摘要:文章闡述了電力電子的含義和任務,并對電力電子技術在我國社會各經(jīng)濟領域中的應用、影響和重要作用進行了簡要的分析和綜述,并對該領域國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀作了對比和分析,指出在我國建立一個自主創(chuàng)新的、強大的、達到世界先進水平的電力電子產(chǎn)業(yè)是十分迫切和重要的。

關鍵詞:電力電子技術;經(jīng)濟影響;可再生能源發(fā)電

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)27-0010-02

一、電力電子的含義和任務

從學科的角度講,電力電子的主要任務是研究電力電子(功率半導體)器件、變流器拓撲及其控制和電力電子應用系統(tǒng),實現(xiàn)對電、磁能量的變換、控制、傳輸和存貯,以達到合理、高效地使用各種形式的電能,為人類提供高質(zhì)量電、磁能量。電力電子的研究范圍與研究內(nèi)容主要包括:(1)電力電子元、器件及功率集成電路。(2)電力電子變流技術,其研究內(nèi)容主要包括新型的或適用于電源、節(jié)能及電力電子新能源利用、軍用和太空等特種應用中的電力電子變流技術;電力電子變流器智能化技術;電力電子系統(tǒng)中的控制和計算機仿真、建模等。(3)電力電子應用技術,其研究內(nèi)容主要包括超大功率變流器在節(jié)能、可再生能源發(fā)電、鋼鐵、冶金、電力、電力牽引、艦船推進中的應用;電力電子系統(tǒng)信息與網(wǎng)絡化;電力電子系統(tǒng)故障分析和可靠性;復雜電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應性等。(4)電力電子系統(tǒng)集成,其研究內(nèi)容主要包括電力電子模塊標準化;單芯片和多芯片系統(tǒng)設計;電力電子集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等。

從工程應用的角度看,無論是電力、機械、礦冶、交通、石油化工、輕紡等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),還是通信、激光、機器人、環(huán)保、原子能、航天等高科技產(chǎn)業(yè),都迫切需要提供高質(zhì)量的電能,特別是要求節(jié)能。而電力電子則是實現(xiàn)將各種能源高效率地變換成高質(zhì)量電能、節(jié)能、環(huán)保和提高人民生活質(zhì)量的重要手段,它已經(jīng)成為弱電控制與強電運行之間,信息技術與先進制造技術之間,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)自動化、智能化、節(jié)能化、機電一體化的橋梁。電力電子的突出特點是高效、節(jié)能、省材,所以電力電子已成為我國國民經(jīng)濟的重要基礎技術,是現(xiàn)代科學、工業(yè)和國防的重要支撐技術。因此,無論上述諸多高技術應用領域,還是各種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),乃至照明、家電等量大面廣的,與人民日常生活密切相關的應用領域,電力電子產(chǎn)品已無所不在。由于目前我國還沒有形成獨立自主的、完整的、強大的電力電子的產(chǎn)業(yè)體系,因此它已成為制約我國建立獨立自主的現(xiàn)代科學、工業(yè)和國防體系的瓶頸之一。

二、電力電子技術對社會經(jīng)濟的廣泛影響及其重要性

下面結(jié)合可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、電力質(zhì)量控制、電力牽引和電機驅(qū)動、國防和前沿科學技術等實例,進一步具體說明電力電子技術在這些經(jīng)濟領域中的廣泛應用及其重要性。

(一)可再生能源發(fā)電

可再生能源(R E)主要包括風能、太陽能、生物能和地熱能等。各種能源由于其轉(zhuǎn)化為電能的方式不同,將其送入電網(wǎng)時必須應用電力電子技術按用戶的要求對其進行調(diào)整和控制。天然氣雖然不是可再生能源,但它通過提煉轉(zhuǎn)化為氫氣后,再通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能,對環(huán)境零污染,也可達到綠色能源的要求。諸多系統(tǒng)中直流-直流變流環(huán)節(jié)、儲能控制環(huán)節(jié)、直流-交流逆變環(huán)節(jié)和并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)均不可缺少電力電子技術。

值得指出的是,大部分可再生能源直接產(chǎn)生的能量通常是不穩(wěn)定的。以風能為例,并網(wǎng)型風力發(fā)電都要用到大容量的風力發(fā)電機,為了盡可能多地利用風能資源,通常多臺大容量的風力發(fā)電機并聯(lián),由于風場風力的不穩(wěn)定性,它們在并網(wǎng)時如果不加控制和調(diào)節(jié),就會對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊,同時為了保證將盡可能多的有功能量送入電網(wǎng),風力發(fā)電系統(tǒng)還必須有儲能環(huán)節(jié),并需解決存儲能量再次轉(zhuǎn)化的問題,上述這些過程都需要利用電力電子技術對其進行控制。

綜上所述,開發(fā)和利用可再生能源與電力電子技術特別是大功率變流技術密切相關,無論是其中的能量變換、儲存、發(fā)電機控制和并網(wǎng)控制均離不開電力電子這一關鍵技術。

(二)分布式發(fā)電

分布式發(fā)電技術(Distributed Generation)已得到了發(fā)達國家的普遍關注。目前,國外已有多種分布式發(fā)電技術獲得了工業(yè)應用,它使得發(fā)電設備更加靠近用戶,不但減小了人們對遠距離輸電的依賴,而且提高了人們使用可再生能源發(fā)電的興趣,提高了用戶用電的獨立性、可靠性、安全性和災變應變能力。風能發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電和小型高速渦輪發(fā)電機(Micro Turbine Generator)發(fā)電等分布式發(fā)電系統(tǒng)都有賴于電力電子技術,以實現(xiàn)安全、可靠、高效的運行。

根據(jù)Darnell公司的報告,從2003年到2008年,全球用于分布式與混合式發(fā)電設備(DCG)的電力電子產(chǎn)品(包括逆變器、頻率變流器、靜態(tài)傳輸開關,直流-直流變流器、交流-直流電源和集成大功率電機驅(qū)動器等)將以年均12.2%的速度增長,即將從18550MVA增加到32981MVA。

由此可見,分布式與混合式發(fā)電設備(DCG)涉及的電力電子技術是未來分布式發(fā)電系統(tǒng)中關鍵技術之一。

(三)電能質(zhì)量控制

電力電子技術在輸、配電中的應用是電力電子應用技術最具有潛在市場的領域。眾所周知,從用電角度來說,利用電力電子技術可以有效地進行節(jié)電改造,提高用電效率;從輸、配電角度來說,必須利用電力電子技術提高輸配電質(zhì)量。近10多年來,隨著電力電子器件和變流技術的飛速發(fā)展,高壓大功率電力電子裝置的諸多優(yōu)良特性決定了它在輸、配電應用中具有強大的生命力。目前,電力電子技術在電能的發(fā)生、輸送、分配和使用的全過程起著重要的作用。

以在配電中的應用為例,近年來,電力需求的不斷增加,非線性電子設備和敏感負載對電力質(zhì)量提出更高要求,為了得到最大輸電量和保證在分布系統(tǒng)的公共連接點有高的電力質(zhì)量,電壓調(diào)節(jié)、無功/諧波控制和補償以及電力潮流控制技術已成為必不可少的關鍵技術,典型的設備有電力調(diào)節(jié)器、靜止無功發(fā)生器(SVG)、有源濾波器、靜止調(diào)相機(STATCOM)和電力潮流控制器等。

上述現(xiàn)代電力系統(tǒng)應用的電力電子裝置幾乎都無一例外使用了全控型大功率電力電子器件、各種新型的高性能多電平大功率變流器拓撲和DSP全數(shù)字控制技術,這些關鍵技術均是國外大公司的核心技術。

(四)電力牽引和電機驅(qū)動

在發(fā)達國家,約40%能源是通過電能的形式消耗的,而總電能的50%～60%又用于電機驅(qū)動場合,其中大部分是用于風機和水泵驅(qū)動。Darnell公司作市場調(diào)查后認為,從2003年到2008年,北美市場的變頻器將會以每年11.5%的速度增長,從3.63億美元增加到6.28億美元。

通用場合下的電機調(diào)速均采用電力電子與電力傳動技術,目前該技術已經(jīng)比較成熟。但一些高壓大功率應用(電力牽引,中、高壓高性能電機驅(qū)動等)場合,依然是這一領域的技術制高點。

(五)現(xiàn)代國防和前沿科學研究

電力電子在現(xiàn)代化國防中得到越來越廣泛的應用,它已成為該領域的核心技術之一。所有現(xiàn)代國防裝備的特種供電電源、電力驅(qū)動、推進、控制等均涉及電力電子核心技術。而在快中子堆、磁約束核聚變、環(huán)保等前沿科學研究以及激光、航空航天、航母等前沿技術中,超大功率、高性能的變流器及其控制系統(tǒng)也是必不可少的核心部件和基礎,而這些均屬電力電子范疇。

三、電力電子技術目前在我國的發(fā)展、應用現(xiàn)狀和存在的問題

雖然我國電力電子的開發(fā)研究已有50年歷史,過去我們已經(jīng)取得了長足的進步,但是與超大規(guī)模集成電路的發(fā)展一樣,該領域科技發(fā)展速度太快,加之我國財力和原有基礎薄弱的限制,特別是面臨國外高科技的沖擊等原因,我國電力電子有被“邊緣化”的趨勢,即各行各業(yè)都迫切需要,但是各應用領域均沒將其作為研究重點,國內(nèi)解決不了就依靠進口。應當承認,目前我們與國外先進水平的差距還是很大的。當前存在的主要問題是:目前我國生產(chǎn)的大多數(shù)電力電子產(chǎn)品和裝置還主要基于晶閘管;雖然也能制造一些高技術的電力電子產(chǎn)品和裝置,但是它們均是采用國外生產(chǎn)的電力電子器件和組件以組裝集成的方式制造的;特別是先進的全控型電力電子器件則全部依賴進口,而許多關系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術和軟硬件,國外均對我國進行控制和封鎖。我們正面臨著國際競爭的嚴峻形勢,特別是關系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術與國外先進水平的差距更大,迅速改變這一現(xiàn)狀是我們面臨挑戰(zhàn)和義不容辭的任務。

過去,我國國民經(jīng)濟各部門雖然引進了不少國外先進技術,也強調(diào)了國產(chǎn)化的問題,盡管它們中的絕大多數(shù)幾年后都可以達到國產(chǎn)化率70%的要求,可是只要我們仔細分析一下,就不難發(fā)現(xiàn),最終國外公司拒絕轉(zhuǎn)讓的技術和重要部件,均涉及高技術的電力電子及電力傳動產(chǎn)品中的核心技術。各應用領域所涉及的關鍵電力電子技術可概括為:大功率變流技術;電力電子及其系統(tǒng)控制技術;大功率逆變器并網(wǎng)技術;大功率全控電力電子器件和電力電子全數(shù)字控制技術等。與國外的主要差距和存在的問題是:全控電力電子器件國內(nèi)不能制造;大功率變流器制造技術水平較低,裝置可靠性差;電力電子全數(shù)字控制技術水平還處于初級階段;應用系統(tǒng)控制技術和系統(tǒng)控制軟件水平較低;缺乏重大工程經(jīng)驗積累等。高性能大功率變流裝置目前幾乎全部依靠進口。

參考文獻

[1]Bimal K Bose. Energy, Environment, and Advances in Power Electronics[J]. IEEE Trans on Power Electronics,2000,15(4).

[2]蔡宣三,錢照明,王正元.電力電子學的發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)查研究報告[J].電工技術學報,1999,14(增刊).

[3]錢照明,張軍明,謝小高,顧亦磊,呂征宇,吳曉波.電力電子系統(tǒng)集成研究進展與現(xiàn)狀[J]. 電工技術學報,2006,21(3).

[4] 錢照明,李崇堅.電力電子——現(xiàn)代科學、工業(yè)和國防的重要支撐技術[J].變流技術與電力牽引,2007,(2).

[5]廣州能源研究所.新能源和可再生能源調(diào)研專集[M].2003.

[6]應建平,林渭勛,黃敏超.電力電子技術基礎[M].機械工業(yè)出版社,2003.

[7]王學禮.現(xiàn)代電力電子技術的應用與展望[J].電氣時代,2003,(8).

[8]王兆安,楊旭,王曉寶.電力電子集成技術的現(xiàn)狀及研究進展[J].電力電子,2003,1(6).

作者簡介:馮茂娥(1979- ),女,山東棗莊人,山東省青年管理干部學院旅游系講師,自然地理學碩士,研究方向:旅游管理。