第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖 

上海海事大学 宋睿雪

引言

在应对气候变化的全球行动中，中国提出的“双碳”目标——2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和——正引领一场深刻的能源革命。能源作为人类生存与发展的物质基础，其绿色低碳转型已成为关乎未来的核心议题。在工业革命时期，化石能源曾推动各国经济腾飞，但也带来了环境污染、资源枯竭等严峻挑战。实现能源企业绿色转型，意味着我们必须走向更高效、更清洁的能源利用模式。

而在我们日常生活中，从电动汽车充电时屏幕上跳动的“绿色电能占比83%”，到风电场中随风旋转的巨型叶片稳定向电网送电，再到屋顶太阳能板在日照下为家庭供应热水——这些场景的背后，都有着电力电子技术在默默支撑。

对于电力电子技术，本质上是利用半导体功率开关器件（如IGBT、MOSFET等）进行高速、高频的开关操作，从而对电能形式进行精确控制和高效转换。它能够将电能变换为不同电压、频率和波形的所需形态，实现对电能的“精加工”[1]。

1.1 为何需要电力电子？

了解电力电子的重要性，首先要认清我们当前面临的能源困境。过去一百多年，人类依赖煤炭、石油、天然气等化石能源构建了现代能源体系，虽推动了工业文明，却也埋下诸多隐患：一是储量有限，按当前消耗速度，已探明能源难以支撑长远发展；二是碳排放问题突出，化石燃料燃烧导致全球气温上升、极端天气频发。

为应对这些挑战，各国纷纷转向开发风能、太阳能、水能等可再生能源。这些能源取之不尽、几乎零碳排放，但也存在一个致命弱点：不稳定性。以太阳能为例，晴天正午发电功率可达峰值，但一旦乌云遮日，功率可能骤降过半，夜晚则完全无法发电。

而无论是家庭用电，还是工业精密设备，通常都需要电压稳定在220V、频率稳定在50Hz的交流电。若将不稳定的新能源电力直接接入电网，就像驾车不时急刹，轻则损坏电器、影响生产，重则导致电网崩溃、大面积停电。此外，电能输送过程中的损耗也不容忽视。电力电子技术正是解决这些问题的关键——它既能“驯服”不稳定的新能源电力，使其符合电网要求，又能在转换过程中最大限度降低能量损失。

2.1 电力电子在能源领域的应用场景

2.1.1 新能源发电装备的“稳频调压”

在新能源发电中，无论是光伏板还是风力发电机，所产生的电力都必须经过“变流器”处理才能并入电网，而变流器的核心正是电力电子器件。

以光伏电站为例，光伏板产生的是波动直流电，需通过光伏逆变器先整定为稳定直流，再逆变成220V/50Hz的交流电。在此过程中，逆变器实时监测电网参数，随时调整输出，确保与电网完美同步。

在风力发电系统中，电力电子技术的核心应用体现在发电机控制与电能质量优化上。现代风力发电多采用双馈感应发电机（DFIG）和全功率变流器，以适应多变的风速条件并提高发电效率。研究表明，DFIG系统的能量转换效率可达到94.28%，而全功率变流器在宽禁带半导体器件的支持下，转换效率进一步提升至96.85%。截至2023年底，我国风电、光伏装机容量已突破12亿千瓦，如图 2  1 风力发电机和太阳能板，占全国总装机的40%以上。这其中，99%以上的新能源电站都依靠电力电子变流器实现高效并网[2]。

图 2  1 风力发电机和太阳能板

2.1.2 新能源用电设备的“高效节能”

电力电子技术不仅让发电更绿色，也使用电更高效。日常生活中诸多设备都借助该技术实现节能升级。首当其冲的就是照明系统，经过对比发现相比电子节能灯、节能火箭炮来说，白炽灯、高压汞灯、碘钨灯能够达到更多光效，因此所致使用中浪费较多，严重眩光且较快的光源衰减速度，降低整体光照度。对此应该选用电子节能灯、节能火箭炮取代原本光源，例如替换高压汞灯，运用25W电子节能灯替换原本的125W高压汞灯，65W节能火箭炮替换原本的250W高压汞灯，125W节能火箭炮替换原本的450W高压汞灯[3]。

在夏天频繁使用的空调中，传统空调压缩机仅具备“启停”模式，能耗大且温度波动明显。而采用变频技术的空调，通过电力电子变频器实时调节压缩机转速，使室温更稳定，能耗降低30%以上，夏季每台可省电近百度的。

再如电动汽车，其核心动力控制单元——电机控制器，本身就是一套电力电子系统。它能根据油门信号精准调节电机转矩与转速，实现平稳起步、高效加速。充电环节同样依赖电力电子技术：车载充电机将交流电转为直流充入电池，快充桩则采用更先进的拓扑结构，实现半小时补电80%。如图 2 2 电动汽车充电桩。

图 2 2 电动汽车充电桩

2.1.3新能源发电的“储备仓库”

当新能源发电量过剩时，储能变流器会将电网中的交流电“整流”成直流电，存入电池中；当发电量不足时，变流器又会将电池中的直流电“逆变”成交流电，送回电网。这个过程中，电力电子技术能精准控制充电和放电的速度，避免电池过充或过放，延长电池寿命，同时保证输出电力的稳定性。

比如我国的青海盐湖光伏储能项目，就采用了大规模锂电池储能系统，搭配先进的电力电子变流器。白天，光伏板发出的电一部分直接供应用户，多余的电存入储能系统；夜晚，储能系统释放电能，满足当地居民和企业的用电需求。通过这种“削峰填谷”，该项目实现了新能源电力的24小时稳定供应，让青海的清洁能源利用率提升到了95%以上。

3.1电力电子在能源领域的未来展望

尽管电力电子技术已发挥巨大作用，但随着新能源渗透率不断提高，也带来了新的挑战，如谐波污染、系统惯性下降等电网稳定性问题。

未来，电力电子设备需向更智能、更电网友好的方向演进。例如，在风电场应用数字孪生技术，构建变流器的实时数字模型，监测温度、电流等参数，提前预警故障；在储能系统中，通过数字孪生优化电池充放电策略，可延长电池寿命10%–20%。电力电子技术在储能领域也面临双重挑战：一方面，需要开发高效、经济的储能系统接口技术，如用于电池储能系统的双向DC/AC变换器，以优化充放电过程，延长电池寿命；另一方面，需创新电力电子在虚拟同步机、需求侧管理等调峰技术中的应用，以实现对电网供需快速精准的调节，克服可再生能源发电的随机性和周期性不足，确保电力供应的连续性和可靠性。这些技术的发展和应用对于构建一个更加智能、灵活、可持续的能源系统至关重要[4]。

4.1结语

电力电子技术，是隐藏于芯片、模块与机柜中的“隐形巨人”，正以前所未有的力量重塑能源格局，能够高效将随机波动的绿色能源化为稳定电能，推动全社会节能高效的巨大助力，更是构建清洁、低碳、安全、高效能源体系的基石。

每一度光伏电量的转化、每一台风力发电机的并网、每一辆电动汽车的奔驰、每一台变频电机的运转，都离不开电力电子技术的支持。虽不常被大众所见，电力电子技术却实实在在为地球的可持续发展注入强劲动力。认识它、发展它、善用它，是我们迈向“双碳”目标、赢得绿色未来的关键一步。

参考文献

[1] 李雅琳，张珺.“双碳”目标背景下能源企业绿色转型动因与路径研究[J].现代工业经济和信息化，2025,15(06)

[2] 李政浩,乔旭东,刘杰.电力电子技术在电气工程自动化中的创新应用[J].全面腐蚀控制,2025,39(08):57-59

[3] 郭淑贞.基于电子技术的电力系统节能设计[J].电子测试,2022,36(04):121-122+115

[4] 柴煜淞.电力电子技术在可再生能源并网中的应用[J].集成电路应用,2024,41(12):112-113