浅谈电力电子技术发展对我国社会经济的影响

摘要:文章阐述了电力电子的含义和任务，并对电力电子技术在我国社会各经济领域中的应用、影响和重要作用进行了简要的分析和综述，并对该领域国内外发展的现状作了对比和分析，指出在我国建立一个自主创新的、强大的、达到世界先进水平的电力电子产业是十分迫切和重要的。 关键词:电力电子技术;经济影响;可再生能源发电 中图分类号:TP391文献标识码:A 文章编号:1674-1145(2009)27-0010-02 一、电力电子的含义和任务 从学科的角度讲，电力电子的主要任务是研究电力电子(功率半导体)器件、变流器拓扑及其控制和电力电子应用系统，实现对电、磁能量的变换、控制、传输和存贮，以达到合理、高效地使用各种形式的电能，为人类提供高质量电、磁能量。电力电子的研究范围与研究内容主要包括:(1)电力电子元、器件及功率集成电路。(2)电力电子变流技术，其研究内容主要包括新型的或适用于电源、节能及电力电子新能源利用、军用和太空等特种应用中的电力电子变流技术;电力电子变流器智能化技术;电力电子系统中的控制和计算机仿真、建模等。(3)电力电子应用技术，其研究内容主要包括超大功率变流器在节能、可再生能源发电、钢铁、冶金、电力、电力牵引、舰船推进中的应用;电力电子系统信息与网络化;电力电子系统故障分析和可靠性;复杂电力电子系统稳定性和适应性等。(4)电力电子系统集成，其研究内容主要包括电力电子模块标准化;单芯片和多芯片系统设计;电力电子集成系统的稳定性、可靠性等。 从工程应用的角度看，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高科技产业，都迫切需要提供高质量的电能，特别是要求节能。而电力电子则是实现将各种能源高效率地变换成高质量电能、节能、环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术之间，传统产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化的桥梁。电力电子的突出特点是高效、节能、省材，所以电力电子已成为我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。因此，无论上述诸多高技术应用领域，还是各种传统产业，乃至照明、家电等量大面广的，与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已无所不在。由于目前我国还没有形成独立自主的、完整的、强大的电力电子的产业体系，因此它已成为制约我国建立独立自主的现代科学、工业和国防体系的瓶颈之一。 二、电力电子技术对社会经济的广泛影响及其重要性 下面结合可再生能源发电、分布式发电、电力质量控制、电力牵引和电机驱动、国防和前沿科学技术等实例，进一步具体说明电力电子技术在这些经济领域中的广泛应用及其重要性。 (一)可再生能源发电 可再生能源(R E)主要包括风能、太阳能、生物能和地热能等。各种能源由于其转化为电能的方式不同，将其送入电网时必须应用电力电子技术按用户的要求对其进行调整和控制。天然气虽然不是可再生能源，但它通过提炼转化为氢气后，再通过燃料电池转化为电能，对环境零污染，也可达到绿色能源的要求。诸多系统中直流-直流变流环节、储能控制环节、直流-交流逆变环节和并网控制环节均不可缺少电力电子技术。 值得指出的是，大部分可再生能源直接产生的能量通常是不稳定的。以风能为例，并网型风力发电都要用到大容量的风力发电机，为了尽可能多地利用风能资源，通常多台大容量的风力发电机并联，由于风场风力的不稳定性，它们在并网时如果不加控制和调节，就会对电网造成严重的冲击，同时为了保证将尽可能多的有功能量送入电网，风力发电系统还必须有储能环节，并需解决存储能量再次转化的问题，上述这些过程都需要利用电力电子技术对其进行控制。 综上所述，开发和利用可再生能源与电力电子技术特别是大功率变流技术密切相关，无论是其中的能量变换、储存、发电机控制和并网控制均离不开电力电子这一关键技术。 (二)分布式发电 分布式发电技术(Distributed Generation)已得到了发达国家的普遍关注。目前，国外已有多种分布式发电技术获得了工业应用，它使得发电设备更加靠近用户，不但减小了人们对远距离输电的依赖，而且提高了人们使用可再生能源发电的兴趣，提高了用户用电的独立性、可靠性、安全性和灾变应变能力。风能发电、太阳能发电、燃料电池发电和小型高速涡轮发电机(Micro Turbine Generator)发电等分布式发电系统都有赖于电力电子技术，以实现安全、可靠、高效的运行。 根据Darnell公司的报告，从2003年到2008年，全球用于分布式与混合式发电设备(DCG)的电力电子产品(包括逆变器、频率变流器、静态传输开关，直流-直流变流器、交流-直流电源和集成大功率电机驱动器等)将以年均12.2%的速度增长，即将从18550MVA增加到32981MVA。 由此可见，分布式与混合式发电设备(DCG)涉及的电力电子技术是未来分布式发电系统中关键技术之一。 (三)电能质量控制 电力电子技术在输、配电中的应用是电力电子应用技术最具有潜在市场的领域。众所周知，从用电角度来说，利用电力电子技术可以有效地进行节电改造，提高用电效率;从输、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高输配电质量。近10多年来，随着电力电子器件和变流技术的飞速发展，高压大功率电力电子装置的诸多优良特性决定了它在输、配电应用中具有强大的生命力。目前，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程起着重要的作用。 以在配电中的应用为例，近年来，电力需求的不断增加，非线性电子设备和敏感负载对电力质量提出更高要求，为了得到最大输电量和保证在分布系统的公共连接点有高的电力质量，电压调节、无功/谐波控制和补偿以及电力潮流控制技术已成为必不可少的关键技术，典型的设备有电力调节器、静止无功发生器(SVG)、有源滤波器、静止调相机(STATCOM)和电力潮流控制器等。 上述现代电力系统应用的电力电子装置几乎都无一例外使用了全控型大功率电力电子器件、各种新型的高性能多电平大功率变流器拓扑和DSP全数字控制技术，这些关键技术均是国外大公司的核心技术。 (四)电力牵引和电机驱动 在发达国家，约40%能源是通过电能的形式消耗的，而总电能的50%～60%又用于电机驱动场合，其中大部分是用于风机和水泵驱动。Darnell公司作市场调查后认为，从2003年到2008年，北美市场的变频器将会以每年11.5%的速度增长，从3.63亿美元增加到6.28亿美元。 通用场合下的电机调速均采用电力电子与电力传动技术，目前该技术已经比较成熟。但一些高压大功率应用(电力牵引，中、高压高性能电机驱动等)场合，依然是这一领域的技术制高点。 (五)现代国防和前沿科学研究 电力电子在现代化国防中得到越来越广泛的应用，它已成为该领域的核心技术之一。所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及电力电子核心技术。而在快中子堆、磁约束核聚变、环保等前沿科学研究以及激光、航空航天、航母等前沿技术中，超大功率、高性能的变流器及其控制系统也是必不可少的核心部件和基础，而这些均属电力电子范畴。 三、电力电子技术目前在我国的发展、应用现状和存在的问题 虽然我国电力电子的开发研究已有50年历史，过去我们已经取得了长足的进步，但是与超大规模集成电路的发展一样，该领域科技发展速度太快，加之我国财力和原有基础薄弱的限制，特别是面临国外高科技的冲击等原因，我国电力电子有被“边缘化”的趋势，即各行各业都迫切需要，但是各应用领域均没将其作为研究重点，国内解决不了就依靠进口。应当承认，目前我们与国外先进水平的差距还是很大的。当前存在的主要问题是:目前我国生产的大多数电力电子产品和装置还主要基于晶闸管;虽然也能制造一些高技术的电力电子产品和装置，但是它们均是采用国外生产的电力电子器件和组件以组装集成的方式制造的;特别是先进的全控型电力电子器件则全部依赖进口，而许多关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术和软硬件，国外均对我国进行控制和封锁。我们正面临着国际竞争的严峻形势，特别是关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的核心技术与国外先进水平的差距更大，迅速改变这一现状是我们面临挑战和义不容辞的任务。 过去，我国国民经济各部门虽然引进了不少国外先进技术，也强调了国产化的问题，尽管它们中的绝大多数几年后都可以达到国产化率70%的要求，可是只要我们仔细分析一下，就不难发现，最终国外公司拒绝转让的技术和重要部件，均涉及高技术的电力电子及电力传动产品中的核心技术。各应用领域所涉及的关键电力电子技术可概括为:大功率变流技术;电力电子及其系统控制技术;大功率逆变器并网技术;大功率全控电力电子器件和电力电子全数字控制技术等。与国外的主要差距和存在的问题是:全控电力电子器件国内不能制造;大功率变流器制造技术水平较低，装置可靠性差;电力电子全数字控制技术水平还处于初级阶段;应用系统控制技术和系统控制软件水平较低;缺乏重大工程经验积累等。高性能大功率变流装置目前几乎全部依靠进口。