面也有了显著进步。

1.2 当前电力电子技术的应用领域

电力电子技术的发展核心控制体系在于电能器件的有效转换，作为一种现代技术，电力电子技术的主要功能不仅包括了逆变、整流、变频等基本方面，除此以外还涉及到斩波和智能开关等方面的内容。通过对电网工频电能的转化来达到不同的使用目的，以此适应现代化生产对电力电子技术的使用需求。具体应用方面，其应用领域主要包括了三大方面：其一，在变频器作用下对微电子技术及控制技术进行有效整合，将固有不变的交流电转变为可换可调的可变式交流电，以此达到无级调速的目的，这对电能资源的节约显然极为有利。其二，在开关电源和供电电源方面现代电力电子技术也有着自身的使用功能，类似变频电源、焊接电源、充电电源、照明电源等都为现代化电力系统的完善提供了切实可行的技术指导。其三，一些发电系统或是交流输电技术也体现出现代电力电子技术的应用意义，水力发电、风力发电、配电与用电系统的完善等都和电子系统的应用之间有着密切联系。

2 现代电力电子技术的发展趋势探讨

2.1 电力电子技术的发展趋势

电子电子技术归根结底是对电源技术的研究，电源技术不仅是电力电子技术研究的核心，一定程度上开光电源技术的发展也预示着现代电力电子技术今后的发展走向。从发展趋势来看，现代电力电子技术的发展趋势可概括为以下几方面特点：第一，现代电力电子技术的集成化与模块化特征。这一特征主要表现在现代电力电子技术的功率器件和电源单元两个方面，从微小器件组成来实现电子器件的智能化辨别与使用。这样的模块功率不仅有效控制了器件的体积，在设计与制造方面也形成了显著的模块化特征。电力电子技术的模块化发展其核心目的旨在降低器件的电应力，从安全性与可靠性角度提升电力系统的使用性能。第二，现代电力电子技术的高频化特征。从理论分析及实践验证的双重角度不难看出，无论是变压器的电感还是电容体积在供电频率方面都呈现出一定的反比例趋势，因此体积的减小必然会导致电子技术的高频化呈现。从这个角度来看，全控型电子器件的问世已然标志着现代电子与电力技术率先实现了自身的高频化转换。第三，现代电力电子技术的全控化与数字化特征。全控化电力电子技术的革新突破了原有电力电子器件在使用功能方面的限制，降低了关断换流电路可能造成的危险，从根本上保障了电力系统在使用过程中的安全性。数字化特征则主要表现在现代电力电子技术的高频斩波以及谐振变换等方面，从弱电领域拓展了电力电子技术的发展渠道，提前实现了控制技术的集成化。第四，现代电力电子技术的绿色化特征。这里的绿色化特征既包括了环境污染问题的控制，又涉及到必要的电网污染源问题，是当前电力电子技术在发展过程中亟需解决的重要问题。发电容量的控制从根本上减少了发电对环境造成的污染，与此相关的污染过滤器或是电能补偿系统等都是当前电力电子技术向绿色化迈进的有力证据。具体的电力电子技术应用方面，则主要表现为四大革新趋势：其一，太阳能发电技术的应用。太阳能发电技术为普通家庭提供了足够的电能使用空间，成为了可再生资源的有效传播途径之一。其二，燃料电池发电技术。燃料电池的发电装置主要是将其中的化学能转化为可使用的电能，节能省电，鲜少产生环境污染问题。其三，交流输电技术的应用。作为一种新型电力系统出现的交流输电技术实现了对电网资源重新分配与利用，保障了电力系统的稳定性。其四，现代电力电子技术中的储存与质量控制技术。储存技术的使用在于提升电力系统本身的电力储备功能，而质量控制技术则在于从供电质量角度提高电力产品的使用效率。

2.2 现代电力电子技术的应用展望

关于现代电力电子技术的应用展望，可从如下几方面得以体现：第一，从节能性角度提升电机系统的使用性能，可从专用电机的设计或是控制设备的完善等方面来提升整体电力系统的使用效率;第二，中高压直流输电系统的运用也是今后电力电子技术发展的必然趋势，这一系统本身就具备了低污染和低能耗的特点;第三，当前社会发展进程中充电站网络的构建或是电动车辆的普及已经逐渐成为现代电力电子技术发展进程中积极完善与改革的内容，以电动汽车为代表的环保电力问题逐渐成为一个时代课题。至于当前城市建设过程中充电网络的配备问题基本尚处于起步阶段，无论是实际应用领域还是理论构建领域都还存在许多值得研究和讨论的问题，但无疑其发展空间是极为广阔的;第四，关于电力系统中电能储备装置的设置与超导线的使用也将成为电力电子技术亟需解决的问题之一，从根本上解决电能储备问题势必将对电力系统的持续发展产生积极而深远的影响。然而面对电能储备过程中存在的诸多问题，電力系统设计者需要从控制技术与存储技术的双重层面来体现储能装置的有效性，对于其中可能存在的不合理问题提出切实有效的解决或改进对策。

3 结束语

现代电力电子技术的核心在于通过电子器件的转换来达到特定的变频和技术控制目的，以此实现节能减排的环保目标。实际技术应用领域，电力电子技术的发展也是对电源技术的提升，在此基础之上现代电力电子技术本身的自动化与智能化特征越来越明显，高频化、模块化和绿色化的电力电子技术逐渐成为一种可能。伴随如今半导体器件的日臻成熟，电力电子技术的发展也更加崇尚经济和环保的发展原则，体现电能品质与效率的有机结合。不难看出，电力电子技术的发展源于技术领域本身的应用需求，随着现代化电子技术和电能耗材的出现，一些陈旧的电力电子技术理应被更加先进的技术所取代，进而更好地满足电子应用领域的使用需求。当前日臻成熟的开关电源技术正逐渐朝着集成化、绿色化和数字化的方向发展，这也象征着现代电力电子技术的发展又向前迈了一大步。

参考文献：

[1] 张承慧，崔纳新.交流电机变频调速及其应用 [M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 姜山，黄可，冯瑞华.宽禁带半导体器件的发展与应用 [M].北京：机械工业出版社，2001.

[3] 张加胜，张磊.电力电子技术 [M].北京：中国石油大学出版社，2007.

[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术 [M].北京：机械工业出版社，2005

（作者身份证号码：132433197605146013）