电力电子在中国的发展和市场

1. 电力电子在中国的发展和市场

市场

2016年,第三代半导体器件在消费类电子、工业电机、太阳能光伏、风力发电、新能源汽车、大数据中心等应用领域开始渗透。2016年,我国第三代半导体电力电子器件的市场规模约为1.6亿元,目前市场90%为进口产品所占有。

据国家统计局数据,2015年我国半导体分立器件规模以上企业的销售额超过900亿元/年,国内第三代半导体电力电子的渗透率不到0.5%。国内目前最大的应用领域在开关电源和不间断电源,而渗透最快的是光伏应用领域。

2016年我国电力电子器件应用市场分布:

  • 开关电源(PFC): 26%
  • 新能源汽车: 8%
  • 光伏逆变器: 8%
  • 工业电机: 22%
  • 不间断电源UPS: 21%
  • 其他: 15%

发展

2016年,我国半导体照明产业整体产值达到5216亿元,较2015年同比增长22.8%;电力电子和微波射频产业处于起步阶段。

与国际领先水平相比,我国在第三代半导体衬底、外延材料、器件的整体技术水平落后3年左右;在第三代半导体光电子领域,LED技术水平已接近国际先进水平;在第三代半导体微电子应用方面,日、美、欧在地铁机车、新能源汽车、白色家电、光伏逆变器、雷达等领域开展了规模应用,而我国只在光伏逆变器、PFC电源、UPS、军用雷达等领域有小规模应用。

2016年是我国第三代半导体产业发展“元年”。据初步统计,2016年我国第三代半导体产业的整体规模约为5228亿元,其中电力电子产值规模7200万元,微波射频产值规模10.9亿元,光电(主要为半导体照明)产业规模超过5200亿元。

阐述电力电子技术在航天飞机,武器,可再生能源,生活电子设备,家电,配电,高速铁路等方面的应用

2. 电力电子的应用

武器

电磁发射装置是一类利用脉冲功率发生装置产生的电磁力推动负载达到最大速度的装置,它的实质是将电磁能变换为发射载荷动能的能量变换装置。电磁发射系统主要由储能系统、脉冲功率变换系统、脉冲发射装置和闭环运动控制系统四部分组成。

电磁发射系统的工作原理是:储能系统以较小的功率长时间地从电网吸收和存储能量;当储存的能量满足发射所需后,一旦接收到发射命令,立即向脉冲功率变换系统释放能量;脉冲功率变换系统将储能系统释放的电能变换为脉冲发射装置工作所需的脉冲电能,产生电磁力推动发射体运动;闭环运动控制系统实时地控制发射体的运行轨迹,确保在预定的位置将其加速至设定的末速度,完成发射任务。

可再生能源

随着经济的快速发展, 能源供应持续紧张, 环境污染也越来越严重, 开发利用可再生新能源成为解决能源问题的重要方向。目前, 除了少数地区的风能、太阳能等绿色能源可以大规模利用外, 大部分可再生新能源均是以分布式电源的形式运行。分布式电源不仅能够实现可再生能源输送调配, 且能够与大电网实现互联互通, 为整个系统提供相应的支撑。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年) 》、《配电网建设改造行动计划 (2015—2020年) 的通知》等一系列国家政策, 国家正大力推广分布式可再生能源发展、支撑能源消费革命。

但光伏发电、风力发电等可再生能源输出功率具有波动性和间歇性, 大量分布式电源直接接入电网将会对电网的安全稳定运行造成影响。考虑到分布式电源的容量较小, 受环境影响较大, 运行不确定性过高, 且接入成本较低, 电网一般采用隔离的方式处理分布式电源, 缺乏统一的管理调控手段, 由此使得分布式电源的利用效率受到了限制。2016年全国“弃水、弃风、弃光”电量总共将近1 100亿k Wh, 造成了严重的资源浪费。此外, 电网中直流负载的比例日益上升, 在进行变流的过程中, 功率损耗不可避免。

为了解决上述问题, 在充分利用可再生能源的基础上, 降低损耗、提高系统能效, 分布式可再生能源采用交直流混合系统的形式, 实现灵活组网, 在提高新能源消纳率的同时, 有效减少交直流转换中间环节, 提高配用电经济性、供电可靠性和运行灵活性。

交直流混合系统中大部分分布式电源都是基于电力电子设备的逆变型电源, 储能装置、交直流负荷等也都是通过双向换流器 (Power Conversion System, PCS) 实现能量交换。PCS的性能将直接影响到整个交直流混合系统的稳定运行。因此, 研发高可靠性、高效率的PCS是建设交直流混合系统的首要环节。目前, 根据拓扑结构的不同, PCS的研究主要可以分为:

(1) 基于DC/AC变换的整流/逆变器:该种PCS能够运行于逆变 (直流转换为交流) 和整流 (交流转换为直流) 两种模式, 可以有效实现功率双向流动, 广泛应用于光伏发电、储能电池等多种应用环境。较为常见的有传统的三相全桥结构、矩阵式双向变换器、Z源逆变器等。矩阵式变换器能够实现单级充电, 但其桥臂上开关管的数量为传统全桥结构的2倍, 控制相对复杂。Z源逆变器具备升降压功能, 可以适应输入直流电压大范围变化, 提高逆变器可靠性, 但无源器件增加使得其损耗也随之增加。

(2) 基于DC/DC变化的斩波器:该种PCS能够实现直流电能升降压, 按照有无隔离功能, 可以分为非隔离型和隔离型两类。非隔离型有双向Buck/Boost、双向Cuk和双向Zeta-Sepic变换器等。隔离型有双向反激、双向正激、双向推挽、双向半桥和双向全桥等。

(3) 基于AC/AC变换的变频器:该种结构通常是将一种形式的交流电能转换为另一种形式的交流电能, 一般应用于风电并网和电动机负载中。较为常见的有晶闸管相控变频器、矩阵变换器、交流斩波器等。

以上述3种PCS为基础, 交直流混合系统中PCS的控制策略可以分为两大类。一类为以基于AC/DC变换为主体的单极型PCS, 该种模式控制较为简单。另一类为DC/DC斩波与DC/AC变换相结合的双极型PCS, 该种模式控制前后耦合, 相对比较复杂。

家用电器

照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源,通常采用电力电子装置的光源被称为“节能灯”,它正在逐步取代传统的白炽灯和荧光灯。

变频空调是家用电器中应用电力电子技术的典型例子。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外,不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。

高铁

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