電力電子與電力傳動面臨的挑戰與機遇

曾光

【摘要】本文主要從電力電子的含義和任務、電力傳動系統的發展現狀分析、電力電子技術目前存在的問題、電力電子技術在電力系統中應用的發展趨勢等方面進行了闡述。

【關鍵詞】電力電子；電力傳動；發展

中圖分類號： F407 文獻標識碼： A

一、前言

電力電子技術在我國應用廣泛，隨著科技的不斷發展，電力電子與電力傳動水平也逐漸提升，同樣也面臨著挑戰與機遇。

二、電力電子的含義和任務

從學術角度看，主要任務是研究電力電子功率電子（半導體）裝置，逆變器的拓撲結構和控制及其相關電力電子系統中的應用過程中，實現對電力、磁能量轉換、控制、傳輸和存儲，為了達到一個合理的平衡，以及各種形式的有效利用，提供了高質量的電能。本問主要內容和研究范圍包括：電力電子技術、電力電子器件及功率集成電路。電力電子技術研究內容主要包括新的或舊的電力電子功率、節能與新能源電力電子、軍事和空間的電力電子變換器變換技術應用工程、智能技術、電力電子控制系統和計算機仿真、建模、以及電力電子技術的相關應用。研究內容主要包括大功率變換器的節能應用，可再生能源發電、鋼鐵、冶金、電力、電力牽引、推進、信息和網絡的電力電子系統以及電力電子系統的可靠性、故障分析復雜電力電子系統的穩定性、適應性。電力電子系統集成，研究內容主要包括電力電子模塊標準化；單芯片和多芯片系統的設計；電力電子集成系統的穩定性，可靠性。

從工程應用的角度看，無論是電力、機械、采礦、運輸、石油化工、紡織等傳統產業，或通信、激光、機器人、環境保護、原子能、航空航天等高新技術產業，提供高質量的電源的都是其正常運行的基礎，特別是能源的節約。而電力電子是不同的能量有效地轉化為高質量的電能，實現節能、環保的一個重要手段，提高人們的生活質量，已成為重中之重。其中信息技術是先進制造技術的另一種集中體現，傳統產業要實現橋梁的自動化、智能化、節能化，機電一體化。電力電子技術的突出特點是高效、節能、節材。因此電力電子技術已經成為我國國民經濟的重要基礎，是一個重要的現代科學技術，其發展支撐著工業和國防。因此，無論是高技術應用領域或各種傳統行業，包括照明、家用電器和同樣廣泛的應用領域，都與人們的日常生活密切相關?，F實生活中電器和電子產品已經無所不在。由于目前我國還沒有形成一個完整的自主的電力電子電力系統，所以它已成為建立現代科學的瓶頸，該行業和我國自主國防系統站之間也應該加強聯系的緊密性。

三、電力傳動系統的發展現狀分析

目前，我國高校的教學模式是對電力的理論和實踐的普遍現象的認知。由于電氣工程及其自動化專業，是一個強大工科專業，電力技術的專業實力和計算機技術的相互滲透，“電力電子技術”，“電機驅動控制系統”和“交流調速”課程所涉及的基本理論和一系列要求知識，扎實的理論基礎，學生必須具備較強的分析和解決問題的能力和實踐能力。

1.輸入電流為正弦和四象限運行開辟了新的途徑

高性能交流驅動系統電壓型PWM逆變器中的應用日益廣泛，PWM技術的研究更深入。PWM技術可分為三類：正弦PWM，優化PWM及隨機PWM。

2.應用矢量控制技術、直接轉矩控制技術及現代控制理論

交流電機驅動系統是一個多變量、非線性、強耦合、時變的控制對象，變頻調速控制，交流電動機的動態控制是70年代初提出，不僅可以控制每個變量的振幅，而且在控制階段，為了解耦矢量變換方法對交流電動機的磁鏈和轉矩，高性能的交流傳動系統逐漸向實際使用。高動態性能的矢量控制變頻器，目前已經成功應用于軋鋼機主傳動系統，電力牽引系統和數控機床。此外，為了解決復雜系統的控制精度之間的矛盾，同時也提出了一個新的控制方法，如直接轉矩控制，方向控制電壓，特別是微機控制技術，現代控制理論中的各種控制方法已經應用，最優控制雙模擬調節器控制，可以提高系統的動態性能，滑模變結構控制（滑模）能提高系統的魯棒性。

3.廣泛應用微電子技術

隨著微電子技術的發展，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到很大提高，這使得全數字化控制系統取代以前的模擬器件控制系統成為可能。目前適于交流傳動系統的微處理器有單片機、數字信號處理器（Digital Signal Processor——DSP）、專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit——ASIC）等。其中，高性能的計算機結構形式采用超高速緩沖儲存器、多總線結構、流水線結構和多處理器結構等。

四、電力電子技術目前存在的問題

在過去，中國的國民經濟各部門雖然引進了許多國外先進技術，又注重本土化的問題，雖然他們大多經過幾年可以達到70%的本地化率，但只要我們仔細分析，不難發現，外國公司拒絕轉讓技術的重要組成部分，是電力電子技術和高技術動力傳動產品的核心技術相關。電力電子技術的應用涉及的核心可以概括為：大功率變流技術、電力電子技術和控制技術、大功率并網逆變器技術、大功率電力電子器件和電力電子數字控制技術。

實現系統狀態反饋控制必要條件以及前提是系統能觀性的研究，在控制系統的極點配置、動態解耦控制、鎮定、漸進跟蹤和、靜態解耦控制、擾動抑制和線性二次型最優控制等方面都具有很強的意義。電力電子變換器又純電路系統構成，按照基爾霍夫定律，在該系統中的電力都是可以計算以及檢測出來的，所以一般來說，電力電子變換器可以稱之為一種能觀性的系統，可是電力電子系統中依然有能觀性問題。

發現電力電子變換器的混沌現象是在20世紀90年代，該發現解開了長期性的疑惑，電力電子變換器經常會呈現出某種不規則或奇異現象，例如運行時突然崩潰、控制系統的間歇振蕩、不明的電磁噪聲、系統無法按設計要求工作系甚至統運行的不穩定等。實際上目前對電力電子變換器混沌問題的研究顯示，這些現象的產生就是電力電子變換器運行的穩定性問題，當電力電子變換器參數變化到一定范圍時，就會產生不穩定運行狀態，混沌現象就隨之出現。誠然如果在電力電子變換器初期研究就有計劃的進行穩定性分析，它的混沌現象可能就會被盡早發現，盡早發現就能及時避免，長期以來只能將它歸結為系統故障和外界隨機干擾的誤解就被消除，也不會因此影響到電力電子變換器的設計、研究和開發，使電力電子變換器性能的得到提高。與此同時也可盡早研究利用電力電子變換器混沌特性提高變換器的特性，例如優化變換器參數設計，避免有害混沌現象的出現，消除奇異或不規則現象，提高電力電子變換器穩定性；利用混沌運動的初值敏感性，提高電力電子變換器的動態響應特性和進行微電量檢測；利用混沌功率譜特性降低電力電子變換器中的電磁干擾；利用混沌同步特性實現電力電子變換器的均流控制等。由此可以說明電力電子變換器穩定性不是一個是否需要研究的問題，而是一個必須研究的問題。

五、電力電子技術在電力系統中應用的發展方向

從目前的情況來看，最可靠的電子技術是未來電力電子技術發展的新熱點。采用表面貼裝技術先進的電力電子技術，多個設備的主電源集成在一起，具有多種功能，大大降低了電力電子裝置的重量和體積，同時也降低了損耗和成本，提高工作效率。新材料是電力電子器件的發展的基礎，因此在電力電子技術發展的一個瓶頸是新材料的開發。近年來，新的半導體材料，如碳化硅。如果集成技術的突破和新的半導體材料的突破性的整合，會有更多更好的新設備的性能，功能更強大，smanpower高壓功率集成電路是一個明顯的例子，他的存在，極大地滿足了需要大力發展現代農業。除了這些，自動控制芯片的發展也很迅速。為了更好的使用性能優良的新裝置，為了如波形生成，滿足驅動電路，控制電路和實時保護等方面的要求，只有通過新材料，新技術的發展，不斷創造快速性能更加完善，人工智能程度高新的高速控制芯片，更方便的工業應用。

中國的電力電子器件的集成技術能力與發達國家相比，仍然存在較大差距，要想中國電力電子技術的創新發展，形成產業化規模，必須有中國特色產業的創新，這就要求堅定不移地堅持和掌握生產、學習和研究共同發展相結合的道路。從跟蹤國外先進技術，在其基礎上逐步走上自主創新，從創新的跨學科的相互滲透，從器件選型和電路結構的變革創新，這是特別有用的技術創新的動力。從新材料科學中的應用創新，促進電力電子器件制造技術的發展創新，提高器件的可靠性。這種形式的基礎上積累的創新之路。使技術創新和產品應用以及市場營銷相結合，從而快科技創新的自我強化的循環，推動技術創新和促進穩定的基礎，使我國的電力電子技術和設備制造技術形成一種新的朝陽產業，從而轉化為更先進的生產力，由粗放經營向集約型營銷發展，從而促進我們的產業的發展和國民經濟高速度、高度、可持續發展。

六、結束語

只有以正確的態度來面對電力電子與電力傳動面臨的挑戰與機遇，才能使該部分技術更加完善，也是我國科技進步的體現。

參考文獻：

[1]杜徳魚.我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰與機遇.民辦教育研究.2013年3月，第2期，166-168.

[2]王朝.我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰與機遇.新西部下半.2012年4月，第4期,243-247.

[3]高潔.我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰與機遇.價值工程.2013年10月，第9期，110-115.