技术科普 | 为什么电力能源革命离不开电力电子技术？

1947年，世界上第一个晶体管被发明出来，引发了一场空前的电子技术革命。

    晶体管的发明推动了半导体技术的蓬勃发展，随着制程工艺的进步，人类得以在一块小小的芯片上集成百亿个晶体管，让笔记本电脑、智能手机这些便携设备真正走进大众的生活中，但半导体技术带来的革新远远不止于此。

近年来，半导体技术的发展不仅让智能数码设备的算力节节攀升，也推动了电力电子技术朝着更高电压、更大容量、更高功率密度的方向发展，为社会各行各业用电的安全、稳定、高效做出了卓越贡献。

电力电子技术是由电子学、电力学与控制理论三个学科交叉形成的，其本质是使用功率半导体器件对电能进行变换和控制的技术，是能源变换和信息控制的结合，也是现代能源变化的关键技术。

随着大容量功率半导体器件的迅速发展，电力电子技术在电气节能、新能源发电、电力牵引和智能电网等领域应用广泛，展现出了节能、高效的优势，推动了新型电力系统的构建。

核心器件飞跃发展

第二次工业革命时期，随着电器的广泛应用，电力系统的建设出现过交流直流的争论，当时制约直流输电系统发展最核心的原因就是电压提升的困难，无论是从技术原理到设备成本都无法与交流电简单高效的变压技术相比。

在半导体技术还未出现年代，一些用电场景仍然需要直流电源，例如电解铝、电池充电、电气化轨道交通、无线通信等，就要使用一些比较传统技术实现交流电到直流电的转换。

    早期人们通过电动-发电机对拖系统来提供直流电，即交流电驱动交流电机，带动机械连接的直流发电机，发出直流电，这种方式的转换效率并不高，机械部件需要频繁维护。

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    随后，汞弧阀（水银整流器）被发明出来，让交直流变换技术向前迈进了一大步，简单来说汞弧阀是一种可控的阀门，通过整流电路能够将交流电整流为脉冲直流电，再通过滤波就能输出稳定的直流电。汞弧阀能够承载高电压和大电流，因此它的出现也催生了现代的直流输电技术，1954年第一条真正意义上的永久性商用高压直流输电线路，正是使用汞弧阀作为核心设备。直到1970年代，汞弧阀才被可靠性更高、制造维护成本更低的功率半导体所取代。

进入半导体时代，电力电子技术的发展依赖于功率半导体器件、拓扑结构理论、控制技术共同的推动，以器件的发展来划分，经历了晶闸管、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅极型功率管（IGBT）等代表性器件的演进，从半控型器件向全控型器件迈进。

功率半导体器件的革新让电力电子设备朝着高功率密度、高控制精度、高转换效率等方向突飞猛进，广泛应用于社会生活的各个领域，已经成为现代能源变换的重要支撑。

应用场景逐渐丰富

电力电子技术的蓬勃发展自然也伴随着应用场景的不断丰富，在家用、工业、交通、电力系统等领域都有典型的应用。

电子设备电源是我们日常生活中最为熟悉的部分，从贴身携带的手机、办公娱乐用的电脑、视听影音的电视，这些现代的设备都需要直流电源，它们的电源适配器正是电力电子技术的最典型应用场景。

    此外，一些常见的家用电器也依赖于电力电子技术，例如直流变频空调、冰箱、洗衣机，其核心是把交流电转换为直流电后再逆变成不同频率的交流电，实现对交流电动机的调速控制。

    轨道交通领域的电力电子技术也与电动机相关，由于交流电动机结构简单可靠、启动调速性能良好，广泛应用于高铁、城轨、地铁等电动列车的牵引驱动，通过功率半导体器件为核心的变频器进行控制驱动（如VVVF技术）。其中，IGBT芯片就被誉为高铁的心脏，曾经也是被西方“卡脖子”的领域，经过艰苦的研发攻关，终于实现了IGBT芯片的自主设计生产。

类似的情况也发生在电力系统领域，我国大力发展的超高压、特高压直流输电技术，换流站是完成交流直流转换的核心设施，而换流站中的换流阀更是核心中的核心，通常采用压接式IGBT功率模块。可以说电力电子技术在我国特高压输电领域蓬勃发展中起到了非常关键的作用。

新型电力系统关键

同时，基于电力电子技术发展出了柔性直流输电技术，不仅实现了电能的大容量、远距离输送，还能够提高电力系统的稳定运行水平，增加电网灵活性。

在配电领域，电力电子技术也是发展“光储直柔充”的核心，能够提升新能源发电的利用效率，推动实现建筑的全面低碳化改造，助力新型电力系统的构建。

白云电气集团作为电力能源装备制造领域的领军企业，将电力电子作为重点打造的三大核心能力之一，并在电力电子设备领域有深度的布局。

集团旗下企业、关联企业，研制了“基于国产IGBT的柔性直流换流阀”，使IGBT器件国产化比例大幅提升，实现了核心器件自主可控，产品入选工信部首台（套）重大技术装备推广应用指导目录和国家能源局能源领域首台（套）重大技术装备。其中，特高压柔性直流输电换流阀产品已在国家西电东送重点工程中获得成功应用。

在防灾减灾方面，基于电力电子技术研发直流融冰装置、智能配网/地线便携式移动融冰装置等设备，保障极端天气灾害下电网的安全稳定运行。

基于电力电子变压器（PET）及相关储能核心设备，探索建设“光储直柔充”新型配电网科研及产业化项目，将楼宇与光伏、储能、充电桩等新型直流负载组合成一个直流系统，集成数字化、电力电子等综合能源技术，应用车网互动、新型分布式潮流控制技术等，促进分布式可再生能源消纳，实现节能降碳。

“双碳”目标下，以新能源为主体的新型电力系统给了电力电子技术巨大的发展空间，但也还面临许多挑战和机遇。

未来，仍需要进一步提升电力电子器件的效率和可靠性，减少能源转换过程中的能量损失，推动电力电子技术与其他领域的深度融合，进一步提高系统的智能化和自动化水平，实现新型电力系统的数字化、信息化、智能化。