電力電子在新能源、新材料行業的應用

一、概述

電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代技術，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)、開關和智能控制等。它使電網的工頻電能最終轉換成不同性質、不同用途的電能，以適應千變萬化的用電裝置的不同需要。

電力電子技術自上個世紀中期誕生以來得到了迅速的發展，在國民經濟中已經具有十分重要的地位，目前約75%以上的電能須經電力電子處理以后才能投入使用，面臨的環境和能源問題也需要高效的發電、電力變換和控制技術來解決，因此電力電子技術作為一項基礎技術越來越重要。電力電子技術行業主要涉及三個領域：電力電子元器件、電力電子裝置、電力電子技術的應用。

電力電子元器件的發展先后經歷了從二極管到MOSFET和IGBT的一系列發展歷程，現階段大功率元器件還主要依賴進口。

電力電子裝置種類繁多、行業應用范圍極廣。電力電子裝置主要包括三大類產品：變頻器、電能質量類產品以及電子電源產品。

電力電子技術的應用涉及發電、輸電、配電、用電等各個環節，特別在新材料、新能源行業市場容量巨大，且都處于快速成長的初期。

四川英杰電氣股份有限公司一直致力于電子電源類產品研發、生產、銷售與服務，主要涉及電力電子裝置及應用領域，是英杰人長期關注和發展的方向。

二、電力電子器件的發展

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著電力電子器件的發展，讓我們來簡要回顧一下常用的幾類電力電子器件：

功率二極管：

大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供，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、牽引和直流傳動等領域。功率二極管是上世紀六十年代開始發展起來的;今天，在現代電力電子裝置中仍然扮演著重要的角色，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高頻整流、續流、隔離、箝位、吸收等越來越多的功能。

晶閘管：

在大功率和特大功率的工業應用中，晶閘管以其耐壓高、電流大、通態壓降小、通態功耗低等優勢被廣泛應用，是這一領域的主力器件，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驗積累。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)與功率場效應管(MOSFET)：

上世紀八十年代，大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展，為現代電力電子技術的發展奠定了基礎，將集成電路的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發展，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展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。

英杰電氣緊隨時代潮流，一直致力于IGBT和MOSFET的工業應用，依靠該類器件開發出一大批綠色高效的電力電子裝置。

三、電力電子技術的應用效果

節能效果明顯：

電力電子技術天生具有節能的效果，現階段我國的能源總產量中，煤炭占67%、石油占22.7%、其余大多來自水電等發電方式。將電力電子技術應用在新能源系統中，發展風能、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，可以實現接近1的功率因數和接近0的諧波含量，實現對電網的零污染。

若采用電力電子器件開發無觸點開關等，不但可大大降低用電設備的起停沖擊能耗，還可延長設備的使用壽命，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、動態響應慢、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，導致電源系統在環境條件穩定的實驗室工作尚可，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，以實現快速、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品的研發與應用。

數字化具有以下特點：

高度的靈活性：

可以方便、快速地升級，且可以實現多值/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，不僅實現了經典的PID控制算法，而且也實現了自調整參數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總線模塊，因此可以很方便地與其他設備或上位機進行大量的數據交換，采用通訊端口，對裝置實現遠程監控、遠程故障診斷等功能。

四、新能源、新材料行業概述

能源，是人類生存的基本要素，也是國民經濟和社會發展的主要物質基礎，能源安全則是國家經濟安全的基本支撐。能源短缺，尤其優質能源短缺，始終困擾著經濟高速發展的中國，越來越成為制約我國經濟發展的瓶頸。目前我國能源生產總量居世界第三，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、煤炭等化石類能源稱為一次性能源，不可再生，其開采、運輸、儲存、使用過程中存在不同程度的大氣、環境污染及生態破壞，已嚴重危害人類的生存環境。而太陽能、風能、水能、海洋能、生物質能、地熱能等非化石類能源均屬于過程性能源，不僅可以再生，且清潔無污染或低污染，蘊藏量巨大，我們統稱為新能源。

我國現階段的能源能源結構中：煤炭約占67%，石油22 .7%，其余來自水電等，而美國能源消費中煤炭僅占12%，歐洲發達國家更少至5%。長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環境破壞。不少專家指出，解決我國能源短缺的根本出路在于發展可再生新能源。

實際上，我國的可再生能源儲量十分可觀，技術可開發的水電資源達3.78億千瓦時;大部分地區的年日照時間在2000小時以上;我國海岸線漫長，潮汐能資源達2億千瓦時;每年可作為能源使用的秸稈達3億噸以上。風能陸地理論可開發總量(10m高度)為32億kW，實際可開發裝機容量約2.53億kW，僅次于美國和俄羅斯，居世界第3位，是我國目前發電總量的1.3倍，海上可開發的風能資源達7.5億kW，具商業化、規模化發展的潛力。

現階段主要的新能源方案如下：

風能發電：風輪機技術已經很成熟，且沒有任何污染排放。其工作不需要用水，占地少。由于

風資源分布很廣泛，風能可以在很多地區得到利用。

圖一：常見風力發電結構示意圖

太陽能聚熱發電：聚熱發電廠沒有排放和不產生廢料，能充分利用豐富的資源，環境影響甚微。

地熱發電：地熱資源聚集在特定地區，占用面積很少，卻能產生很多電能;沒有污染，排放也

非常少。

潮汐發電：潮汐能可預見、很可靠，且提前幾年可測量。

太陽能光伏發電：太陽能板布置非常靈活，可以充分利用豐富的陽光資源。

圖二：常見并網型光伏結構框圖

新材料領域非常廣泛，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、人工寶石等領域提供電力電子解決方案。

五、英杰電氣及電力電子產品特點簡介

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

公司是國家級高新技術企業，擁有省級企業技術中心，設立了院士專家工作站。通過多年的技術積累，已形成了完善的技術創新體系，擁有眾多的專利技術，并建立了完善的質保體系，公司自2002年起通過了ISO9001質量管理體系認證、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，始終以自主研發、生產、銷售為核心，產品廣泛應用于石油、化工、冶金、機械、建材等傳統行業及核電、光伏、光電、碳纖維、特種金屬材料、LED新光源等新興行業，產品已銷往世界多個國家和地區，優質的產品質量和高效的客戶服務是公司永恒的目標。

圖三：產品核心——嵌入DSP或單片機芯片的數字化控制方案

專業設計研發能力：英杰電氣具有四川省級企業技術中心，有各類技術人員100余人，設有硬件設計、軟件設計、結構工藝設計、新產品測試、項目設計、知識產權管理等專業。在“創新是企業發展源動力”的理念下，在產品創新、知識產權等方面取得了重大成果，多年來已開發了10幾個系列數十種規格的各類電源產品;經過多年的技術積累與沉淀，公司已取得授權專利34項，另有10余項正在申報中。

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