电力电子技术在电气工程中的应用

摘要：本文研究电力电子技术在电气工程中的应用，系统阐述其基础理论，涵盖器件原理、变换电路及控制策略。深入分析该技术于发电、输电、配电环节的实践应用，如发电环节的励磁控制与辅助设备节能，输电环节的直流输电和柔性交流输电技术，配电环节的电能质量改善与分布式能源接入。同时探讨应用面临的挑战并提出对策，证实电力电子技术对提升电气工程效率、稳定性及推动行业发展具有重要意义。

关键词：电力电子技术；电气工程；应用

引言

随着现代工业与社会用电需求的持续增长，电气工程作为能源转换与分配的核心领域，亟需技术革新以提升效率与可靠性。电力电子技术凭借对电能的高效变换与精准控制能力，成为推动电气工程智能化、绿色化发展的关键力量。从发电端的能源优化利用，到输电配电环节的稳定运行，再到终端用电设备的高效驱动，电力电子技术已深度渗透电气工程各环节。

一、电力电子技术基础概述

1.1 电力电子器件工作原理与特性

电力电子器件是电力电子技术的核心基础，其工作原理和特性决定了电能变换的效率与性能。只有当电流过零且承受反向电压时才能关断，这种特性使其广泛应用于可控整流电路。而绝缘栅双极型晶体管（IGBT）则是全控型器件，结合了 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的大电流低导通压降特性，驱动功率小、开关速度快，在变频器、新能源发电等领域发挥重要作用。随着技术发展，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带半导体器件逐渐兴起。SiC 器件相比传统硅器件，具有更高的击穿电场强度、热导率和开关频率，能有效降低器件损耗，提升系统效率，适用于高压、高频、高温的电力电子应用场景，如电动汽车充电桩、高铁牵引变流器等。

1.2 电力电子变换电路类型与分析

电能形式转换的中心环节就是电力电子变换电路。AC-DC整流电路中，不可控的整流电路，单相桥式整流电路，应用二极管的单向导通特性实现由交流到直流的电能转换形式转变，由于这种电能转换形式转变过程中不能控制其转换的结果，输出电压的稳定性较差，常用于对转换的稳定性要求不高的场合。可控整流电路，比如三相全控桥式整流电路，应用晶闸管实现由交流到直流的电能转换过程，且应用较为广泛，比如直流电动机的调速、电解电镀中。DC-AC逆变电路实现直流形式转换为交流形式，为新能源发电中的重要环节。

1.3 电力电子技术控制策略

电力电子技术的核心是控制策略，它直接影响电力电子系统性能和稳定性能。传统的相控技术通过改变晶闸管触发角控制输出电压，存在功率因数低、含有大量谐波电流等缺陷。脉宽调制（PWM）技术控制输出电压的大小和输出波形，可通过控制开关器件的开通时间控制，降低了谐波含量，提高了系统效率，如变频器技术中被广泛应用的正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等。随着控制理论的发展，智能控制策略逐渐引入。模糊控制不需要精确的数学模型，通过模糊规则来控制。可提高系统的动态性能和鲁棒性能，如在逆变器的稳压控制、电机调速系统中都有较好的性能，开始兴起。

二、电力电子技术在发电环节的应用

2.1 发电机励磁控制

作为电力生产过程的不可或缺的部分，发电机励磁控制关乎发电稳定运行及发电电能质量。励磁系统存在控制速度慢、发电电能输出质量不佳等方面。电力电子励磁系统被广泛使用，具有高效快捷特点。其中静止励磁系统是主要代表，为交流电生成的直流电利用电力电子元件的开关功能，将其作为发电机的励磁系统，输入发电端。励磁系统根据电网端的发电输出变化及负载变化等因素，及时调整发电输出的励磁系统大小，优化发电机发电的暂态性。当发电电网产生短路现象时，能在短时间内使励磁电流变大，在不中断电源的前提下，使发电机端维持电压值稳定不变，有效防止电网崩溃现象。随着现代能源发电技术的发展，变速恒频励磁技术被用于风力、水力等发电领域的发电机发电控制。使用电力电子变频器作为励磁，其中励磁电流控制具有灵活性，根据不同类型的发电能源变化特性，使用变速恒频励磁系统进行调节。

2.2 发电厂辅助设备节能控制

电力电子技术的应用，对发电厂设备辅助设备的节能具有重要的作用。由于发电厂的风机、水泵等辅助设备的消耗电能比较大，对其进行电力电子的改进，变频调速的方式是节能的重要环节。设备需要电力电子变频器根据实际运行状态对转速进行调整，保障其能够良好地进行运行。同时在照明控制中同样可以使用电力电子进行调光，采用电力电子调光控制能够有效减少发电厂照明的能耗。在发电厂内部如走廊、仓库、厂房等不行动的时候进行智能调光，利用电力电子的控制元件对光源照明的输入电压和输入电流的大小进行有效调制。当对发电厂进行调光以后，能够将灯光进行降低控制，有效保障发电厂辅助设备所需的电量。

三、电力电子技术在输电环节的应用

3.1 直流输电技术

换流器把交流电转成直流电或把直流电逆变成交流电，因此直流输电技术可以为超远距离、超大容量输电及异步电网联网提供独立的技术解决方案。高压直流输电（HVDC）系统使用晶闸管或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力电子器件整流器将来自送端的交流电转换成直流电送到接收端，然后逆变成交流电馈入电网。相比于交流输电方式，HVDC输电技术可实现输电线路损耗低、输电线路上占用土地少、可防止交流输电线路上的稳定性问题，适合于西电东送等地区间大规模送电；轻型直流输电（HVDCLight）主要使用电压源换流器（VSC），具有分独立有功和无功控制、可向无源网络供电等优点。

3.2 柔性交流输电（FACTS）技术

FACTS技术利用电力电子装备，柔性快速控制交直流输电线路参数，提升系统稳定性和输电能力，提高了输电线路运行的安全和稳定性。SVC是利用晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）来快速调节电网无功功率，维持电压，减少电压的波动和闪变。STATCOM是新一代的FACTS设备，全控型电力电子器件，动态调节反应迅速，补偿容量更大，能在故障瞬间为电网提供无功动态支持，提高了系统暂态稳定性。晶闸管控制串联电容器（TCSC）是通过改变串联电容容抗实现输电线路的潮流分布，提高了输电线路运行功率，它提高了输电线路的输送功率。FACTS设备在区域电网联结中改善电网电压分布，减少网损，提高系统防拒稳能力和配电系统运行安全、高效，FACTS技术的不断发展和直流输电与FACTS技术将使配电环节向智能化、高效化的发展提供强有力的技术支持。

结语

电力电子技术凭借对电能的高效变换与精准调控，已成为电气工程各环节革新的核心动力。从发电侧的能源优化利用、输电配电的稳定运行，到终端设备的高效驱动，其应用显著提升了系统效率与可靠性。尽管在器件性能、系统集成等方面仍存挑战，但随着宽禁带半导体、智能控制等技术发展，电力电子技术将持续推动电气工程向高效化、智能化、绿色化迈进，为能源转型与产业升级注入强劲动能。

参考文献

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