淺談電力電子技術(shù)發(fā)展對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響

摘要:文章闡述了電力電子的含義和任務(wù),并對(duì)電力電子技術(shù)在我國(guó)社會(huì)各經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用、影響和重要作用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析和綜述,并對(duì)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀作了對(duì)比和分析,指出在我國(guó)建立一個(gè)自主創(chuàng)新的、強(qiáng)大的、達(dá)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(jì)影響;可再生能源發(fā)電

中圖分類號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(dǎo)體)器件、變流器拓?fù)浼捌淇刂坪碗娏﹄娮討?yīng)用系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)電、磁能量的變換、控制、傳輸和存貯,以達(dá)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?jī)?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(shù),其研究?jī)?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(yīng)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(tǒng)中的控制和計(jì)算機(jī)仿真、建模等。(3)電力電子應(yīng)用技術(shù),其研究?jī)?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(jìn)中的應(yīng)用;電力電子系統(tǒng)信息與網(wǎng)絡(luò)化;電力電子系統(tǒng)故障分析和可靠性;復(fù)雜電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應(yīng)性等。(4)電力電子系統(tǒng)集成,其研究?jī)?nèi)容主要包括電力電子模塊標(biāo)準(zhǔn)化;單芯片和多芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì);電力電子集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等。

從工程應(yīng)用的角度看,無論是電力、機(jī)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(jī)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(shí)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(qiáng)電運(yùn)行之間,信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、節(jié)能化、機(jī)電一體化的橋梁。電力電子的突出特點(diǎn)是高效、節(jié)能、省材,所以電力電子已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)技術(shù),是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防的重要支撐技術(shù)。因此,無論上述諸多高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)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(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域,電力電子產(chǎn)品已無所不在。由于目前我國(guó)還沒有形成獨(dú)立自主的、完整的、強(qiáng)大的電力電子的產(chǎn)業(yè)體系,因此它已成為制約我國(guó)建立獨(dú)立自主的現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)防體系的瓶頸之一。

二、電力電子技術(shù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)、國(guó)防和前沿科學(xué)技術(shù)等實(shí)例,進(jìn)一步具體說明電力電子技術(shù)在這些經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)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、太陽能、生物能和地?zé)崮艿?。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(shí)必須應(yīng)用電力電子技術(shù)按用戶的要求對(duì)其進(jìn)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(duì)環(huán)境零污染,也可達(dá)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(chǔ)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(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(wěn)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(jī),為了盡可能多地利用風(fēng)能資源,通常多臺(tái)大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)并聯(lián),由于風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力的不穩(wěn)定性,它們?cè)诓⒕W(wǎng)時(shí)如果不加控制和調(diào)節(jié),就會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)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(tǒng)還必須有儲(chǔ)能環(huán)節(jié),并需解決存儲(chǔ)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(shù)對(duì)其進(jìn)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(shù)特別是大功率變流技術(shù)密切相關(guān),無論是其中的能量變換、儲(chǔ)存、發(fā)電機(jī)控制和并網(wǎng)控制均離不開電力電子這一關(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(dá)國(guó)家的普遍關(guān)注。目前,國(guó)外已有多種分布式發(fā)電技術(shù)獲得了工業(yè)應(yīng)用,它使得發(fā)電設(shè)備更加靠近用戶,不但減小了人們對(duì)遠(yuǎn)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(dú)立性、可靠性、安全性和災(zāi)變應(yīng)變能力。風(fēng)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(jī)(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(shù),以實(shí)現(xiàn)安全、可靠、高效的運(yùn)行。

根據(jù)Darnell公司的報(bào)告,從2003年到2008年,全球用于分布式與混合式發(fā)電設(shè)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(guān),直流-直流變流器、交流-直流電源和集成大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等)將以年均12.2%的速度增長(zhǎng),即將從18550MVA增加到32981MVA。

由此可見,分布式與混合式發(fā)電設(shè)備(DCG)涉及的電力電子技術(shù)是未來分布式發(fā)電系統(tǒng)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(yīng)用是電力電子應(yīng)用技術(shù)最具有潛在市場(chǎng)的領(lǐng)域。眾所周知,從用電角度來說,利用電力電子技術(shù)可以有效地進(jìn)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(shù)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(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(yīng)用中具有強(qiáng)大的生命力。目前,電力電子技術(shù)在電能的發(fā)生、輸送、分配和使用的全過程起著重要的作用。

以在配電中的應(yīng)用為例,近年來,電力需求的不斷增加,非線性電子設(shè)備和敏感負(fù)載對(duì)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(diǎn)有高的電力質(zhì)量,電壓調(diào)節(jié)、無功/諧波控制和補(bǔ)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(shè)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(jī)(STATCOM)和電力潮流控制器等。

上述現(xiàn)代電力系統(tǒng)應(yīng)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?fù)浜虳SP全數(shù)字控制技術(shù),這些關(guān)鍵技術(shù)均是國(guó)外大公司的核心技術(shù)。

(四)電力牽引和電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在發(fā)達(dá)國(guó)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(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合,其中大部分是用于風(fēng)機(jī)和水泵驅(qū)動(dòng)。Darnell公司作市場(chǎng)調(diào)查后認(rèn)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(zhǎng),從3.63億美元增加到6.28億美元。

通用場(chǎng)合下的電機(jī)調(diào)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(yīng)用(電力牽引,中、高壓高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)等)場(chǎng)合,依然是這一領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)。

(五)現(xiàn)代國(guó)防和前沿科學(xué)研究

電力電子在現(xiàn)代化國(guó)防中得到越來越廣泛的應(yīng)用,它已成為該領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。所有現(xiàn)代國(guó)防裝備的特種供電電源、電力驅(qū)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(tǒng)也是必不可少的核心部件和基礎(chǔ),而這些均屬電力電子范疇。

三、電力電子技術(shù)目前在我國(guó)的發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題

雖然我國(guó)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(zhǎng)足的進(jìn)步,但是與超大規(guī)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(guó)財(cái)力和原有基礎(chǔ)薄弱的限制,特別是面臨國(guó)外高科技的沖擊等原因,我國(guó)電力電子有被“邊緣化”的趨勢(shì),即各行各業(yè)都迫切需要,但是各應(yīng)用領(lǐng)域均沒將其作為研究重點(diǎn),國(guó)內(nèi)解決不了就依靠進(jìn)口。應(yīng)當(dāng)承認(rèn),目前我們與國(guó)外先進(jìn)水平的差距還是很大的。當(dāng)前存在的主要問題是:目前我國(guó)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(shù)的電力電子產(chǎn)品和裝置,但是它們均是采用國(guó)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進(jìn)口,而許多關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)和軟硬件,國(guó)外均對(duì)我國(guó)進(jìn)行控制和封鎖。我們正面臨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的嚴(yán)峻形勢(shì),特別是關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的若干關(guān)鍵領(lǐng)域中的核心技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)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(wù)。

過去,我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門雖然引進(jìn)了不少國(guó)外先進(jìn)技術(shù),也強(qiáng)調(diào)了國(guó)產(chǎn)化的問題,盡管它們中的絕大多數(shù)幾年后都可以達(dá)到國(guó)產(chǎn)化率70%的要求,可是只要我們仔細(xì)分析一下,就不難發(fā)現(xiàn),最終國(guó)外公司拒絕轉(zhuǎn)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(yīng)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(tǒng)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(shù)字控制技術(shù)等。與國(guó)外的主要差距和存在的問題是:全控電力電子器件國(guó)內(nèi)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(shù)字控制技術(shù)水平還處于初級(jí)階段;應(yīng)用系統(tǒng)控制技術(shù)和系統(tǒng)控制軟件水平較低;缺乏重大工程經(jīng)驗(yàn)積累等。高性能大功率變流裝置目前幾乎全部依靠進(jìn)口。

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