电力电子在新能源、新材料行业的应用

一、概述

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，基本功能包括：整流(交流变成直流)、逆变(直流变成交流)、斩波(直流变成直流)、变频(改变供电频率)、开关和智能控制等。它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。

电力电子技术自上个世纪中期诞生以来得到了迅速的发展，在国民经济中已经具有十分重要的地位，目前约75%以上的电能须经电力电子处理以后才能投入使用，面临的环境和能源问题也需要高效的发电、电力变换和控制技术来解决，因此电力电子技术作为一项基础技术越来越重要。电力电子技术行业主要涉及三个领域：电力电子元器件、电力电子装置、电力电子技术的应用。

电力电子元器件的发展先后经历了从二极管到MOSFET和IGBT的一系列发展历程，现阶段大功率元器件还主要依赖进口。

电力电子装置种类繁多、行业应用范围极广。电力电子装置主要包括三大类产品：变频器、电能质量类产品以及电子电源产品。

电力电子技术的应用涉及发电、输电、配电、用电等各个环节，特别在新材料、新能源行业市场容量巨大，且都处于快速成长的初期。

四川英杰电气股份有限公司一直致力于电子电源类产品研发、生产、销售与服务，主要涉及电力电子装置及应用领域，是英杰人长期关注和发展的方向。

二、电力电子器件的发展

一代器件造就一代电力电子装置与应用，新的装置与应用又促进着电力电子器件的发展，让我们来简要回顾一下常用的几类电力电子器件：

功率二极管：

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解、牵引和直流传动等领域。功率二极管是上世纪六十年代开始发展起来的;今天，在现代电力电子装置中仍然扮演着重要的角色，除了大功率工频整流的基本功能之外，功率二极管还日益肩负着高频整流、续流、隔离、箝位、吸收等越来越多的功能。

晶闸管：

在大功率和特大功率的工业应用中，晶闸管以其耐压高、电流大、通态压降小、通态功耗低等优势被广泛应用，是这一领域的主力器件，英杰电气在高压大功率晶闸管的应用方面有十几年的应用案例与经验积累。

绝缘栅双极晶体管(IGBT)与功率场效应管(MOSFET)：

上世纪八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础，将集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。

英杰电气紧随时代潮流，一直致力于IGBT和MOSFET的工业应用，依靠该类器件开发出一大批绿色高效的电力电子装置。

三、电力电子技术的应用效果

节能效果明显：

电力电子技术天生具有节能的效果，现阶段我国的能源总产量中，煤炭占67%、石油占22.7%、其余大多来自水电等发电方式。将电力电子技术应用在新能源系统中，发展风能、光伏等清洁能源，节能效果非常明显，能有效改变我国以煤炭为主的能源结构。

绿色可靠：

采用全新电力电子装置，如有源电力滤波器(APF)或PWM整流器，可以实现接近1的功率因数和接近0的谐波含量，实现对电网的零污染。

若采用电力电子器件开发无触点开关等，不但可大大降低用电设备的起停冲击能耗，还可延长设备的使用寿命，充分体现了电力电子装置的可靠性。

精确控制与自动化：

早期的控制电路使用分立元器件，属于模拟控制电路，系统的参数由各分立元件的参数决定，存在元器件数量多、控制精度低、动态响应慢、系统的调试复杂、灵活性差、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化、参数的稳定性差等缺点，导致电源系统在环境条件稳定的实验室工作尚可，难以在复杂工况条件下可靠运行。

新型电力电子系统采用数字控制技术，以实现快速、高精度、灵活、多功能、智能化的控制和人机界面和通讯等功能，四川英杰电气股份有限公司一直致力于全数字化产品的研发与应用。

数字化具有以下特点：

高度的灵活性：

可以方便、快速地升级，且可以实现多值/多波形程序控制。此外，数字系统可以采用同一套硬件控制电路，组合成不同的软件模块，以选择不同的控制策略、控制参数。

高度的智能化：

采用软件编程，不仅实现了经典的PID控制算法，而且也实现了自调整参数PID、自适应控制等现代、智能控制算法以提高装置性能和工艺质量。由于数字化的存储数据量较大，可以很方便地对历史记录进行追溯。

通信能力强：

微处理器集成了各种串口通信接口或现场总线模块，因此可以很方便地与其他设备或上位机进行大量的数据交换，采用通讯端口，对装置实现远程监控、远程故障诊断等功能。

四、新能源、新材料行业概述

能源，是人类生存的基本要素，也是国民经济和社会发展的主要物质基础，能源安全则是国家经济安全的基本支撑。能源短缺，尤其优质能源短缺，始终困扰着经济高速发展的中国，越来越成为制约我国经济发展的瓶颈。目前我国能源生产总量居世界第三，能源消费总量及温室气体排放仅次于美国位居世界第二。

通常，石油、天然气、煤炭等化石类能源称为一次性能源，不可再生，其开采、运输、储存、使用过程中存在不同程度的大气、环境污染及生态破坏，已严重危害人类的生存环境。而太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能、地热能等非化石类能源均属于过程性能源，不仅可以再生，且清洁无污染或低污染，蕴藏量巨大，我们统称为新能源。

我国现阶段的能源能源结构中：煤炭约占67%，石油22 .7%，其余来自水电等，而美国能源消费中煤炭仅占12%，欧洲发达国家更少至5%。长期以煤炭为主的能源结构，使我国二氧化硫、二氧化碳、烟尘、固体废物的排放始终位于世界前列，其直接后果就是大气、水污染，造成地区甚至区域性的生态环境破坏。不少专家指出，解决我国能源短缺的根本出路在于发展可再生新能源。

实际上，我国的可再生能源储量十分可观，技术可开发的水电资源达3.78亿千瓦时;大部分地区的年日照时间在2000小时以上;我国海岸线漫长，潮汐能资源达2亿千瓦时;每年可作为能源使用的秸秆达3亿吨以上。风能陆地理论可开发总量(10m高度)为32亿kW，实际可开发装机容量约2.53亿kW，仅次于美国和俄罗斯，居世界第3位，是我国目前发电总量的1.3倍，海上可开发的风能资源达7.5亿kW，具商业化、规模化发展的潜力。

现阶段主要的新能源方案如下：

风能发电：风轮机技术已经很成熟，且没有任何污染排放。其工作不需要用水，占地少。由于

风资源分布很广泛，风能可以在很多地区得到利用。

 

 

图一：常见风力发电结构示意图

太阳能聚热发电：聚热发电厂没有排放和不产生废料，能充分利用丰富的资源，环境影响甚微。

地热发电：地热资源聚集在特定地区，占用面积很少，却能产生很多电能;没有污染，排放也

非常少。

潮汐发电：潮汐能可预见、很可靠，且提前几年可测量。

太阳能光伏发电：太阳能板布置非常灵活，可以充分利用丰富的阳光资源。

 

 

图二：常见并网型光伏结构框图

新材料领域非常广泛，英杰电气现阶段主要在光电材料、玻璃纤维、碳纤维、特种金属、人工宝石等领域提供电力电子解决方案。

五、英杰电气及电力电子产品特点简介

 

 

四川英杰电气股份有限公司成立于1996年，是专业的工业电源、功率控制系统及装置的设计与制造企业。

公司是国家级高新技术企业，拥有省级企业技术中心，设立了院士专家工作站。通过多年的技术积累，已形成了完善的技术创新体系，拥有众多的专利技术，并建立了完善的质保体系，公司自2002年起通过了ISO9001质量管理体系认证、国家3C认证及欧盟CE认证，是电熔焊机国家标准起草单位之一。

公司自成立以来，始终以自主研发、生产、销售为核心，产品广泛应用于石油、化工、冶金、机械、建材等传统行业及核电、光伏、光电、碳纤维、特种金属材料、LED新光源等新兴行业，产品已销往世界多个国家和地区，优质的产品质量和高效的客户服务是公司永恒的目标。

 

 

图三：产品核心——嵌入DSP或单片机芯片的数字化控制方案

专业设计研发能力：英杰电气具有四川省级企业技术中心，有各类技术人员100余人，设有硬件设计、软件设计、结构工艺设计、新产品测试、项目设计、知识产权管理等专业。在“创新是企业发展源动力”的理念下，在产品创新、知识产权等方面取得了重大成果，多年来已开发了10几个系列数十种规格的各类电源产品;经过多年的技术积累与沉淀，公司已取得授权专利34项，另有10余项正在申报中。

先进的装配生产线、产品测试线，严格的现场管理和质量控制。英杰电气基于ISO9001：2008和CCC质量控制的要求，建立并不断优化生产管理流程、企业质量控制标准。公司拥有较为完备的研试仪器设备(数字存储示波器、电能质量分析仪、EMC测试设备等)，具备良好的试验测试条件。[!--empirenews.page--]

 

 

图四：部分运行中的测试设备

六、英杰电气电力电子产品的应用

l 在新能源行业的应用：

在单晶硅生产方面，英杰电气所研制生产的单晶炉加热直流电源已经通过按相关国际标准进行的严格检验，大批量为国内外知名单晶炉设备生产企业和终端用户提供配套电源，已经成为国内单晶炉电源系统的领跑者。

该电源使用大功率IGBT模块或晶闸管模块，利用专利谐波治理技术，高级DSP控制核心，电源高效节能，具有精度高、稳定性好、功率因数高、谐波低、功能完善、调节方便、体积小、重量轻等优点。是太阳能光伏硅材料生产的重要设备。

 

 

图五：批量生产的单晶炉电源

在多晶硅生产方面，高压启动电源、还原炉电源、铸锭炉电源经过严格的测试已经有多批次陆续投入运行使用，得到了客户的高度认可。该系列电源根据硅棒排布及功率曲线进行设计，还原电源有1台控制柜、n台功率柜组成。为提高系统功率因数、降低谐波含量以及提高还原变压器的利用率，还原电源采用多种电压等级，叠层控制输出。该系列电源是高压大功率晶闸管在电力电子系统中的成功应用。

 

 

图六：英杰电气还原电源成套解决方案

在核电方面，通过严格的质量体系建设和安全性设计试验，我公司推出的核电专用电源已经成功应用于阳江、防城港等核电现场。

 

 

图七：核电应用

在薄膜硅碲化镉炉电源方面，英杰电气提供薄膜硅碲化镉炉专用电源产品，为薄膜太阳能提供供电设备。

在光伏逆变器方面，英杰电气提供单三相光伏逆变器，以32位专用DSP作为控制核心，主回路采用IGBT功率模块，优化的主回路结构，安全可靠。适用于小型太阳能光伏系统，光伏并网发电电站、小型光伏电站、风光互补电站、大型光电建筑等场合。逆变器采用宽范围直流电压输入，转换效率高达98%，最大功率点跟踪效率大于99%，电流谐波小于3%，是一类高效节能的新型电力电子装置。

 

 

图八：单、三相光伏逆变器

l 在新材料行业的应用：

在LED宝石炉电源方面，随着光学产业和LED产业的高速发展，作为光学镜片和LED衬底原材料的蓝宝石晶体市场需求加剧，而尤以占市场份额70%的泡生法工艺生产的蓝宝石晶体为主。英杰电气根据蓝宝石的生长特性，运用长期积累的电源生产经验精心设计，生产宝石炉专用高稳定电源，使用大功率IGBT模块或晶闸管模块制造。

 

 

图九：宝石炉电源

在玻璃纤维材料方面，根据玻璃纤维材料行业的特点，不断创新，推出贴近用户需求的系列化产品。采用全数字化晶闸管方案，具有恒温、恒压、恒流等多种控制方式，实现全有效值检测及输出。

 

 

图十：玻璃纤维专用电源应用现场

在铝箔化成与腐蚀方面，提供铝箔化成和腐蚀类电源，采用大功率晶闸管技术生产。

 

 

图十一：铝箔化成电源

七、结束语

新能源、新材料产业是一个蓬勃发展的新兴产业，作为国内最专业的电源研发生产企业之一，作为一家身处新能源、新材料产业发展高地的高新技术企业，英杰渴望与国内外优秀的装备制造厂商一道不懈努力，为中国的能源与材料事业做出贡献，让科技更好地为人类服务!。