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電力電子行業(yè)總體概述及發(fā)展情況未來發(fā)展趨勢(shì)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 愛科賽博    2023-06-26

電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)采用功率半導(dǎo)體器件、電磁/電容等功率元件，運(yùn)用電氣、控制、電子信息等理論和技術(shù)，將一次能源電能高效率、高質(zhì)量、高可靠性地變換成交流、直流、脈沖等電能形式，實(shí)現(xiàn)電能時(shí)空變換（時(shí)間分布：恒定、交變、脈沖；空間分布：集中、分散、網(wǎng)絡(luò)化），是光伏儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、航空航天、軌道交通、科研試驗(yàn)、電力配網(wǎng)、特種裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵支撐技術(shù)，無論對(duì)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)還是發(fā)展高新技術(shù)，均有不可或缺的重要作用。

電力電子技術(shù)和產(chǎn)品是電力能源領(lǐng)域的關(guān)鍵器件和核心支撐，電力能源領(lǐng)域是目前綠色減碳技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一，承載著率先實(shí)現(xiàn)碳中和與零排放的任務(wù)和期望。根據(jù)中國電源行業(yè)年鑒，我國電力能源的消耗占總能源消耗近 55%，其中約 70%的電能是通過電力電子設(shè)備處理后使用的，據(jù)預(yù)測(cè)未來這一比例將增至 90%以上。近年來，我國電力電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，支撐的電源產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)規(guī)模位居全球第一，年直接產(chǎn)值超過 3,300億元、間接產(chǎn)值超過 1.2 萬億元。

（2）所屬行業(yè)在新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式等方面的發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢(shì)

①高頻化：提高電力電子設(shè)備的開關(guān)頻率，可以有效地減小設(shè)備的體積和重量。另外，可以采用高頻隔離，去掉笨重的工頻隔離變壓器，從而進(jìn)一步減小設(shè)備的體積和重量，并且消除變壓器和電感的噪聲，同時(shí)改善設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。尤其是第三代功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，為高頻化提供了器件基礎(chǔ)。

與硅基材料相比，以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料的耐高壓、耐高溫、高頻和高熱導(dǎo)率性能更好。極大地提高了 MOSFET、IGBT 等功率器件的工作頻率以及耐壓容量、耐高溫性能，可以極大提高設(shè)備的功率密度和綜合性能。

②模塊化：模塊化技術(shù)是電力電子設(shè)備的重要發(fā)展趨勢(shì)，通過采用多個(gè)較小容量的模塊化產(chǎn)品任意組合成一個(gè)較大容量的產(chǎn)品，可以提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。模塊化具體包括功率器件的模塊化和功能單元的模塊化。功率器件的模塊化是將變換器功率電路直接焊接在印制電路板或陶瓷基板封裝成通用或?qū)Ｓ媚K。

功能單元的模塊化是將具有完整功能的電路通過標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化的結(jié)構(gòu)組裝成一體，形成的功能單元模塊或組件，通過陣列式多級(jí)串并聯(lián)，可以組成整機(jī)設(shè)備或系統(tǒng)，將模塊組件的容量增加幾倍甚至十幾倍，使單一類型模塊實(shí)現(xiàn)容量及功能的多樣化，無需針對(duì)特定功率需求進(jìn)行重復(fù)開發(fā)或單獨(dú)設(shè)立產(chǎn)線，減小設(shè)備生產(chǎn)商的產(chǎn)品開發(fā)成本。

③高性能：高性能主要指電力電子設(shè)備輸出特性的高性能，具體體現(xiàn)在：穩(wěn)壓性能好、波形質(zhì)量高、瞬態(tài)響應(yīng)特性好和電壓調(diào)制小等。設(shè)備的性能直接影響到下游客戶設(shè)備的技術(shù)特性，部分行業(yè)領(lǐng)域的客戶設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)要求極高。例如加速器中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)對(duì)于對(duì)電源的精度提出極高的要求，需要高精度、低紋波、高穩(wěn)定度、高效節(jié)能的電源產(chǎn)品。

而在測(cè)試電源領(lǐng)域，客戶在研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品精細(xì)化測(cè)試要求的提高，如新能源汽車電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、電控系統(tǒng)向高功率密度、高電壓、大功率等方向發(fā)展，促使測(cè)試電源產(chǎn)品持續(xù)升級(jí)。目前，科研試驗(yàn)、新能源測(cè)試等領(lǐng)域?qū)﹄娫串a(chǎn)品的輸出電壓、電流精度要求從千分之五提升到千分之一、萬分之五甚至更高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間從幾十毫秒級(jí)縮短到幾毫秒級(jí)甚至一毫秒以下。

④智能化：數(shù)字化和智能化貫穿于電力電子設(shè)備的控制、檢測(cè)與通信過程中，全數(shù)字化控制及智能化控制通過可編程芯片實(shí)現(xiàn)針對(duì)設(shè)備閉環(huán)反饋控制回路的數(shù)字化控制，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一參數(shù)模擬控制，如根據(jù)輸入電壓和負(fù)載及環(huán)境溫度的變化靈活設(shè)置不同的閉環(huán)反饋控制參數(shù)來提升設(shè)備的綜合性能和可靠性；同時(shí)，也可對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)控，如電流、電壓、溫度等狀態(tài)參數(shù)的數(shù)字化監(jiān)控，過壓、過流及過溫等故障信號(hào)的上報(bào)，以及上位機(jī)對(duì)設(shè)備的開關(guān)機(jī)指令等。

采用全數(shù)字化技術(shù)可有效縮小設(shè)備體積、降低生產(chǎn)成本、提高對(duì)用戶需求的匹配性和易用性。還可以實(shí)現(xiàn)如自學(xué)習(xí)、自調(diào)試等新功能，設(shè)備可以訪問本地?cái)?shù)據(jù)庫自主解決簡(jiǎn)單的故障，并自主學(xué)習(xí)更新數(shù)據(jù)庫，另外還可支持遠(yuǎn)程維護(hù)。

⑤綠色環(huán)保：電力電子設(shè)備是新能源發(fā)電和電力能源優(yōu)化高效使用的基礎(chǔ)裝備，其大量使用是助力綠色環(huán)保、減少污染的利器；另一方面設(shè)備本身也需采用更加綠色環(huán)保的技術(shù)，例如采用功率因數(shù)校正等技術(shù)提高輸入功率因數(shù)，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染，降低無功損耗和容量占用；采用更高效率的變換器，降低自身損耗，減少電能消耗。

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