本文分析了我國電力電子變流設備節(jié)能的基本問題，探討了變流設備節(jié)能的瓶頸所在，進而提出了有關電力電子變流設備節(jié)能技術發(fā)展的建議和戰(zhàn)略。
一、引言
我國電力電子技術形成獨立學科的歷史可以追溯到20世紀60年代，隨著國產(chǎn)的第一只整流二極管的研制成功(1958年)標志著電力電子行業(yè)的誕生，到今已有近60年的發(fā)展歷程，應當看到伴隨著近60年電力電子技術的發(fā)展，大量電力電子變流設備的應用，使我國電工電氣行業(yè)的節(jié)能技術取得了長足的進步，但應當看到，我國是京都議定書締約國，世界控制溫室氣體排放組織分配的指標，我國節(jié)能減排問題，仍然形勢嚴峻且任重道遠，本文結(jié)合作者多年的工作體會，淺析電力電子行業(yè)節(jié)能的基本問題，探討電力電子行業(yè)節(jié)能的發(fā)展趨勢及戰(zhàn)略。
二、電力電子技術進步對電氣節(jié)能的較大歷史貢獻
我國電力電子技術行業(yè)從無到有，從弱到強，如今已在國民經(jīng)濟中占有不可忽視的地位，國家相繼在“八五”、“九五”及“十五”和“十一五”國民經(jīng)濟發(fā)展計劃中都把電力電子技術列為重點發(fā)展領域。伴隨著電力電子技術中基礎學科——電力電子器件的不斷進步，我國電力電子行業(yè)為電氣設備節(jié)能做了以下較為重要的貢獻。
1.以靜止變流器取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，將原獲得直流系統(tǒng)的效率提高了近30%
在以電力半導體器件作為主功率器件獲得直流的技術獲得突破之前，人類為了獲得直流不得不應用水銀整流器或旋轉(zhuǎn)變流機組，這種系統(tǒng)前者占地面積巨大，效率低下，存在污染，后者由交流電動機、直流發(fā)電機、勵磁放大機等多個電機組成多電機系統(tǒng)，效率僅60～70%，使用了以電力半導體器件構(gòu)成的靜止整流器后，系統(tǒng)的效率提高了近30%，節(jié)約電能的效果明顯，更難能可貴的是降低了運行噪音，減少了占地面積。
2.晶閘管直流調(diào)速的普及與推廣，將旋轉(zhuǎn)變流的直流調(diào)速系統(tǒng)，改為靜止變流器供電，節(jié)能效果顯著
在晶閘管可控整流技術獲得突破之前，大量使用直流調(diào)速的場合，采用以交流電動機拖動直流發(fā)電機，直流發(fā)電機向被調(diào)速直流電動機供電，通過使用交磁放大機調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電壓來改變發(fā)電機的電壓，進行直流電動機的電樞調(diào)壓調(diào)速，系統(tǒng)效率一般最高不超過80%，且調(diào)節(jié)緩慢，調(diào)速精度差，20世紀70年代至80年代初，伴隨著晶閘管應用技術的成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)改變?yōu)榫чl管---電動機系統(tǒng)，以晶閘管可控整流代替了原用的直流發(fā)電機系統(tǒng)，將五個電機系統(tǒng)改為一個晶閘管整流器與一個電動機系統(tǒng)，使效率提高了近30%，促進軋鋼廠、冶金廠等行業(yè)使用的電動機供電模式煥然一新。記得1983年大學畢業(yè)前在上海第十鋼鐵廠實習，該廠五連軋機共有22個主電機，在改為晶閘管可控整流供電之前，采用旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)應用電動機累計近100臺，運行噪音高達近160dB，全部改為晶閘管供電和調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機僅剩余了22個，運行噪音降至80dB以內(nèi)。
3.交流調(diào)速技術的大范圍應用更加推進了我國電氣節(jié)能技術的進步
20世紀80年代末至今，隨著交流調(diào)速技術的不斷深化和進步，我國各行業(yè)的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代，電流型、電壓型變頻調(diào)速，多電平變頻技術百家爭鳴，不但促進了我國這些行業(yè)的技術進步，而且使大量能源獲得節(jié)約，提高了設備運行的可靠性、方便性，擠占并取代了直流電動機的應用空間，使直流調(diào)速的應用范圍逐日減少。
4.感應加熱中頻技術推動了冶金熔煉設備的節(jié)能與進步
在晶閘管感應加熱中頻電源研制成功之前，國內(nèi)加熱爐等行業(yè)多用電阻爐或中頻機組，1975年我國首臺晶閘管感應加熱中頻電源在西安電力整流器廠研制成功，近40年來，隨著技術的不斷進步，我國感應加熱中頻電源，應用主功率器件已從最初的單一晶閘管器件擴容為晶閘管、IGBT、MOSFET等，其單臺最大功率也從幾十千瓦達到6000kW，輸出頻率覆蓋了100Hz～50kHz的極寬范圍，滿足了不同行業(yè)及不同領域的使用需要，節(jié)能效果明顯!
5.直流電源高頻開關化節(jié)能效果巨大
全控型電力電子器件的發(fā)明與完善及不斷升級，奠定了開關電源的器件基礎，逐步取代了在國民經(jīng)濟各部門使用量大面廣的各種線性電源，更促使了電力電子變流裝置自身控制電源的升級換代，使變頻器等場合使用線性電源帶來的斷電保護難題應刃而解，由于開關電源不存在線性電源因調(diào)整管上壓降大的嚴重熱損耗，不但將運行效率提高了近30%，而且體積與重量輸出容量的不同較原線性電源縮小了近30～80%，重量也減輕了近30～90%，既實現(xiàn)了電能的節(jié)約，又減小了原材料的消耗。
三、我國電力電子變流設備實施進一步節(jié)能的瓶頸問題
盡管我國電力電子技術的進步對電氣節(jié)能已做出了巨大貢獻，幾十年來在節(jié)能方面也取得了眾多國家級成果，但仍有巨大的潛力可控，概括這些年從事電力電子產(chǎn)品開發(fā)，生產(chǎn)與銷售的體會，我認為限制我國電力電子變流設備產(chǎn)品進一步節(jié)能的瓶頸有以下幾個方面：
1.純粹的價格競爭導致新投運的電力電子變流設備能耗指標不但未降，總體反而有升
我國國民經(jīng)濟體制改革早已從單一的計劃經(jīng)濟向多元化體制進步，但還遠未達到100%的市場化，現(xiàn)在幾乎所有電力電子變流設備裝置的使用單位，對單套設備價格高于10萬(有的單位為5萬)都實施招標采購，政績、資金條件、成本及評標人員專業(yè)知識面的限制，導致眾多單位往往以最低價作為中標條件，電力電子變流設備生產(chǎn)廠家惡意價格競爭，想方設法降低原材料使用量，特別是銅材的使用量，而加強冷卻，使許多原成標準的東西反而向高耗方向變化，如原電解整流的電力電子變流設備，輸出銅母線單位截面電流密度不高于1.2A/mm2，現(xiàn)有的都使用到1.5～2A/mm2，原使用自冷的現(xiàn)多用油冷，強油水冷或純粹水冷，耗電驚人。
2.市場準入不嚴格原材料供應為運行節(jié)能埋下隱患
由于電力電子行業(yè)中除電力電子器件為標準件，有國家規(guī)范的標準系列，實行生產(chǎn)許可證制度外，電力電子變流設備屬特種電源，各使用單位一般按工程需求設計選型，進行參數(shù)采購，多有不同要求，所以對這種特種產(chǎn)品國家未實行許可證制度，國家為擴大就業(yè)搞活市場對企業(yè)輸注冊手續(xù)又很方便，從而造成了從事電力電子變流設備生產(chǎn)的單位魚龍混雜，造成唯一一個職工的單位也有存在，這些單位因管理、設計、服務難以保障，在行業(yè)內(nèi)拼命砸價，多以低于成本價獲得同合，然后偷工減料，以小代大，以次充好，以鋁代銅，造就了國內(nèi)電力電子行業(yè)的配套件母線從純粹的紫銅99.9%變?yōu)閾诫s銅材——銅包鋁——鋁材過渡，且這些浪費電能嚴重的游擊隊式公司因價格特低，迎合了私營企業(yè)或有的國企價格最低中標之心里，在招標中中標的概率反而還特大，對電力電子行業(yè)的節(jié)能降耗帶來了十分不利的影響。
3.特種電力電子變流設備的檢測手段與標準欠缺不利于電力電子變流設備節(jié)能降耗
由于電力電子變流設備多為單臺或單套式生產(chǎn)和研制，國家沒有強制標準可依，使用單位又無很好的檢測手段，甚至國家級質(zhì)檢部門或檢測中心也缺乏真正能準確測量的儀器儀表，而無法確實監(jiān)管其節(jié)能指標，使生產(chǎn)企業(yè)不從根本上去努力設計改造工藝，而是以如何節(jié)約原材料，滿足能使用為原則去生產(chǎn)，導致這些電力電子變流設備投入運行后耗能嚴重，增加了使用單位的運行費用。
4.滿足監(jiān)測電力電子變流設備工作的準確儀表缺乏，使節(jié)能判據(jù)變的彈性化
我國從事電力電子變流技術的歷史已近50多年，但由于我國電網(wǎng)容量相對使用需求仍然不是十分大，大量的電力電子變流設備不斷投入使用，已影響了我國電網(wǎng)的供電質(zhì)量，電網(wǎng)諧波含量已不能不引起重視，功率因數(shù)總體偏低是基本事實，特別是電力電子變流設備工作時，其從電網(wǎng)獲得工作電流與電壓是非正弦波的，而我們的很多儀表及算法是按正弦波工作來設計與演算的，造成用電或節(jié)能指標測量值與實際真有誤差，使判據(jù)非剛性化，例如我們用戶中有一個電解廠，該廠按產(chǎn)品成品的統(tǒng)計反推消耗電能與供電量，鬧出了直接結(jié)果為實際用電量大而電網(wǎng)供電量小的大笑話，再如我們的用戶使用國內(nèi)定點的開關柜用微機保護模塊，其對同一系統(tǒng)的功率因數(shù)和電流的測量值差別甚大。
5.急于追求效益影響了節(jié)能技術研發(fā)的進步
我國經(jīng)濟體制改革，使除政府機關與少部分事業(yè)單位國家財政全額撥款外，其余的研究單位幾乎全改制為公司與企業(yè)，從而參與了與工廠的產(chǎn)品市場競爭，為首先解決生存與吃飯問題，幾乎所有這些改制單位都以經(jīng)濟效益為先，相對在研究與開發(fā)上的投入遠低于計劃經(jīng)濟時期，從而導致以目前利益，短期效益為重，忽略了開發(fā)與技術儲備式的開發(fā)，影響了我國節(jié)能技術開發(fā)的進步，更延緩了節(jié)能技術的儲備。
6.點亮工程與面子工程電能浪費嚴重
重視政績與面子工程的考核，使國內(nèi)城鎮(zhèn)一味的追求漂亮，美化市容，貪大求洋，甚至許多地區(qū)連山頭與夜間罕有人至的鐵路旁、開發(fā)區(qū)街道都裝上了大功率照明燈具，且長明燈燈火通明、浪費電能驚人嚴重。
7.條塊分割式的管理不利于能源的整體優(yōu)化與合理充分利用
由于我國人口眾多，資源相對不算富裕，如何將有限的資源用在需求的地方，是個需要長期研究和探索的問題，現(xiàn)在管理體制上條塊分割比較明顯，發(fā)電企業(yè)只講究自己的發(fā)電量與發(fā)電成本，供電部門只追求自己的售電成本，以致協(xié)調(diào)難度很大造成用電高峰的夏季及冬季電煤供應不上，電煤價漲，發(fā)電廠便不愿多發(fā)電，用電低谷因使用量驟降，發(fā)電廠減機少發(fā)，造成煤價下降，電煤銷路不暢，特別是為完成國務院的節(jié)能減排指標，竟然有的地區(qū)不對點亮工程及面子工程中的電能浪費進行杜絕，反而到年底以各種理由強行拉閘限電，出現(xiàn)了該節(jié)約的未節(jié)約，該供的電為完成年終節(jié)能減排考核，而被一人命令斷電，這種節(jié)能指標是以犧牲工業(yè)企業(yè)及居民正常生活為代價，根本不是真正意義上的節(jié)能。
8.綠色能源關鍵核心技術國產(chǎn)化程度太低不利長久節(jié)能
據(jù)統(tǒng)計截止2011年，我國太陽能發(fā)電裝機容量居世界第2位，風電裝機容量為世界第2位，但關鍵核心變流技術，國內(nèi)還處于研發(fā)與小批量實驗階段，實際可靠工作及投入工業(yè)化運行的控制系統(tǒng)仍然清一色依靠進口，所以維護成本昂貴，給長期的效益及節(jié)能減排帶 來了很大的制約，限制了風電與太陽能發(fā)電技術的大面積推廣和普及。
四、關于利用電力電子技術節(jié)能戰(zhàn)略的思考
根據(jù)以上分析，我國電力電子技術節(jié)能大有可為，建議行業(yè)在以下幾個方面有所作為與突破。
1.理順發(fā)供用電三者的管理關系，合理電價解決供需矛盾
政府有關電力管理部門應研究措施，使發(fā)供用電三者之間各自的利益充分兼顧結(jié)合，從根本上解決用電高峰期少發(fā)電或供不上，而用電低谷時，發(fā)電量不能用完的問題，這是一個很大的系統(tǒng)工程，涉及面廣，單位眾多，工作量甚大，需下大決心強力推進。
2.盡快完善電力電子變流設備節(jié)能強制標準，促進產(chǎn)品性能升級
建議政府及技術監(jiān)督部門加大辦度投入，起草電力電子變流設備節(jié)能指標的強制執(zhí)行標準，推廣電力電子變流設備能效標志，對電力電子變流設備生產(chǎn)企業(yè)實行許可證制度，提高準入門檻，淘汰以低劣技術服務于低價擾亂市場的垃圾企業(yè)。
3.加大電力電子變流設備原材料生產(chǎn)企業(yè)的監(jiān)管，嚴把關鍵原材料生產(chǎn)與銷售關
對電力電子變流設備中應用的銅母線及散熱器和電力電子器件實行追蹤控制，實行許可證制度，加大查處力度，凈化原材料供應市場，淘汰以次充好，劣質(zhì)生產(chǎn)原材料的企業(yè)。
4.發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的作用與職能，加強行業(yè)自律，避免惡劣的自殺式降價
建議我國電力電子行業(yè)協(xié)會加大與其他行業(yè)協(xié)會的溝通與交流，監(jiān)督本行業(yè)內(nèi)企業(yè)的自律約束，制定電力電子變流設備最低限價，定期向社會公布惡意低于成本銷售產(chǎn)品，以次充好，偷工換料，以小拖大的企業(yè)名單，淘汰劣質(zhì)企業(yè)。
5.發(fā)揮學會的技術人才優(yōu)勢，參于用戶的招標咨詢及服務
由于學會有眾多的人才優(yōu)勢，對行業(yè)的發(fā)展優(yōu)先知曉，應充分發(fā)揮此特長優(yōu)勢，加大對使用電力電子變流設備企業(yè)的技術咨詢及培訓服務，確保低檔次產(chǎn)品或質(zhì)量無保證的劣質(zhì)產(chǎn)品不被使用企業(yè)選用，從電力電子變流設備的招標采購源頭上杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品及劣質(zhì)企業(yè)參于市場。
6.加大開發(fā)研制力度，盡快開發(fā)完善可在存在諧波場合使用的準確測量儀表
吸收國外先進的儀器儀表技術，組建專業(yè)團隊，研發(fā)可在有諧波環(huán)境中準確測量電氣參數(shù)的測量儀表，為使用單位和監(jiān)管部門提供準確的測量檢測手段，縮小與發(fā)達國家的差距。
7.推廣國家電網(wǎng)諧波標準，并嚴格其諧波性能要求凈化電網(wǎng)
我國現(xiàn)行關于諧波管理的強制國家標準GB/T14536-1993，是1993年頒布實施的，到今已有十年的歷史，這一標準對注入電網(wǎng)的諧波要求遠遠低于國外發(fā)達國家，同時應看到許多地區(qū)為局部經(jīng)濟發(fā)展需要，對這一標準的執(zhí)行要求較松，這就要求一則加大該標準的貫徹力度，同時應研制編寫新的國家替代標準，把注入電網(wǎng)的諧波值降至最低，確實實現(xiàn)電網(wǎng)的綠色化，降低因諧波引起的附加損耗與電網(wǎng)供電事故。
8.加大綠色可再生能源技術的研發(fā)力度，增強該部分能源在總供電量容量中的比重
政府與供發(fā)電企業(yè)著力加大風電、太陽能、潮汐、地熱、農(nóng)業(yè)秸稈等發(fā)電設備及關鍵核心技術的研究與工業(yè)化應用技術開發(fā)的投入和支持力度，打破依賴進口的被動局面，著力發(fā)展清潔能源，對太陽能、風電、潮汐、地熱、農(nóng)業(yè)秸桿等發(fā)電企業(yè)及用電企業(yè)實現(xiàn)政府補貼，推動這些領域的快速發(fā)展，這不但有利于促進我國能源成略的結(jié)構(gòu)調(diào)整，而且可幫助我國與該產(chǎn)業(yè)有關的上下游企業(yè)走出困境，使他們擺脫單純依賴出口的局面。
9.開發(fā)大功率高強度LED照明燈具，以最短時間完成全國照明行業(yè)的升級換代
據(jù)不完全統(tǒng)計，我國發(fā)電量的35%消耗于照明負荷，LED燈具有壽命長，耗電省等優(yōu)良性能，但目前其照度還達不到熒光燈的效果，國家應制定標準，并立法限期更新照明燈具，其前提自然是LED燈的照度要達到熒光燈的照亮效果。
10.研發(fā)新型高效發(fā)配供電設備，特別是變壓器、開關柜、輸電線、降低線路損耗
應強力提高最小功率因數(shù)國家標準和國家發(fā)、供配電設備高效標準，更加提高輸電電路高壓等級(比如750kV輸電)減小輸變電過程中的損耗，實現(xiàn)高效發(fā)、輸變用電策略。
11.強制淘汰低效耗能電動機，提高用電效率
我國發(fā)電理的65%消耗于電動機負荷，由于電動機是一個耐用機械設備，有的行業(yè)或企業(yè)，一臺電動機往往使用幾十年，國家應強制實行電動機報廢換新，可考慮以舊換新制度，研發(fā)高效節(jié)能電機，以及稀土電機，著力推行高效節(jié)能環(huán)保電機，從國家戰(zhàn)略節(jié)約電能的消耗。
12.研制分散式小型就地發(fā)電和儲能電站系統(tǒng)，收集動能，重力能量發(fā)電，解決商場，停車場等用電的自給自足問題
我國的基本國情是人口眾多，城市中人口密集區(qū)人流量大，可考慮研制重力作用的小型發(fā)電機，利用人流動時的重力發(fā)電，經(jīng)變換后作為商場自身的照明電源，市電只作為人流少時的補充，類似的概念也可推廣到停車場等場合。
13.加大新型電力電子器件的研發(fā)投入，促進電力電子變流設備中電力電子器件的更新?lián)Q代
電力半導體器件目前仍以硅材料為主，受硅自身物理特性的限制，其器件自身性能的再提高和擴大容量困難十分大，所以應加大新型電力電子器件的研發(fā)力度和投入，使以碳化硅、砷化鎵、金剛石等為基礎材料的電力電子器件，以最短的時間工業(yè)化生產(chǎn)和擴大單體容量，從而降低電力電子變流設備運行時因功率開關器件自身壓降引起的附加損耗，改變電力電子變流設備中以硅材料器件唱獨角戲的局面。
14.研制新型變流電路的拓撲結(jié)構(gòu)，著力提高巨型(特大型)電力電子變流設備的運行效率
巨型(特大型)電力電子變流設備多指同時輸出電流上萬安培，輸出電壓幾十伏以上的電力電子變流設備，這些電力電子變流設備多用于冶金化工、有色金屬熔煉等場合，屬高耗能的電力電子變流設備，自從20世紀80年代至今，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)一直隨輸出電流和電壓值的不同，而沿用雙反星形、三相橋、雙反星形同相逆并聯(lián)、三相橋式同相逆并聯(lián)四種基本基礎結(jié)構(gòu)，30多年來幾乎沒有多大的變化，由于輸出電流大，電壓高，渦流損耗，磁場損耗等較為嚴重，電力電子行業(yè)應加大主電路拓撲結(jié)構(gòu)的研究，這對節(jié)約能耗降低損耗有極為重要的作用和意義。
五、結(jié)論
綜上，我們可得以下結(jié)論：我國電力電子變流設備的節(jié)能技術發(fā)展落后于國民經(jīng)濟發(fā)展需要，節(jié)能潛力巨大，更可觀的節(jié)能效果之獲得不但涉及到技術問題、行業(yè)，而且需與政府職能，管理體制，宏觀調(diào)控等眾多方面結(jié)合起來，是一個十分復雜的系統(tǒng)工程。千里之行，始于足下，讓我們的同仁們從自身做起，加倍努力，我們堅信，我們的明天會更美好，讓我們張開雙臂等待并擁抱我國電力電子變流設備行業(yè)一個嶄新的節(jié)能時代之到來!
