電力電子技術(shù)在我國(guó)電力裝備中的應(yīng)用前景

／機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 鄧偉／

目前，基于半控型晶閘管變流技術(shù)成熟，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域業(yè)已跟隨國(guó)際先進(jìn)水平，但是國(guó)外電力設(shè)備供應(yīng)廠商通過專利控制變流器的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)自主創(chuàng)新相對(duì)薄弱，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品水平與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大。

一、電力電子技術(shù)對(duì)能源裝備的發(fā)展意義重大

電力電子技術(shù)將各種能源高效率地變換成為高質(zhì)量的電能，是信息技術(shù)與能量變換的結(jié)合，具有高效、節(jié)能、省材的特點(diǎn)，業(yè)已成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、節(jié)能化、機(jī)電一體化的重要途徑。

電力電子技術(shù)在風(fēng)能、太陽能、熱泵、水電、生物質(zhì)能等電力領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)用于發(fā)電、輸電、配電各個(gè)環(huán)節(jié)。電力電子技術(shù)的革新促進(jìn)了電力應(yīng)用的節(jié)約化和高效化發(fā)展，為電力使用效率提升做出了貢獻(xiàn)。特別是在輸變電環(huán)節(jié)，大功率電力電子技術(shù)應(yīng)用于高壓直流輸電和柔性交流輸電、交直流混合配電網(wǎng)等方面，是實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的關(guān)鍵技術(shù)。

我國(guó)已經(jīng)完全掌握了靜止無功補(bǔ)償器（SVC）設(shè)計(jì)制造的核心技術(shù)，徹底實(shí)現(xiàn)了SVC的全面國(guó)產(chǎn)化，并已成為國(guó)際上最大的SVC設(shè)計(jì)制造國(guó)。

二、我國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）電力電子器件方面

我國(guó)傳統(tǒng)型晶閘管類電力電子器件的電壓等級(jí)和電流容量不斷擴(kuò)展，品種不斷增加，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，能滿足國(guó)內(nèi)的需求。光控晶閘管實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前已經(jīng)用于高壓直流輸電和無功補(bǔ)償（SVC）等領(lǐng)域。

在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策支持和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)高頻類電力電子器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化也取得了一定的成績(jī)。在IGBT行業(yè)中已經(jīng)有所突破，從芯片設(shè)計(jì)到芯片封裝、測(cè)試的完整產(chǎn)業(yè)鏈正在形成。IGBT模塊的封裝技術(shù)上了一個(gè)臺(tái)階，國(guó)產(chǎn)品牌正在形成之中，已與國(guó)際品牌展開競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。基于IGBT模塊的電力電子變流裝置，如風(fēng)力發(fā)電變流器、光伏發(fā)電逆變器、電機(jī)調(diào)速變頻器等都均已規(guī)模化應(yīng)用，部分應(yīng)用領(lǐng)域的變流器已替代進(jìn)口產(chǎn)品。

（二）電力電子設(shè)備和系統(tǒng)方面

高壓變頻器制造技術(shù)水平和應(yīng)用范圍與發(fā)達(dá)國(guó)家的距離正在縮小中，高壓變頻器的市場(chǎng)主要為內(nèi)資企業(yè)占有。中低壓變頻器早已規(guī)?；a(chǎn)，但技術(shù)缺乏優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)主要被國(guó)外公司占有。

經(jīng)典的直流輸電技術(shù)有了跨越式進(jìn)步，輸送電能容量有很大提升。自主研發(fā)的±800千伏及以下電壓等級(jí)直流輸電換流閥在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)行方面技術(shù)成熟，同國(guó)外同行業(yè)先進(jìn)企業(yè)的產(chǎn)品水平接近。柔性直流輸電技術(shù)也已取得突破，±160千伏輸電工程已在南澳島運(yùn)行，±320千伏背靠背聯(lián)網(wǎng)工程將在2015年底投入運(yùn)行，±500張北柔直、±800千伏昆柳龍?zhí)馗邏夯旌隙喽酥绷黜?xiàng)目相繼投運(yùn)。

我國(guó)已經(jīng)完全掌握了靜止無功補(bǔ)償器（SVC）設(shè)計(jì)制造的核心技術(shù)，徹底實(shí)現(xiàn)了SVC的全面國(guó)產(chǎn)化，并已成為國(guó)際上最大的SVC設(shè)計(jì)制造國(guó)。國(guó)產(chǎn)中小功率不間斷供電電源（UPS）占據(jù)了國(guó)內(nèi)主要市場(chǎng)份額，正在向高端大功率市場(chǎng)發(fā)展。

三、電力電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題

目前，基于半控型晶閘管變流技術(shù)成熟，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域業(yè)已跟隨國(guó)際先進(jìn)水平，但是國(guó)外電力設(shè)備供應(yīng)廠商通過專利控制變流器的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)自主創(chuàng)新相對(duì)薄弱，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品水平與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大。

（一）電力半導(dǎo)體器件制造水平薄弱

國(guó)內(nèi)已掌握了半控型器件設(shè)計(jì)制造技術(shù)，但全控型電力半導(dǎo)體器件，諸如絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）、電子注入增強(qiáng)晶體管（IEGT）等器件依賴進(jìn)口。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所和少數(shù)企業(yè)開展了IGBT器件的開發(fā)工作，初步具備產(chǎn)業(yè)化條件，但多數(shù)企業(yè)仍集中在半導(dǎo)體模塊的封裝技術(shù)方面，器件性能水平、可靠性較差；智能功率半導(dǎo)體模塊研發(fā)方面國(guó)內(nèi)尚處于空白階段。同時(shí)，新一代寬禁帶半導(dǎo)體器件（SiC、GaN器件）研發(fā)工作尚未形成產(chǎn)業(yè)雛形。

（二）高性能電力電子產(chǎn)品水平落后

我國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)以中低端產(chǎn)品為主，特別是高壓、大容量電力電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造水平較低，自主研發(fā)能力不足，因國(guó)外技術(shù)壁壘等因素，高性能電力電子產(chǎn)品多依賴國(guó)外進(jìn)口，其關(guān)鍵技術(shù)尚未完全掌握；同時(shí)，國(guó)內(nèi)電力電子產(chǎn)品的控制系統(tǒng)多以數(shù)字信號(hào)處理器為核心，處于數(shù)字化控制的初級(jí)階段，缺乏基于嵌入式信息系統(tǒng)的高性能電力電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

（三）電力電子產(chǎn)品缺乏標(biāo)準(zhǔn)化工作

目前，國(guó)內(nèi)電力電子產(chǎn)品尚未有相關(guān)成熟的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，多以用戶側(cè)的需求為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著電力電子產(chǎn)品在電力網(wǎng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建立迫在眉睫；同時(shí)，電力電子產(chǎn)品沒有相關(guān)權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證，產(chǎn)品安全性等方面難以保障，不利于產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。

四、電力電子技術(shù)在電力裝備領(lǐng)域的應(yīng)用前景

主要應(yīng)用方向包括：

1）新型電力電子器件研制。促進(jìn)寬禁帶電力半導(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)化；基于新材料的儲(chǔ)能電池開發(fā)、超導(dǎo)電力技術(shù)在儲(chǔ)能、輸變電領(lǐng)域的應(yīng)用。

2）柔性輸配電技術(shù)。主要包括柔性直流輸電技術(shù)、交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)、電能質(zhì)量治理技術(shù)、高壓大容量電力變換技術(shù)及其先進(jìn)全數(shù)字控制系統(tǒng)研發(fā)。

3）工業(yè)節(jié)能技術(shù)。主要為高性能、高壓大容量的變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)。

4）規(guī)?；娏﹄娮酉到y(tǒng)開發(fā)。包括微電網(wǎng)能量管理技術(shù)及其工程應(yīng)用，超導(dǎo)、電池等規(guī)?；娏?chǔ)能技術(shù)，電動(dòng)汽車充電及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，機(jī)車牽引、船艦電力驅(qū)動(dòng)、深海電力等特殊應(yīng)用領(lǐng)域電力電子產(chǎn)品的研發(fā)。