浅谈我国电力电子变流设备的节能问题

我国电力电子技术形成独立学科的历史可以追溯到20世纪60年代，随着国产的第一只整流二极管的研制成功(1958年)标志着电力电子行业的诞生，到今已有近60年的发展历程，应当看到伴随着近60年电力电子技术的发展，大量电力电子变流设备的应用，使我国电工电气行业的节能技术取得了长足的进步，但应当看到，我国是京都议定书缔约国，世界控制温室气体排放组织分配的指标，我国节能减排问题，仍然形势严峻且任重道远，本文结合作者多年的工作体会，浅析电力电子行业节能的基本问题，探讨电力电子行业节能的发展趋势及战略。 
二、电力电子技术进步对电气节能的较大历史贡献
我国电力电子技术行业从无到有，从弱到强，如今已在国民经济中占有不可忽视的地位，国家相继在“八五”、“九五”及“十五”和“十一五”国民经济发展计划中都把电力电子技术列为重点发展领域。伴随着电力电子技术中基础学科——电力电子器件的不断进步，我国电力电子行业为电气设备节能做了以下较为重要的贡献。
1、以静止变流器取代了水银整流器和旋转变流机组，将原获得直流系统的效率提高了近30%
在以电力半导体器件作为主功率器件获得直流的技术获得突破之前，人类为了获得直流不得不应用水银整流器或旋转变流机组，这种系统前者占地面积巨大，效率低下，存在污染，后者由交流电动机、直流发电机、励磁放大机等多个电机组成多电机系统，效率仅60～70%，使用了以电力半导体器件构成的静止整流器后，系统的效率提高了近30%，节约电能的效果明显，更难能可贵的是降低了运行噪音，减少了占地面积。
2、晶闸管直流调速的普及与推广，将旋转变流的直流调速系统，改为静止变流器供电，节能效果显著
在晶闸管可控整流技术获得突破之前，大量使用直流调速的场合，采用以交流电动机拖动直流发电机，直流发电机向被调速直流电动机供电，通过使用交磁放大机调节直流发电机的励磁电压来改变发电机的电压，进行直流电动机的电枢调压调速，系统效率一般最高不超过80%，且调节缓慢，调速精度差，20世纪70年代至80年代初，伴随着晶闸管应用技术的成熟，直流调速系统改变为晶闸管---电动机系统，以晶闸管可控整流代替了原用的直流发电机系统，将五个电机系统改为一个晶闸管整流器与一个电动机系统，使效率提高了近30%，促进轧钢厂、冶金厂等行业使用的电动机供电模式焕然一新。记得1983年大学毕业前在上海第十钢铁厂实习，该厂五连轧机共有22个主电机，在改为晶闸管可控整流供电之前，采用旋转变流系统应用电动机累计近100台，运行噪音高达近160dB，全部改为晶闸管供电和调节后，系统的旋转电机仅剩余了22个，运行噪音降至80dB以内。
3、交流调速技术的大范围应用更加推进了我国电气节能技术的进步
20世纪80年代末至今，随着交流调速技术的不断深化和进步，我国各行业的直流电动机调速系统被交流调速系统所取代，电流型、电压型变频调速，多电平变频技术百家争鸣，不但促进了我国这些行业的技术进步，而且使大量能源获得节约，提高了设备运行的可靠性、方便性，挤占并取代了直流电动机的应用空间，使直流调速的应用范围逐日减少。
4、感应加热中频技术推动了冶金熔炼设备的节能与进步
在晶闸管感应加热中频电源研制成功之前，国内加热炉等行业多用电阻炉或中频机组，1975年我国首台晶闸管感应加热中频电源在西安电力整流器厂研制成功，近40年来，随着技术的不断进步，我国感应加热中频电源，应用主功率器件已从最初的单一晶闸管器件扩容为晶闸管、IGBT、MOSFET等，其单台最大功率也从几十千瓦达到6000kW，输出频率覆盖了100Hz～50kHz的极宽范围，满足了不同行业及不同领域的使用需要，节能效果明显!
5、直流电源高频开关化节能效果巨大
全控型电力电子器件的发明与完善及不断升级，奠定了开关电源的器件基础，逐步取代了在国民经济各部门使用量大面广的各种线性电源，更促使了电力电子变流装置自身控制电源的升级换代，使变频器等场合使用线性电源带来的断电保护难题应刃而解，由于开关电源不存在线性电源因调整管上压降大的严重热损耗，不但将运行效率提高了近30%，而且体积与重量输出容量的不同较原线性电源缩小了近30～80%，重量也减轻了近30～90%，既实现了电能的节约，又减小了原材料的消耗。 
三、我国电力电子变流设备实施进一步节能的瓶颈问题
尽管我国电力电子技术的进步对电气节能已做出了巨大贡献，几十年来在节能方面也取得了众多国家级成果，但仍有巨大的潜力可控，概括这些年从事电力电子产品开发，生产与销售的体会，我认为限制我国电力电子变流设备产品进一步节能的瓶颈有以下几个方面：
1、纯粹的价格竞争导致新投运的电力电子变流设备能耗指标不但未降，总体反而有升
我国国民经济体制改革早已从单一的计划经济向多元化体制进步，但还远未达到100%的市场化，现在几乎所有电力电子变流设备装置的使用单位，对单套设备价格高于10万(有的单位为5万)都实施招标采购，政绩、资金条件、成本及评标人员专业知识面的限制，导致众多单位往往以最低价作为中标条件，电力电子变流设备生产厂家恶意价格竞争，想方设法降低原材料使用量，特别是铜材的使用量，而加强冷却，使许多原成标准的东西反而向高耗方向变化，如原电解整流的电力电子变流设备，输出铜母线单位截面电流密度不高于1、2A/mm2，现有的都使用到1、5～2A/mm2，原使用自冷的现多用油冷，强油水冷或纯粹水冷，耗电惊人。
2、市场准入不严格原材料供应为运行节能埋下隐患
由于电力电子行业中除电力电子器件为标准件，有国家规范的标准系列，实行生产许可证制度外，电力电子变流设备属特种电源，各使用单位一般按工程需求设计选型，进行参数采购，多有不同要求，所以对这种特种产品国家未实行许可证制度，国家为扩大就业搞活市场对企业输注册手续又很方便，从而造成了从事电力电子变流设备生产的单位鱼龙混杂，造成唯一一个职工的单位也有存在，这些单位因管理、设计、服务难以保障，在行业内拼命砸价，多以低于成本价获得同合，然后偷工减料，以小代大，以次充好，以铝代铜，造就了国内电力电子行业的配套件母线从纯粹的紫铜99、9%变为掺杂铜材——铜包铝——铝材过渡，且这些浪费电能严重的游击队式公司因价格特低，迎合了私营企业或有的国企价格最低中标之心里，在招标中中标的概率反而还特大，对电力电子行业的节能降耗带来了十分不利的影响。
3、特种电力电子变流设备的检测手段与标准欠缺不利于电力电子变流设备节能降耗
由于电力电子变流设备多为单台或单套式生产和研制，国家没有强制标准可依，使用单位又无很好的检测手段，甚至国家级质检部门或检测中心也缺乏真正能准确测量的仪器仪表，而无法确实监管其节能指标，使生产企业不从根本上去努力设计改造工艺，而是以如何节约原材料，满足能使用为原则去生产，导致这些电力电子变流设备投入运行后耗能严重，增加了使用单位的运行费用。
4、满足监测电力电子变流设备工作的准确仪表缺乏，使节能判据变的弹性化
我国从事电力电子变流技术的历史已近50多年，但由于我国电网容量相对使用需求仍然不是十分大，大量的电力电子变流设备不断投入使用，已影响了我国电网的供电质量，电网谐波含量已不能不引起重视，功率因数总体偏低是基本事实，特别是电力电子变流设备工作时，其从电网获得工作电流与电压是非正弦波的，而我们的很多仪表及算法是按正弦波工作来设计与演算的，造成用电或节能指标测量值与实际真有误差，使判据非刚性化，例如我们用户中有一个电解厂，该厂按产品成品的统计反推消耗电能与供电量，闹出了直接结果为实际用电量大而电网供电量小的大笑话，再如我们的用户使用国内定点的开关柜用微机保护模块，其对同一系统的功率因数和电流的测量值差别甚大。
5、急于追求效益影响了节能技术研发的进步
我国经济体制改革，使除政府机关与少部分事业单位国家财政全额拨款外，其余的研究单位几乎全改制为公司与企业，从而参与了与工厂的产品市场竞争，为首先解决生存与吃饭问题，几乎所有这些改制单位都以经济效益为先，相对在研究与开发上的投入远低于计划经济时期，从而导致以目前利益，短期效益为重，忽略了开发与技术储备式的开发，影响了我国节能技术开发的进步，更延缓了节能技术的储备。
6、点亮工程与面子工程电能浪费严重
重视政绩与面子工程的考核，使国内城镇一味的追求漂亮，美化市容，贪大求洋，甚至许多地区连山头与夜间罕有人至的铁路旁、开发区街道都装上了大功率照明灯具，且长明灯灯火通明、浪费电能惊人严重。
7、条块分割式的管理不利于能源的整体优化与合理充分利用
由于我国人口众多，资源相对不算富裕，如何将有限的资源用在需求的地方，是个需要长期研究和探索的问题，现在管理体制上条块分割比较明显，发电企业只讲究自己的发电量与发电成本，供电部门只追求自己的售电成本，以致协调难度很大造成用电高峰的夏季及冬季电煤供应不上，电煤价涨，发电厂便不愿多发电，用电低谷因使用量骤降，发电厂减机少发，造成煤价下降，电煤销路不畅，特别是为完成国务院的节能减排指标，竟然有的地区不对点亮工程及面子工程中的电能浪费进行杜绝，反而到年底以各种理由强行拉闸限电，出现了该节约的未节约，该供的电为完成年终节能减排考核，而被一人命令断电，这种节能指标是以牺牲工业企业及居民正常生活为代价，根本不是真正意义上的节能。
8、绿色能源关键核心技术国产化程度太低不利长久节能
据统计截止2011年，我国太阳能发电装机容量居世界第2位，风电装机容量为世界第2位，但关键核心变流技术，国内还处于研发与小批量实验阶段，实际可靠工作及投入工业化运行的控制系统仍然清一色依靠进口，所以维护成本昂贵，给长期的效益及节能减排带 来了很大的制约，限制了风电与太阳能发电技术的大面积推广和普及。 
四、关于利用电力电子技术节能战略的思考
根据以上分析，我国电力电子技术节能大有可为，建议行业在以下几个方面有所作为与突破。
1、理顺发供用电三者的管理关系，合理电价解决供需矛盾
政府有关电力管理部门应研究措施，使发供用电三者之间各自的利益充分兼顾结合，从根本上解决用电高峰期少发电或供不上，而用电低谷时，发电量不能用完的问题，这是一个很大的系统工程，涉及面广，单位众多，工作量甚大，需下大决心强力推进。
2、尽快完善电力电子变流设备节能强制标准，促进产品性能升级
建议政府及技术监督部门加大办度投入，起草电力电子变流设备节能指标的强制执行标准，推广电力电子变流设备能效标志，对电力电子变流设备生产企业实行许可证制度，提高准入门槛，淘汰以低劣技术服务于低价扰乱市场的垃圾企业。
3、加大电力电子变流设备原材料生产企业的监管，严把关键原材料生产与销售关
对电力电子变流设备中应用的铜母线及散热器和电力电子器件实行追踪控制，实行许可证制度，加大查处力度，净化原材料供应市场，淘汰以次充好，劣质生产原材料的企业。
4、发挥行业协会的作用与职能，加强行业自律，避免恶劣的自杀式降价
建议我国电力电子行业协会加大与其他行业协会的沟通与交流，监督本行业内企业的自律约束，制定电力电子变流设备最低限价，定期向社会公布恶意低于成本销售产品，以次充好，偷工换料，以小拖大的企业名单，淘汰劣质企业。
5、发挥学会的技术人才优势，参于用户的招标咨询及服务
由于学会有众多的人才优势，对行业的发展优先知晓，应充分发挥此特长优势，加大对使用电力电子变流设备企业的技术咨询及培训服务，确保低档次产品或质量无保证的劣质产品不被使用企业选用，从电力电子变流设备的招标采购源头上杜绝劣质产品及劣质企业参于市场。
6、加大开发研制力度，尽快开发完善可在存在谐波场合使用的准确测量仪表
吸收国外先进的仪器仪表技术，组建专业团队，研发可在有谐波环境中准确测量电气参数的测量仪表，为使用单位和监管部门提供准确的测量检测手段，缩小与发达国家的差距。
7、推广国家电网谐波标准，并严格其谐波性能要求净化电网
我国现行关于谐波管理的强制国家标准GB/T14536-1993，是1993年颁布实施的，到今已有十年的历史，这一标准对注入电网的谐波要求远远低于国外发达国家，同时应看到许多地区为局部经济发展需要，对这一标准的执行要求较松，这就要求一则加大该标准的贯彻力度，同时应研制编写新的国家替代标准，把注入电网的谐波值降至最低，确实实现电网的绿色化，降低因谐波引起的附加损耗与电网供电事故。
8、加大绿色可再生能源技术的研发力度，增强该部分能源在总供电量容量中的比重
政府与供发电企业着力加大风电、太阳能、潮汐、地热、农业秸秆等发电设备及关键核心技术的研究与工业化应用技术开发的投入和支持力度，打破依赖进口的被动局面，着力发展清洁能源，对太阳能、风电、潮汐、地热、农业秸杆等发电企业及用电企业实现政府补贴，推动这些领域的快速发展，这不但有利于促进我国能源成略的结构调整，而且可帮助我国与该产业有关的上下游企业走出困境，使他们摆脱单纯依赖出口的局面。
9、开发大功率高强度LED照明灯具，以最短时间完成全国照明行业的升级换代
据不完全统计，我国发电量的35%消耗于照明负荷，LED灯具有寿命长，耗电省等优良性能，但目前其照度还达不到荧光灯的效果，国家应制定标准，并立法限期更新照明灯具，其前提自然是LED灯的照度要达到荧光灯的照亮效果。
10、研发新型高效发配供电设备，特别是变压器、开关柜、输电线、降低线路损耗
应强力提高最小功率因数国家标准和国家发、供配电设备高效标准，更加提高输电电路高压等级(比如750kV输电)减小输变电过程中的损耗，实现高效发、输变用电策略。
11、强制淘汰低效耗能电动机，提高用电效率
我国发电理的65%消耗于电动机负荷，由于电动机是一个耐用机械设备，有的行业或企业，一台电动机往往使用几十年，国家应强制实行电动机报废换新，可考虑以旧换新制度，研发高效节能电机，以及稀土电机，着力推行高效节能环保电机，从国家战略节约电能的消耗。
12、研制分散式小型就地发电和储能电站系统，收集动能，重力能量发电，解决商场，停车场等用电的自给自足问题
我国的基本国情是人口众多，城市中人口密集区人流量大，可考虑研制重力作用的小型发电机，利用人流动时的重力发电，经变换后作为商场自身的照明电源，市电只作为人流少时的补充，类似的概念也可推广到停车场等场合。
13、加大新型电力电子器件的研发投入，促进电力电子变流设备中电力电子器件的更新换代
电力半导体器件目前仍以硅材料为主，受硅自身物理特性的限制，其器件自身性能的再提高和扩大容量困难十分大，所以应加大新型电力电子器件的研发力度和投入，使以碳化硅、砷化镓、金刚石等为基础材料的电力电子器件，以最短的时间工业化生产和扩大单体容量，从而降低电力电子变流设备运行时因功率开关器件自身压降引起的附加损耗，改变电力电子变流设备中以硅材料器件唱独角戏的局面。
14、研制新型变流电路的拓扑结构，着力提高巨型(特大型)电力电子变流设备的运行效率
巨型(特大型)电力电子变流设备多指同时输出电流上万安培，输出电压几十伏以上的电力电子变流设备，这些电力电子变流设备多用于冶金化工、有色金属熔炼等场合，属高耗能的电力电子变流设备，自从20世纪80年代至今，其主电路拓扑结构一直随输出电流和电压值的不同，而沿用双反星形、三相桥、双反星形同相逆并联、三相桥式同相逆并联四种基本基础结构，30多年来几乎没有多大的变化，由于输出电流大，电压高，涡流损耗，磁场损耗等较为严重，电力电子行业应加大主电路拓扑结构的研究，这对节约能耗降低损耗有极为重要的作用和意义。 
五、结论
综上，我们可得以下结论：我国电力电子变流设备的节能技术发展落后于国民经济发展需要，节能潜力巨大，更可观的节能效果之获得不但涉及到技术问题、行业，而且需与政府职能，管理体制，宏观调控等众多方面结合起来，是一个十分复杂的系统工程。千里之行，始于足下，让我们的同仁们从自身做起，加倍努力，我们坚信，我们的明天会更美好，让我们张开双臂等待并拥抱我国电力电子变流设备行业一个崭新的节能时代之到来!