淺談電力電子技術(shù)發(fā)展對我國社會(huì )經(jīng)濟的影響

摘要:文章闡述了電力電子的含義和任務(wù)，并對電力電子技術(shù)在我國社會(huì )各經(jīng)濟領(lǐng)域中的應用、影響和重要作用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和綜述，并對該領(lǐng)域國內外發(fā)展的現狀作了對比和分析，指出在我國建立一個(gè)自主創(chuàng )新的、強大的、達到世界先進(jìn)水平的電力電子產(chǎn)業(yè)是十分迫切和重要的。 關(guān)鍵詞:電力電子技術(shù);經(jīng)濟影響;可再生能源發(fā)電 中圖分類(lèi)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(wù) 從學(xué)科的角度講，電力電子的主要任務(wù)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，實(shí)現對電、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(lèi)提供高質(zhì)量電、磁能量。電力電子的研究范圍與研究?jì)热葜饕?(1)電力電子元、器件及功率集成電路。(2)電力電子變流技術(shù)，其研究?jì)热葜饕ㄐ滦偷幕蜻m用于電源、節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(shù);電力電子變流器智能化技術(shù);電力電子系統中的控制和計算機仿真、建模等。(3)電力電子應用技術(shù)，其研究?jì)热葜饕ǔ蠊β首兞髌髟诠澞?、可再生能源發(fā)電、鋼鐵、冶金、電力、電力牽引、艦船推進(jìn)中的應用;電力電子系統信息與網(wǎng)絡(luò )化;電力電子系統故障分析和可靠性;復雜電力電子系統穩定性和適應性等。(4)電力電子系統集成，其研究?jì)热葜饕娏﹄娮幽K標準化;單芯片和多芯片系統設計;電力電子集成系統的穩定性、可靠性等。 從工程應用的角度看，無(wú)論是電力、機械、礦冶、交通、石油化工、輕紡等傳統產(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，特別是要求節能。而電力電子則是實(shí)現將各種能源高效率地變換成高質(zhì)量電能、節能、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(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間，傳統產(chǎn)業(yè)實(shí)現自動(dòng)化、智能化、節能化、機電一體化的橋梁。電力電子的突出特點(diǎn)是高效、節能、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(shù)，是現代科學(xué)、工業(yè)和國防的重要支撐技術(shù)。因此，無(wú)論上述諸多高技術(shù)應用領(lǐng)域，還是各種傳統產(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(guān)的應用領(lǐng)域，電力電子產(chǎn)品已無(wú)所不在。由于目前我國還沒(méi)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代科學(xué)、工業(yè)和國防體系的瓶頸之一。 二、電力電子技術(shù)對社會(huì )經(jīng)濟的廣泛影響及其重要性 下面結合可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、電力質(zhì)量控制、電力牽引和電機驅動(dòng)、國防和前沿科學(xué)技術(shù)等實(shí)例，進(jìn)一步具體說(shuō)明電力電子技術(shù)在這些經(jīng)濟領(lǐng)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(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能和地熱能等。各種能源由于其轉化為電能的方式不同，將其送入電網(wǎng)時(shí)必須應用電力電子技術(shù)按用戶(hù)的要求對其進(jìn)行調整和控制。天然氣雖然不是可再生能源，但它通過(guò)提煉轉化為氫氣后，再通過(guò)燃料電池轉化為電能，對環(huán)境零污染，也可達到綠色能源的要求。諸多系統中直流-直流變流環(huán)節、儲能控制環(huán)節、直流-交流逆變環(huán)節和并網(wǎng)控制環(huán)節均不可缺少電力電子技術(shù)。 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定的。以風(fēng)能為例，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電都要用到大容量的風(fēng)力發(fā)電機，為了盡可能多地利用風(fēng)能資源，通常多臺大容量的風(fēng)力發(fā)電機并聯(lián)，由于風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力的不穩定性，它們在并網(wǎng)時(shí)如果不加控制和調節，就會(huì )對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，同時(shí)為了保證將盡可能多的有功能量送入電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統還必須有儲能環(huán)節，并需解決存儲能量再次轉化的問(wèn)題，上述這些過(guò)程都需要利用電力電子技術(shù)對其進(jìn)行控制。 綜上所述，開(kāi)發(fā)和利用可再生能源與電力電子技術(shù)特別是大功率變流技術(shù)密切相關(guān)，無(wú)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(kāi)電力電子這一關(guān)鍵技術(shù)。 (二)分布式發(fā)電 分布式發(fā)電技術(shù)(Distributed Generation)已得到了發(fā)達國家的普遍關(guān)注。目前，國外已有多種分布式發(fā)電技術(shù)獲得了工業(yè)應用，它使得發(fā)電設備更加靠近用戶(hù)，不但減小了人們對遠距離輸電的依賴(lài)，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(hù)用電的獨立性、可靠性、安全性和災變應變能力。風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)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)電系統都有賴(lài)于電力電子技術(shù)，以實(shí)現安全、可靠、高效的運行。 根據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(kāi)關(guān)，直流-直流變流器、交流-直流電源和集成大功率電機驅動(dòng)器等)將以年均12.2%的速度增長(cháng)，即將從18550MVA增加到32981MVA。 由此可見(jiàn)，分布式與混合式發(fā)電設備(DCG)涉及的電力電子技術(shù)是未來(lái)分布式發(fā)電系統中關(guān)鍵技術(shù)之一。 (三)電能質(zhì)量控制 電力電子技術(shù)在輸、配電中的應用是電力電子應用技術(shù)最具有潛在市場(chǎng)的領(lǐng)域。眾所周知，從用電角度來(lái)說(shuō)，利用電力電子技術(shù)可以有效地進(jìn)行節電改造，提高用電效率;從輸、配電角度來(lái)說(shuō)，必須利用電力電子技術(shù)提高輸配電質(zhì)量。近10多年來(lái)，隨著(zhù)電力電子器件和變流技術(shù)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(shù)在電能的發(fā)生、輸送、分配和使用的全過(guò)程起著(zhù)重要的作用。 以在配電中的應用為例，近年來(lái)，電力需求的不斷增加，非線(xiàn)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的公共連接點(diǎn)有高的電力質(zhì)量，電壓調節、無(wú)功/諧波控制和補償以及電力潮流控制技術(shù)已成為必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，典型的設備有電力調節器、靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)、有源濾波器、靜止調相機(STATCOM)和電力潮流控制器等。 上述現代電力系統應用的電力電子裝置幾乎都無(wú)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全數字控制技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)均是國外大公司的核心技術(shù)。 (四)電力牽引和電機驅動(dòng) 在發(fā)達國家，約40%能源是通過(guò)電能的形式消耗的，而總電能的50%～60%又用于電機驅動(dòng)場(chǎng)合，其中大部分是用于風(fēng)機和水泵驅動(dòng)。Darnell公司作市場(chǎng)調查后認為，從2003年到2008年，北美市場(chǎng)的變頻器將會(huì )以每年11.5%的速度增長(cháng)，從3.63億美元增加到6.28億美元。 通用場(chǎng)合下的電機調速均采用電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但一些高壓大功率應用(電力牽引，中、高壓高性能電機驅動(dòng)等)場(chǎng)合，依然是這一領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)。 (五)現代國防和前沿科學(xué)研究 電力電子在現代化國防中得到越來(lái)越廣泛的應用，它已成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。所有現代國防裝備的特種供電電源、電力驅動(dòng)、推進(jìn)、控制等均涉及電力電子核心技術(shù)。而在快中子堆、磁約束核聚變、環(huán)保等前沿科學(xué)研究以及激光、航空航天、航母等前沿技術(shù)中，超大功率、高性能的變流器及其控制系統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(shù)目前在我國的發(fā)展、應用現狀和存在的問(wèn)題 雖然我國電力電子的開(kāi)發(fā)研究已有50年歷史，過(guò)去我們已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步，但是與超大規模集成電路的發(fā)展一樣，該領(lǐng)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(lǐng)域均沒(méi)將其作為研究重點(diǎn)，國內解決不了就依靠進(jìn)口。應當承認，目前我們與國外先進(jìn)水平的差距還是很大的。當前存在的主要問(wèn)題是:目前我國生產(chǎn)的大多數電力電子產(chǎn)品和裝置還主要基于晶閘管;雖然也能制造一些高技術(shù)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(jìn)的全控型電力電子器件則全部依賴(lài)進(jìn)口，而許多關(guān)系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)和軟硬件，國外均對我國進(jìn)行控制和封鎖。我們正面臨著(zhù)國際競爭的嚴峻形勢，特別是關(guān)系到國民經(jīng)濟命脈和國家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)與國外先進(jìn)水平的差距更大，迅速改變這一現狀是我們面臨挑戰和義不容辭的任務(wù)。 過(guò)去，我國國民經(jīng)濟各部門(mén)雖然引進(jìn)了不少?lài)庀冗M(jìn)技術(shù)，也強調了國產(chǎn)化的問(wèn)題，盡管它們中的絕大多數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，最終國外公司拒絕轉讓的技術(shù)和重要部件，均涉及高技術(shù)的電力電子及電力傳動(dòng)產(chǎn)品中的核心技術(shù)。各應用領(lǐng)域所涉及的關(guān)鍵電力電子技術(shù)可概括為:大功率變流技術(shù);電力電子及其系統控制技術(shù);大功率逆變器并網(wǎng)技術(shù);大功率全控電力電子器件和電力電子全數字控制技術(shù)等。與國外的主要差距和存在的問(wèn)題是:全控電力電子器件國內不能制造;大功率變流器制造技術(shù)水平較低，裝置可靠性差;電力電子全數字控制技術(shù)水平還處于初級階段;應用系統控制技術(shù)和系統控制軟件水平較低;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(jìn)口。