我国电力电子与电力传动发展的大好机遇

我国电力电子与电力传动发展的大好机遇GreatOpportunityForDevelopmentofPowerElectronicsAndElectricalDriveInChina浙江大学钱照明Email:[e-mail]摘要：根据国家中长期科学和技术发展规划纲要精神，对电力电子在现代科学、工业和国防中的应用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。对我国相关职能部门最近对发展现代电力电子所采取的重要措施作了简要的阐述。Abstract:Basedonthe“NationalMediumandLongTermDevelopingProgramforScienceandTechnology”,thekeyfunctionsoftheapplicationsofpowerelectronicsinmodernscience,industries,andnationaldefensearebrieflyanalyzedandreviewed.Therecentdevelopmentsinthisareabothinsideandoutsidearecomparedandanalyzed.Itispointedthatestablishinganindependentinnovative,strong,andinternationallevelpowerelectronicsindustryisurgentandessential.SomerecentimportantmeasuressupervisedbysomerelativedepartmentsofChinatopromotethedevelopmentofpowerelectronicsarebrieflydescribed.关键词：电力电子；机遇；挑战；综述；Keywords:powerelectronics;opportunity;challenge;review;1.引言国家中长期科学和技术发展规划纲要（以下简称为“纲要”）的正式发布，吹响了我国全面建设小康社会、构建资源节约型、环境友好型社会主义和谐社会的号角，其中提出的“自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来”的指导方针催人奋进，也鞭策着我们认真审视在如此关键的历史时期我们应当肩负的历史使命。我国与所有发达国家一样，电力电子技术及电力电子装置已日益广泛地应用和渗透到“纲要”所规定的“重点领域及其优先主题”中的能源、环境、制造业、交通运输业、国防；“前沿技术”中的先进能源技术、激光技术、空天技术；及“重大专项”中的高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域，并且电力电子恰恰是关系到上述领域中我国许多引进技术中的核心技术所在。正如“纲要”精辟指出的那样：“事实告诉我们，在关系国民经济命脉和国家安全的关键领域，真正的核心技术是买不来的。我国要在激烈的国际竞争中掌握主动权，就必须提高自主创新能力，在若干重要领域掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权，造就一批具有国际竞争力的企业。总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力”。为此本文就本领域如何在“十一五”期间进行自主创新，为发展和振兴我国自主的电力电子产业作出贡献，以及目前面临的大好机遇等问题进行简要的分析。2.电力电子的涵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，特别是要求节能和降耗。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。3.电力电子应用及其重要性下面以可再生能源发电、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为例，进一步具体说明电力电子技术在这些领域中的广泛应用及其重要性。3.1分布式发电及可再生能源发电分布式发电技术（DistributedGeneration-DG）及可再生能源（RE）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（MicroTurbineGenerator）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。图1为分布式发电系统的示意方框图。现以固体氧化物燃料电池和一个小型高速涡轮发电机组成的混合分布式发电系统为例，其结构示意图如图2所示。高温下运行的固体氧化物燃料电池产生的高温废气，可用来推动小型高速涡轮机发电。在现有技术水平得到极大提高的情况下，预计这种系统的效率将达到70％左右，超过当今任何发电系统的效率[1]。图1现代分布式发电系统示意图图2燃料电池和微涡轮发电机混合发电系统结构示意图太阳能风、水能天然气天然气煤、天然气或微型涡轮机内燃机或汽轮机提炼风机水轮机氢气储气罐光伏电池电磁或永磁发电机燃料电池电磁或永磁发电机永磁同步发电机蓄电池组；超级电容器；飞轮；变流器变流器变流器变流器能源类型能量转化能量变换辅助电能电能控制存储装置该系统的功率调节部分由多个逆变器组成，其中功率变换和控制装置包含许多核心技术，包括：和电网的连接、燃料电池的容量和诸多系统级控制功能：如系统效率、输出波形质量、隔离和保护、电网电压跌落时逆变器的承受能力、无功控制、逆变器故障容量及返回到燃料电池盒的电流纹波等。对于大功率燃料电池系统，则需要新的电路拓扑、智能集成功率变流器和智能系统级控制方法。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18,550MVA增加到32,981MVA。由此可见，分布式与混合式发电设备（DCG）涉及到的电力电子技术是未来分布式发电系统中关键技术之一。图1表明，大部分可再生能源和其他分布式发电系统产生的电能通常都是不稳定的。以风能为例，并网型的风力发电都要用到大容量的风力发电机，为了尽可能多的利用风能资源，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。图3为储存能量而进行的能量变换中所涉及到的电力电子技术示意图。图3储能系统与变流技术的关系示意图3.2电能质量控制[2,3]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巨大潜在市场的领域。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。如表1所示，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程均起作重要的作用。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[3]。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。表1电力电子技术在电力系统中的主要应用Table1Mainapplicationsofpowerelectronicsinpowersystems分类应用装置举例发电发电机励磁装置；电厂用电故障监测及保护装置；串补装置；风力发电用永磁发电机变频调速装置；超大功率逆变并网系统等输电高压直流输电系统（包括：海上风力发电用岸上轻型高压直流输电装置等）；灵活交流输电系统（包括：静止无功补偿器、静止无功发生器和潮流调节器等）配电有源电力滤波器；静止无功发生器；动态电压补偿器；电力调节器；电子短路限流保护器等3.3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%到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[4]。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场合，如电力牵引，中、高压高性能电机驱动等，依然是这一领域的技术制高点。3.4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多的应用，它已成为该领域的核心技术之一,其示意图如图4所示。图4表明，所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及到电力电子核心技术。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，如图5所示。图4电力电子在现代化国防中的应用示意(a)在科学研究和核物理中应用(b)在环境保护中的应用图5电力电子在前沿科学研究中的应用4电力电子技术目前在我国发展、应用现状和存在的主要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等因素的限制，特别是当前面临国外高科技冲击等原因，我国电力电子有种被“边缘化”的趋势：即各行各业都迫切需要它，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！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