電力電子在新能源、新材料行業(yè)的應用

一、概述

電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換及控制的一種現代技術(shù)，基本功能包括：整流(交流變成直流)、逆變(直流變成交流)、斬波(直流變成直流)、變頻(改變供電頻率)、開(kāi)關(guān)和智能控制等。它使電網(wǎng)的工頻電能最終轉換成不同性質(zhì)、不同用途的電能，以適應千變萬(wàn)化的用電裝置的不同需要。

電力電子技術(shù)自上個(gè)世紀中期誕生以來(lái)得到了迅速的發(fā)展，在國民經(jīng)濟中已經(jīng)具有十分重要的地位，目前約75%以上的電能須經(jīng)電力電子處理以后才能投入使用，面臨的環(huán)境和能源問(wèn)題也需要高效的發(fā)電、電力變換和控制技術(shù)來(lái)解決，因此電力電子技術(shù)作為一項基礎技術(shù)越來(lái)越重要。電力電子技術(shù)行業(yè)主要涉及三個(gè)領(lǐng)域：電力電子元器件、電力電子裝置、電力電子技術(shù)的應用。

電力電子元器件的發(fā)展先后經(jīng)歷了從二極管到MOSFET和IGBT的一系列發(fā)展歷程，現階段大功率元器件還主要依賴(lài)進(jìn)口。

電力電子裝置種類(lèi)繁多、行業(yè)應用范圍極廣。電力電子裝置主要包括三大類(lèi)產(chǎn)品：變頻器、電能質(zhì)量類(lèi)產(chǎn)品以及電子電源產(chǎn)品。

電力電子技術(shù)的應用涉及發(fā)電、輸電、配電、用電等各個(gè)環(huán)節，特別在新材料、新能源行業(yè)市場(chǎng)容量巨大，且都處于快速成長(cháng)的初期。

四川英杰電氣股份有限公司一直致力于電子電源類(lèi)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售與服務(wù)，主要涉及電力電子裝置及應用領(lǐng)域，是英杰人長(cháng)期關(guān)注和發(fā)展的方向。

二、電力電子器件的發(fā)展

一代器件造就一代電力電子裝置與應用，新的裝置與應用又促進(jìn)著(zhù)電力電子器件的發(fā)展，讓我們來(lái)簡(jiǎn)要回顧一下常用的幾類(lèi)電力電子器件：

功率二極管：

大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解、牽引和直流傳動(dòng)等領(lǐng)域。功率二極管是上世紀六十年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的;今天，在現代電力電子裝置中仍然扮演著(zhù)重要的角色，除了大功率工頻整流的基本功能之外，功率二極管還日益肩負著(zhù)高頻整流、續流、隔離、箝位、吸收等越來(lái)越多的功能。

晶閘管：

在大功率和特大功率的工業(yè)應用中，晶閘管以其耐壓高、電流大、通態(tài)壓降小、通態(tài)功耗低等優(yōu)勢被廣泛應用，是這一領(lǐng)域的主力器件，英杰電氣在高壓大功率晶閘管的應用方面有十幾年的應用案例與經(jīng)驗積累。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)與功率場(chǎng)效應管(MOSFET)：

上世紀八十年代，大規模和超大規模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，為現代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎，將集成電路的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機遇。MOSFET和IGBT的相繼問(wèn)世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。

英杰電氣緊隨時(shí)代潮流，一直致力于IGBT和MOSFET的工業(yè)應用，依靠該類(lèi)器件開(kāi)發(fā)出一大批綠色高效的電力電子裝置。

三、電力電子技術(shù)的應用效果

節能效果明顯：

電力電子技術(shù)天生具有節能的效果，現階段我國的能源總產(chǎn)量中，煤炭占67%、石油占22.7%、其余大多來(lái)自水電等發(fā)電方式。將電力電子技術(shù)應用在新能源系統中，發(fā)展風(fēng)能、光伏等清潔能源，節能效果非常明顯，能有效改變我國以煤炭為主的能源結構。

綠色可靠：

采用全新電力電子裝置，如有源電力濾波器(APF)或PWM整流器，可以實(shí)現接近1的功率因數和接近0的諧波含量，實(shí)現對電網(wǎng)的零污染。

若采用電力電子器件開(kāi)發(fā)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等，不但可大大降低用電設備的起停沖擊能耗，還可延長(cháng)設備的使用壽命，充分體現了電力電子裝置的可靠性。

精確控制與自動(dòng)化：

早期的控制電路使用分立元器件，屬于模擬控制電路，系統的參數由各分立元件的參數決定，存在元器件數量多、控制精度低、動(dòng)態(tài)響應慢、系統的調試復雜、靈活性差、參數整定不方便、溫度漂移嚴重、容易老化、參數的穩定性差等缺點(diǎn)，導致電源系統在環(huán)境條件穩定的實(shí)驗室工作尚可，難以在復雜工況條件下可靠運行。

新型電力電子系統采用數字控制技術(shù)，以實(shí)現快速、高精度、靈活、多功能、智能化的控制和人機界面和通訊等功能，四川英杰電氣股份有限公司一直致力于全數字化產(chǎn)品的研發(fā)與應用。

數字化具有以下特點(diǎn)：

高度的靈活性：

可以方便、快速地升級，且可以實(shí)現多值/多波形程序控制。此外，數字系統可以采用同一套硬件控制電路，組合成不同的軟件模塊，以選擇不同的控制策略、控制參數。

高度的智能化：

采用軟件編程，不僅實(shí)現了經(jīng)典的PID控制算法，而且也實(shí)現了自調整參數PID、自適應控制等現代、智能控制算法以提高裝置性能和工藝質(zhì)量。由于數字化的存儲數據量較大，可以很方便地對歷史記錄進(jìn)行追溯。

通信能力強：

微處理器集成了各種串口通信接口或現場(chǎng)總線(xiàn)模塊，因此可以很方便地與其他設備或上位機進(jìn)行大量的數據交換，采用通訊端口，對裝置實(shí)現遠程監控、遠程故障診斷等功能。

四、新能源、新材料行業(yè)概述

能源，是人類(lèi)生存的基本要素，也是國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的主要物質(zhì)基礎，能源安全則是國家經(jīng)濟安全的基本支撐。能源短缺，尤其優(yōu)質(zhì)能源短缺，始終困擾著(zhù)經(jīng)濟高速發(fā)展的中國，越來(lái)越成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。目前我國能源生產(chǎn)總量居世界第三，能源消費總量及溫室氣體排放僅次于美國位居世界第二。

通常，石油、天然氣、煤炭等化石類(lèi)能源稱(chēng)為一次性能源，不可再生，其開(kāi)采、運輸、儲存、使用過(guò)程中存在不同程度的大氣、環(huán)境污染及生態(tài)破壞，已嚴重危害人類(lèi)的生存環(huán)境。而太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、海洋能、生物質(zhì)能、地熱能等非化石類(lèi)能源均屬于過(guò)程性能源，不僅可以再生，且清潔無(wú)污染或低污染，蘊藏量巨大，我們統稱(chēng)為新能源。

我國現階段的能源能源結構中：煤炭約占67%，石油22 .7%，其余來(lái)自水電等，而美國能源消費中煤炭?jì)H占12%，歐洲發(fā)達國家更少至5%。長(cháng)期以煤炭為主的能源結構，使我國二氧化硫、二氧化碳、煙塵、固體廢物的排放始終位于世界前列，其直接后果就是大氣、水污染，造成地區甚至區域性的生態(tài)環(huán)境破壞。不少專(zhuān)家指出，解決我國能源短缺的根本出路在于發(fā)展可再生新能源。

實(shí)際上，我國的可再生能源儲量十分可觀(guān)，技術(shù)可開(kāi)發(fā)的水電資源達3.78億千瓦時(shí);大部分地區的年日照時(shí)間在2000小時(shí)以上;我國海岸線(xiàn)漫長(cháng)，潮汐能資源達2億千瓦時(shí);每年可作為能源使用的秸稈達3億噸以上。風(fēng)能陸地理論可開(kāi)發(fā)總量(10m高度)為32億kW，實(shí)際可開(kāi)發(fā)裝機容量約2.53億kW，僅次于美國和俄羅斯，居世界第3位，是我國目前發(fā)電總量的1.3倍，海上可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源達7.5億kW，具商業(yè)化、規?；l(fā)展的潛力。

現階段主要的新能源方案如下：

風(fēng)能發(fā)電：風(fēng)輪機技術(shù)已經(jīng)很成熟，且沒(méi)有任何污染排放。其工作不需要用水，占地少。由于

風(fēng)資源分布很廣泛，風(fēng)能可以在很多地區得到利用。

圖一：常見(jiàn)風(fēng)力發(fā)電結構示意圖

太陽(yáng)能聚熱發(fā)電：聚熱發(fā)電廠(chǎng)沒(méi)有排放和不產(chǎn)生廢料，能充分利用豐富的資源，環(huán)境影響甚微。

地熱發(fā)電：地熱資源聚集在特定地區，占用面積很少，卻能產(chǎn)生很多電能;沒(méi)有污染，排放也

非常少。

潮汐發(fā)電：潮汐能可預見(jiàn)、很可靠，且提前幾年可測量。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電：太陽(yáng)能板布置非常靈活，可以充分利用豐富的陽(yáng)光資源。

圖二：常見(jiàn)并網(wǎng)型光伏結構框圖

新材料領(lǐng)域非常廣泛，英杰電氣現階段主要在光電材料、玻璃纖維、碳纖維、特種金屬、人工寶石等領(lǐng)域提供電力電子解決方案。

五、英杰電氣及電力電子產(chǎn)品特點(diǎn)簡(jiǎn)介

四川英杰電氣股份有限公司成立于1996年，是專(zhuān)業(yè)的工業(yè)電源、功率控制系統及裝置的設計與制造企業(yè)。

公司是國家級高新技術(shù)企業(yè)，擁有省級企業(yè)技術(shù)中心，設立了院士專(zhuān)家工作站。通過(guò)多年的技術(shù)積累，已形成了完善的技術(shù)創(chuàng )新體系，擁有眾多的專(zhuān)利技術(shù)，并建立了完善的質(zhì)保體系，公司自2002年起通過(guò)了ISO9001質(zhì)量管理體系認證、國家3C認證及歐盟CE認證，是電熔焊機國家標準起草單位之一。

公司自成立以來(lái)，始終以自主研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售為核心，產(chǎn)品廣泛應用于石油、化工、冶金、機械、建材等傳統行業(yè)及核電、光伏、光電、碳纖維、特種金屬材料、LED新光源等新興行業(yè)，產(chǎn)品已銷(xiāo)往世界多個(gè)國家和地區，優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量和高效的客戶(hù)服務(wù)是公司永恒的目標。

圖三：產(chǎn)品核心——嵌入DSP或單片機芯片的數字化控制方案

專(zhuān)業(yè)設計研發(fā)能力：英杰電氣具有四川省級企業(yè)技術(shù)中心，有各類(lèi)技術(shù)人員100余人，設有硬件設計、軟件設計、結構工藝設計、新產(chǎn)品測試、項目設計、知識產(chǎn)權管理等專(zhuān)業(yè)。在“創(chuàng )新是企業(yè)發(fā)展源動(dòng)力”的理念下，在產(chǎn)品創(chuàng )新、知識產(chǎn)權等方面取得了重大成果，多年來(lái)已開(kāi)發(fā)了10幾個(gè)系列數十種規格的各類(lèi)電源產(chǎn)品;經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累與沉淀，公司已取得授權專(zhuān)利34項，另有10余項正在申報中。

先進(jìn)的裝配生產(chǎn)線(xiàn)、產(chǎn)品測試線(xiàn)，嚴格的現場(chǎng)管理和質(zhì)量控制。英杰電氣基于ISO9001：2008和CCC質(zhì)量控制的要求，建立并不斷優(yōu)化生產(chǎn)管理流程、企業(yè)質(zhì)量控制標準。公司擁有較為完備的研試儀器設備(數字存儲示波器、電能質(zhì)量分析儀、EMC測試設備等)，具備良好的試驗測試條件。