电力电子技术是涉及电能转换和控制的核心技术,它涵盖了电力电子器件的制造与变流技术两个主要分支。电力电子器件制造技术基于半导体物理,而变流技术则以电路理论为基础,通过电力电子器件实现电能的形式转换,如AC/DC、DC/DC、DC/AC和AC/AC。这些转换在现代工业、交通、电力系统和家用电器等多个领域都有广泛应用。
自20世纪60年代起,电力电子学逐渐形成,1974年W. Newell提出的倒三角形模型清晰地描绘了电力电子学与电子学、电力学和控制理论之间的关系。电力电子技术的发展历程与电力电子器件的演变密切相关,从最初的水银整流器和电子管到晶闸管的出现,再到GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT等全控型器件的快速发展,以及功率集成器件如PIM、HVIC、IPM的出现。器件的发展趋势是向着小型化、大功率、高开关频率、低损耗和高度集成的方向迈进。
在电能变换技术方面,从早期的交流-直流变流机组到直流电动机的控制,再到现代的变频、变相技术,不仅功率等级不断提升,频率转换也更加高效。现代电力电子技术追求的目标包括大功率、高频化、集成化,以及高功率密度、高压大功率、高功率因数和高性能,其中数字信号处理器(DSP)的应用为控制策略提供了更高级别的灵活性和精度。
电力电子技术在多个领域发挥着重要作用。在一般工业中,它用于电机驱动、电化学和冶金工艺;在交通运输中,电气化铁路、电动汽车、航空和航海都离不开它;在电力系统中,高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿及电力市场运营都依赖于电力电子技术;电子装置电源、家用电器如节能灯和变频空调,乃至UPS、航天飞行器、新能源发电等,都见证了电力电子技术的广泛应用。
特别地,在风力发电领域,电力电子技术是实现风能高效转换的关键,它能够将风力发电机产生的不稳定直流电转换为电网可用的交流电,同时还能进行并网控制和功率调节,确保电网的稳定运行。随着可再生能源的发展,电力电子技术在促进绿色能源的利用上扮演着越来越重要的角色。