丁皓天
中國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)應(yīng)用及發(fā)展分析
丁皓天
(哈爾濱理工大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150080)
電力電子與電力傳動(dòng)在當(dāng)前和今后具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景,電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科和技術(shù)發(fā)展迅速,要特別重視對(duì)學(xué)科和技術(shù)的研究,推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)⑵渥鳛楹诵募夹g(shù)給予高度重視和大力支持,破解技術(shù)難題,搶占核心高地,不斷拉近中國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科和技術(shù)與國(guó)際的水平,提升中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展水平。
電力電子;電力傳動(dòng);電質(zhì)量控制;電質(zhì)量控制
電力電子和電力傳動(dòng)是合理、高效使用各種形式電能,為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供高質(zhì)量電能、磁能的重要技術(shù)支撐。電力電子和電力傳動(dòng)在涉及電的各行各業(yè)無(wú)處不在,尤其是隨著學(xué)科和技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,市場(chǎng)的需求量越來(lái)越大,電力電子與電力傳動(dòng)作為交叉學(xué)科將會(huì)越來(lái)越受到重視;電力電子與電力傳動(dòng)作為高新技術(shù)將會(huì)展現(xiàn)強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì),應(yīng)用方向也將從傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域走向信息化領(lǐng)域,向著更加智能、更加環(huán)保的方向加速發(fā)展。
電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科是綜合電能變換、電磁學(xué)、自動(dòng)控制、微電子及電子信息、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的新成就而迅速發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科。研究的內(nèi)容是電力電子器件的原理、制造及其應(yīng)用技術(shù),電力電子電路、裝置、系統(tǒng)及其仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),電力電子系統(tǒng)故障診斷及可靠性,電力傳動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng),電力牽引,電磁測(cè)量技術(shù)與裝置,先進(jìn)控制技術(shù)在電力電子裝置中的應(yīng)用,電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,電能變換與控制,諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)?。研究目的是通過(guò)電力電子器件、變流器拓?fù)浼捌淇刂?、電力電子?yīng)用系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)電能、磁能的變換、控制、傳輸和存儲(chǔ)。
電力電子與電力傳動(dòng)主要有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):①運(yùn)用分布式發(fā)電與可再生能源發(fā)電,利用電力電子與電力傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)器件,如逆變器、頻率變流器、靜態(tài)傳輸開關(guān)、直流-直流變流器、交流-直流變流器、集成大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),一方面充分利用能源,盡可能多地將有功能量送入電網(wǎng),另一方面提高發(fā)電并網(wǎng)時(shí)大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。 ②加強(qiáng)電質(zhì)量控制,優(yōu)化資源配置,節(jié)能省電,解決存儲(chǔ)能量再次轉(zhuǎn)化的問(wèn)題,提高用電效率。
2.2.1 集中式大電網(wǎng)供電
目前全球90%的供電系統(tǒng)主要是以大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓為主的集中式單一供電,電力負(fù)荷以集中單一的大電網(wǎng)供電為主。存在以下缺陷:①大電網(wǎng)中任何一點(diǎn)故障所產(chǎn)生的擾動(dòng)將會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成較大影響,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致大面積停電甚至全網(wǎng)崩塌;②大電網(wǎng)供電容易受到戰(zhàn)爭(zhēng)或恐怖勢(shì)力破壞,如對(duì)大電網(wǎng)破壞非常嚴(yán)重的科索沃和海灣戰(zhàn)爭(zhēng); ③集中式大電網(wǎng)供電不能有效跟蹤電力負(fù)荷變化,但還要為了短暫的峰荷建造發(fā)電廠,花費(fèi)大且效益低。為解決大電網(wǎng)供電缺陷,西方發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用電力電子與電力傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)器件,采用大電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的方法,加強(qiáng)電質(zhì)量控制,解決發(fā)電時(shí)提高并入電網(wǎng)的穩(wěn)定性,盡可能多地將有功能量送入電網(wǎng),解決存儲(chǔ)能量再次轉(zhuǎn)化能問(wèn)題等,起到了節(jié)省投資、降低能耗、提高效率的作用,大大提高了供電系統(tǒng)的安全性和靈活性。
2.2.2 分布式發(fā)電與可再生能源發(fā)電
分布式發(fā)電與可再生能源發(fā)電多利用風(fēng)能、水能、光能以及其他可再生能源等進(jìn)行發(fā)電,根據(jù)國(guó)家能源局官網(wǎng)2014—2018年每年利用這些能源發(fā)電量(單位:億千瓦)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),水能發(fā)電總量分別為3.0,3.159 4,3.3,3.411 9,3.5;風(fēng)電發(fā)電總量分別為0.963 7,1.307 5,1.5,1.636 7,1.8;光電發(fā)電總量分別為0.280 5,0.421 8,0.774 2,1.302 5,1.7;其他可再生能源發(fā)電總量4.4,4.92,6.0,6.5,7.28。從這一組數(shù)據(jù)可以看到,中國(guó)分布式發(fā)電與可再生能源發(fā)電逐年遞增,表明經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求量越來(lái)越大。
優(yōu)點(diǎn):分布式發(fā)電與可再生能源發(fā)電清潔、污染??;從使用效益上看,發(fā)電設(shè)備接近用戶,利用方便,減少了人類對(duì)遠(yuǎn)距離輸電的依賴。
缺點(diǎn):產(chǎn)生的電能較不穩(wěn)定,存在一定的風(fēng)險(xiǎn),如風(fēng)力發(fā)電,為了盡可能多利用風(fēng)能資源,并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電通常要運(yùn)用多臺(tái)大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī),由于風(fēng)場(chǎng)發(fā)電的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致發(fā)電并入電網(wǎng)時(shí),可能會(huì)對(duì)大電網(wǎng)造成不穩(wěn)定性沖擊。
解決辦法:利用電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù),植入關(guān)鍵器件,加強(qiáng)對(duì)電能的控制和調(diào)節(jié),提高穩(wěn)定性,使其并入大電網(wǎng)時(shí),避免對(duì)大電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊;提高利用率,增加儲(chǔ)能環(huán)節(jié),解決存儲(chǔ)能量再次轉(zhuǎn)化的問(wèn)題。
2.2.3 電質(zhì)量控制
電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略支撐產(chǎn)業(yè)。市場(chǎng)對(duì)電力能源的需求巨大,國(guó)家能源局官網(wǎng)公布的2014—2018年每年電力總裝機(jī)容量(單位:億千瓦)分別為:13.75,15.2527,16.5,17.7703,19.0。從這一組數(shù)據(jù)來(lái)看,中國(guó)電力總裝機(jī)容量五年內(nèi)增長(zhǎng)了38.2%,平均每年以8.1%的速度遞增。根據(jù)國(guó)家能源局官網(wǎng)有關(guān)材料顯示,為打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn),中國(guó)煤電行業(yè)大幅減少污染物排放和能源消耗,2014—2018年三季度末,中國(guó)煤電機(jī)組累計(jì)完成超低排放改造7億千瓦以上,節(jié)能改造累計(jì)已完成6.5億千瓦。在解決供給和限制的矛盾方面,必須在發(fā)電、輸電、配電三個(gè)環(huán)節(jié)上提高電質(zhì)量,而電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)在以下三個(gè)環(huán)節(jié)起到了非常重要的作用:在發(fā)電環(huán)節(jié),主要應(yīng)用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置、電廠用電故障監(jiān)測(cè)及保護(hù)裝置、串補(bǔ)裝置、風(fēng)力發(fā)電用永磁發(fā)電機(jī)變頻調(diào)速裝置、超大功率逆變并網(wǎng)型系統(tǒng)等;在輸電環(huán)節(jié),主要應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)、靈活交流輸電系統(tǒng)等;在配電環(huán)節(jié),主要應(yīng)用于有源電力濾波器、靜止無(wú)功發(fā)生器、動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器、電力調(diào)節(jié)器、電子短路限流保護(hù)器等,在這些電力環(huán)節(jié)和電力器件中,幾乎都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)。電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)以及應(yīng)用于電力器件中顯示出的高效、節(jié)能、省材等大量?jī)?yōu)良特性,使其成為了弱電控制和強(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,還使它顯示出了巨大的潛在的市場(chǎng)份額。
電力電子器件和應(yīng)用技術(shù)已在中國(guó)走過(guò)了近50年的發(fā)展歷史,電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科打破了學(xué)科限制,跨越學(xué)科發(fā)生聯(lián)系;電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)成為高新技術(shù),正在與數(shù)字技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制充分融合發(fā)展。電力電子與電力傳動(dòng)在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、發(fā)展高新技術(shù)、高質(zhì)量利用各種能源中發(fā)揮了重要作用。有許多專家認(rèn)為,電力電子與電力傳動(dòng)即將導(dǎo)致下一次電子學(xué)的革命,對(duì)電子技術(shù)領(lǐng)域造成強(qiáng)烈的沖擊和改變,人類社會(huì)將會(huì)很快步入更加便捷高效的新時(shí)代。今后應(yīng)高度重視電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科和技術(shù)發(fā)展,重點(diǎn)解決好三對(duì)矛盾,即各行各業(yè)對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)的迫切需要與應(yīng)用領(lǐng)域沒(méi)有作為研究重點(diǎn)的矛盾,中國(guó)電力產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展亟需電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)支撐與電力電子和電力傳動(dòng)學(xué)科和技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后的矛盾,一些電力電子與電力傳動(dòng)新技術(shù)新裝置停留在試驗(yàn)階段與市場(chǎng)環(huán)境欠缺和法律法規(guī)滯后導(dǎo)致難以快速進(jìn)入市場(chǎng)的矛盾,加快推動(dòng)電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科和技術(shù)發(fā)展,進(jìn)入市場(chǎng),發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
[1]錢照明.我國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)發(fā)展的大好機(jī)遇[J].變頻器世界,2008(7):40,42,44-46.
[2]李壘,冒春燕,陳愷立,等.我國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].建筑與發(fā)展,2018(9):69-70.
[3]張永春,呂香玲.淺談我國(guó)電力電子與電力傳動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J].山東工業(yè)與技術(shù),2016(24):178.
2095-6835(2019)22-0150-02
TM921
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.063
〔編輯:嚴(yán)麗琴〕