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电力电子产业:快速成长应用广阔新兴节能

电力电子产业:快速成长应用广阔新兴节能

点击数:7642 次   录入时间:03-04 11:48:07   整理:http://www.55dianzi.com   电子技术

  电力电子技术无论对改造传统工业(电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等),还是对新建高技术产业(航天、激光、通信、机器人等)和高效利用能源均至关重要。未来应用热点是变频调速、电力系统电力电子化、汽车电子、信息、办公自动化、家电用电力电子,牵引用(电力机车、城市轨道交通车)电力电子、新能源(太阳能、风能、燃料电池)逆变装置等(如下图所示)。

  我们主要分析电力电子技术重点应用的几个领域,包括变频器、电子电源、电力系统应用等三大方面。

  1、变频器——2000-3000亿元的市场总容量

  变频器被称为“现代工业的维生素”,集微电子、电力电子和控制技术于一体,通过将固定频率的交流电源转换成电压可调、频率可调的交流电,实现对交流电机的无级调速。在节约电能,改善生产工艺、提高生产自动化水平等方面,具有突出的作用。变频器的种类可以按照电压、功率和负载类型来划分。以电压为标准,通常把低于690V的定为低压变频器市场,譬如220V和380V;高于这个等级的为中高压变频器市场,常见的电压等级有1,140V、2,300V、3,000/3,300V、4,160V、6,000/6,300/6,600V和10,000V。以功率为换分标准,变频器通常划分为<=7.5 KW、11-30 KW、37-90KW、>= 110KW四个功率段;如果以负载类型为标准,则划分为三类:一是提升负载,主要使用行业为电梯和起重,此类变频器需要适应频繁的起停和正反转、大启动转矩,由于是与人直接相关的作业,对可靠性有着非常高的要求。这些特点决定了提升负载是技术门槛最高的一个类别。二是机械负载,它是变频器市场最大的一块,占据市场的近一半。除了冶金(轧机等)和造纸采用较大功率变频器之外,主要运用于配套较小功率变频器的OEM市场,如纺织机械、包装机械等。机械负载对精度有较高的要求,同提升负载一样,多采用矢量型变频器。三是风机水泵类负载,这是最为常见的运用类型,负载较为简单,技术要求不高。因此,也可以把这块市场看作变频器的低端市场。

  变频器的市场很大,在电力、机械、交通、纺织与化纤、建材、建筑、石油、化工、医疗、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程(中央空调、供水、水处理、电梯等)中,变频器都在发挥着重要作用。2004年,工控网统计数据显示,中国变频器市场规模(供应商端销售额,不含税)为66.3亿元人民币、48.4万台、810万KW。工控网预计未来几年行业增长如下:

  由于统计口径和统计方法的不同,中国机械研究院对高压变频器(6KV-10KV)市场需求的预测相对比较乐观,不含软启动装置,对2005年变频器(含中低压和高压)市场规模的分析结论与中国工控网大体一致,约为70亿元。

  不管怎样,中国的变频器市场目前正处于一个高速增长的时期,是一个不争的事实。

  在过去的几年内中国变频器市场保持着12%~15%的增长率(高压变频今后增长速度最快,预计超过50%),这个速度已经远远超过了近几年的GDP增长水平,而且至少在未来的5年内保持着10%以上的增长率。考虑到大约4~6%的价格下降,中国市场上变频器安装容量(功率)的增长实际上在20%左右。按照这样的发展速度和中国市场的需求计算,至少在10年以后市场才能饱和并逐渐成熟。

  目前,国内生产厂家逐年增多、发展速度较快,尤其是沿海开放省市如广东、山东、上海、江苏等,较知名的厂家有安圣、森兰、惠丰等。另外,国外知名厂家纷纷来华合资、投资建厂,以降低成本,更优的价格供应国内市场,并已挤占相当的市场份额,如ABB、日立、台达等。国内企业与国外大公司在技术上相比,还有较大差距。国产变频器的档次低,主要是低压(400V)小容量(315kW以内)产品。而对功能先进(含矢量控制、直接转矩控制)、高电压(3000V以上)、大容量(1000kW以上)变频器,国内还处于研制阶段,未见成熟产品,尤其是高压大容量型,目前国内尚属空白。

  而且,核心部件受制于人,国产机所需半导体功率器件的生产几乎是空白,不得不依靠进口。

  2、电子电源——每年170亿元以上的市场需求

  电源包括电子电源和化学物理电源,与电力电子技术应用相关的是电子电源。电子电源就是对公用电网或某种电能进行变换和控制,向各种用电负载提供优质电能的供电设备。

  1)开关电源

  程控交换站,计算机、电视、医疗设备、航天、航海舰艇及家电上,都广泛应用开关电源,开关电源最大的应用领域是在通信行业,美国开关电源中用于通信方面的占开关电源总量的35%。这些开关电源都采用高频化技术,使其体积重量大大减小,能耗和材料也大为降低。

  通信开关电源大概每年至少50亿元的市场规模,其中,DC/DC变换器模块电源约占25%,AC/DC整流器约占75%。由于中国的通信事业投资比较集中,通信电源在开关电源总额中所占比例较大,根据业内人士推算(按通信电源占比50%计算),全国开关电源总额就达100亿元以上,这里不包括各种家用电器和电子仪器内部的开关电源。

  目前全球开关电源市场超过120亿美元,年增长率约4%~6%,由于应用广泛,市场分散,全球供应商数量超过1,000家。大致格局是,中国台湾企业主导AC/DC电源市场,欧洲企业主导DC/DC转换器市场。若以应用划分,电盛兰达为代表的日本企业在工业电源市场占据领先。

  2)不间断电源(UPS)

  不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。UPS优点在于持续不间断、稳定;另外还起着交流、直流互相转换的作用。从功能上讲,UPS可以在市电出现异常时,有效地净化市电,还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电,使工作人员从容应对。

  现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。

  根据信息产业部计算机与微电子发展研究中心(CCID)统计(1998年以前数据)和赛迪顾问市场调查(2000年以后数据)显示,1998年到2003年,UPS年均销售86.1万台,年均销售额约22.43亿元人民币。赛迪顾问统计2006年UPS电源市场需求规模约为26亿元,市场需求结构情况如下图:

  综上所述,仅开关电源、UPS每年的市场规模大约为130亿元。电源种类还有许多,如变频电源、电解电镀电源、焊接电源、感应加热电源、充电电源、霓虹灯和照明电源等。种类繁多,分布广泛。若把它们都计算在内,保守估计,电子电源的市场规模将在170亿元以上。

  3、电力电子技术在电力系统中的应用——需求巨大、细分市场众多

  电力系统是电力电子技术应用的最重要和最有潜力的市场领域之一。其典型应用有高压直流输电HVDC、灵活交流输电系统FACTS(包括静止电压补偿器、静止相位补偿器、功率流控制器等)、有源电力滤波器(APF)、蓄能电站用交流励磁系统等。

  进入21世纪,我国电力建设规模更为巨大,在大规模进行电力建设的同时,还要大力推进以科技进步为中心的节能、节电、提高效益的电力技术改造工作。从用电角度来说,利用电力电子技术进行节能技术改造,提高用电效率;从发、输配电角度来说,必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。目前,电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用,如表4所示。与其它应用领域相比,上述这些应用要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性。

  1)发电系统

  电力电子技术在发电环节的应用以改善发电机组等多种设备的运行特性为主,包括:

  ——大型发电机的静止励磁控制装置

  励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的电气调控装置。励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁系统包括励磁电源和励磁装置,其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器;励磁装置则根据不同的规格、型号和使用要求,分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。励磁装置的使用,是当电力系统正常工作的情况下,维持同步发电机机端电压于一给定的水平上,同时,还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。对于采用励磁变压器作为励磁电源的还具有整流功能。励磁装置可以单独提供,亦可作为发电设备配套供应。

  静止励磁采用晶闸管整流自并励方式,具有结构简单、可靠性高及造价低等优点,被世界各大电力系统广泛采用。由于省去了励磁机这个中间惯性环节,因而具有其特有的快速性调节,给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

  目前中国水电励磁装置从制造厂家来看,首先是有多家外国制造商,如广州抽水蓄能电站引进阿尔斯通的励磁装置,隔河岩电站引进加拿大通用电气公司的励磁装置,马迹塘、五强溪电站引进奥地利伊林公司励磁装置,三峡水电站采用西门子的盛磁装置等等;也有引进技术的合作生产企业,如李家峡电站部分机组由

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