电力电子典型应用举例 2023年度能源行业十大科技创新成果

2023年度能源行业十大科技创新成果

一、大规模电力系统电磁暂态仿真平台

规模化电磁暂态仿真是掌握复杂大电网特性的重要手段。该项成果建立了大型电力系统基础仿真理论，实现了万节点级大型电力系统仿真从毫秒级到微秒级仿真的突破，解决了海量电力电子设备微秒级响应下系统稳定特性暂态仿真难题。成果应用于白鹤滩—江苏±800千伏特高压直流工程、广东电网目标网架工程等重大电网工程系统方案论证，有力支撑了大型清洁能源基地开发、大规模新能源外送和分布式新能源并网的规划设计和调度运行。

完成单位：国家电网

南方电网

二、高温气冷堆核电成套技术装备

高温气冷堆具有固有安全性好、发电效率高、环境适应性强等优势。该项成果形成了电磁轴承结构大功率主氦风机、高温气冷堆螺旋管式直流蒸汽发生器、球形燃料元件生产线等高温气冷堆关键技术装备。基于该项成果的全球首个球床模块式高温气冷堆核电站示范工程—华能石岛湾高温气冷堆核电站于2023年12月商运投产，标志着我国系统掌握了高温气冷堆设计、制造、建设、调试、运维技术，在第四代核电技术研发和应用领域达到世界领先水平。

完成单位：中国华能、清华大学、中核集团

三、150兆瓦水电机组大型冲击式转轮

冲击式水电机组是服务“加快西南水电基地建设”重大战略需求的关键技术装备，冲击式转轮是冲击式水电机组研发和制造难度最大的核心部件。该项成果实现了我国高水头大容量冲击式水电机组关键核心技术“从无到有”的突破。基于该项成果的国内首台单机容量最大功率150兆瓦级大型冲击式水电机组于2023年6月投运发电，标志着我国实现高水头大容量冲击式水电机组从设计、制造到运行的全面自主化。

完成单位：东方电气集团、川投集团

四、16兆瓦及以上超大容量海上风电机组成套装备

机组大型化是海上风电发展的显著趋势。该项成果攻克了16~18兆瓦海上风电机组超长柔性叶片、大型主轴轴承、高功率密度发电机等一系列关键技术难题。基于该项成果的全球首台16兆瓦中速永磁海上风电机组于2023年12月21日创造了单日发电量38.72万千瓦时的世界纪录，全球单机容量最大的18兆瓦直驱海上风电机组于2023年11月下线，标志着我国大兆瓦级海上风电整机自主研发设计能力再上新台阶。

完成单位：金风科技、三峡集团

东方电气集团

中船集团

明阳智能

五、50万吨/年燃煤电厂低成本碳捕集成套装置

煤电是保障我国能源电力安全稳定供应的“压舱石”。碳捕集、利用与封存（CCUS）是能够实现煤电清洁低碳发展的重要碳减排技术。该项成果系统掌握了煤电大规模碳捕集全环节关键核心技术，低成本实现了适用于煤电的低浓度烟道气二氧化碳捕集。基于该项成果的煤电CCUS全产业链项目—江苏泰州电厂50万吨/年CCUS项目于2023年6月投产，为煤电CCUS项目长期可持续运营提供了范本。

完成单位：国家能源集团

六、12000米特深井自动化钻机

万米级钻机是超深层油气勘探开发的核心装备。该项成果攻克了万米特深井自动化钻井核心技术，解决了“超深井深、超高泵压、超大负荷”钻井工程难题。基于该项成果的新疆、四川地区万米深地科探工程—深地塔科1井和深地川科1井分别于2023年5月和7月开钻，标志着我国已实现万米自动化钻机研发制造全产业链自主可控，有效提升了我国钻井工程技术极限作业能力。

完成单位：中国石油

七、新型高效快速流化床催化裂解反应器

我国原油资源普遍偏重、轻烃含量低，采用劣质重油高效生产低碳烯烃对保障我国石油化工行业产业链安全具有重要战略意义。该项成果创新性开发了具有独特结构的快速流化床催化裂解反应器，成功破解了劣质重油无法高效转化为低碳烯烃的行业难题。基于该项成果的300万吨/年重油催化裂解装置于2023年6月建成投运，是全球首套快速床催化裂解装置，填补了劣质重油生产低碳烯烃的技术空白。

完成单位：中国石化

八、特大型煤矿全矿井智能化建设关键技术装备

智能化是破解煤矿用人多、效率低、管理粗放等问题的关键手段。该项成果在智能采煤、智能掘进、井下5G传输覆盖、煤矿机器人等领域取得关键技术突破，并于2023年6月应用于大海则煤矿，实现了煤矿井下采掘工作面无人、少人化操作，固定场所全面无人值守，煤矿灾害全面监测预警等，对解决煤矿安全生产问题、提高生产效率、降低人力成本具有重要意义。

完成单位：中煤集团

九、300兆瓦压缩空气储能系统压缩机和膨胀机

压缩空气储能是大规模、长寿命、高安全的新型储能技术，应用前景广阔。压缩机和膨胀机是压缩空气储能系统中的关键核心技术装备。该项成果突破了300兆瓦先进压缩空气储能系统压缩机、膨胀机全套关键核心技术，研制出300兆瓦级“轴流+离心”压缩机、300兆瓦级大流量多级宽负荷膨胀机。成果应用于湖北应城和山东肥城压缩空气储能电站项目，推动我国先进压缩空气储能技术迈向新的台阶。

完成单位：中储国能、中科院工程热物理研究所

中国能建、东方电气集团、陕鼓集团

十、低能耗兆瓦级质子交换膜电解水制氢装置

质子交换膜（PEM）电解水制氢是可以实现大规模可再生能源转化为绿色氢能的关键技术。该项成果实现了催化剂、质子交换膜等PEM电解水制氢关键核心材料及部件的自主可控。基于该项成果的德令哈高海拔高寒地区光氢储一体化示范工程、长春可再生能源制加氢一体化示范工程分别于2023年9月和11月建成投运，有力推动了我国高性能质子交换膜电解水制氢装置商业化应用进程。

完成单位：国家电投

中国华电、中科院大连化物所

来源 | 国家能源局

浮思特 IGBT的应用实例

自20世纪80年代末开始工业应用以来，IGBT（绝缘栅双极晶体管）经历了快速发展。它不仅取代了工业应用中的MOS、GTR等器件，也逐渐取代了消费电子应用中广泛使用的BJT、MOS等功率器件，甚至在原本由SCR、SCR为主的大功率领域占有一席之地。GTO、IGBT作为新型功率半导体器件的代表，是国际上广泛认可的第三次电力电子技术革命的典型产物。

IGBT已广泛应用于工业、通信、计算机、消费电子、汽车电子、航空航天、国防军工等传统行业，同时也应用于轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性领域新兴产业。

新能源汽车

IGBT在电动汽车、充电桩等设备中发挥着核心技术作用。在电动汽车中，IGBT主要应用于电控系统中，驱动大功率DC/AC变频电机。此外，它还用作汽车空调控制系统和智能充电桩中的开关元件。

IGBT在电机驱动系统中约占一半的成本比例，不仅体现在电机驱动上，还延伸到新能源发电、空调等领域。以特斯拉 Model 3 为例，其动力来源来自装载有 7000 节 18650 电池的电池组。这些电池重900公斤，为85kWh电池组提供400伏直流电。然而，特斯拉电动汽车的电机需要采用交流电驱动，通过调节电机交流电的频率来控制转速，可以精确调节车辆的速度和加速性能。特斯拉电动汽车能够在短短3秒内加速到100公里/小时，这得益于交流电机的快速启动速度，其中IGBT发挥了关键作用。

充电桩从标准 220 伏交流电网获取电力，而特斯拉电动汽车的电池需要直流电充电。这就需要IGBT将交流电转换为直流电，并将电压升压至电动汽车所需的400伏，以满足7000节18650电池的充电需求。IGBT的性能直接影响电动汽车的充电效率和速度。特斯拉电动汽车的充电过程，以及其高效率、快速充电能力，都与IGBT密切相关。

在导通状态下，IGBT可承受数十至数百安培的电流；在断开状态下，可承受数百至数千伏的电压。此外，在极高的电流和电压条件下，IGBT还表现出高达每秒10,000次的优异开关速度。因此，IGBT的品质直接决定电动汽车的加速性能、最高速度、能耗水平，以及能否实现二级启动、换挡平顺、停车平稳等核心特性。因此，将IGBT称为电动汽车的心脏是恰当的。

智能电网

智能电网的发电端、输电端、变电端和用电端都需要使用IGBT。IGBT在智能电网领域的应用非常广泛，涵盖了许多关键环节，为电力系统的高效运行和能量管理提供了重要支撑。

1.发电机

在智能电网中，风力发电和光伏发电是重要的可再生能源，其产生的交流电需要通过整流器和逆变器转换为直流或交流电才能与电力系统融合。这些转换过程需要 IGBT 实现高效的功率转换并确保稳定的能量注入电网。

2.传输端

特高压直流（UHVDC）技术在智能电网中发挥着关键作用，它可以将电能远距离传输到不同区域并减少传输损耗。在特高压直流系统中，柔性交流输电技术（FACTS）需要大量使用IGBT来实现潮流的精确控制，以维持电力系统的稳定性和可靠性。

3.变电站

电力电子变压器是智能电网的重要组成部分，用于实现电能的变换和分配。在变电站端，采用IGBT作为控制电能变换的关键器件，使电网可以根据需要调节电压和频率，以适应不同的输配电需求。

4.电源端

智能电网中的电力消费者包括家庭、商业和工业用电等。空调、洗衣机等家用白色家电、微波炉、LED照明驱动器和其他消费电器需要高效的能量转换和控制。这时，IGBT就发挥了关键作用。通过对IGBT的精确控制，可以实现电能的高效利用和节能。

轨道交通

现代轨道交通中，交流传动技术是核心之一，牵引变流器是关键部件，IGBT在其中发挥着重要作用。IGBT作为牵引变流器的核心器件，广泛应用于轨道交通车辆的牵引变流器和辅助变流器中。

此外，IGBT还广泛应用于其他领域，如电源应用、UPS系统、电动汽车电机驱动、逆变器、太阳能逆变器等。与BJT相比，它具有开关损耗更低、缓冲电路要求更小的优点，使其在各种应用中展现出强大的性能和潜力。

1.电机驱动电路

在逆变电路中，广泛采用IGBT作为开关元件，实现直流到交流的转换过程。这种转换技术可用于各种尺寸的电机驱动器。特别是在空调和冰箱等家用电器、工业电机以及汽车主电机控制器中，用于逆变器应用的IGBT在提高这些系统的效率水平方面发挥着重要作用。

2.不间断电源电路（UPS）

IGBT 具有高效率和节省空间的特点，主要应用于中大容量型号，包括几 kVA 甚至更高容量的型号。

家用电器

感应加热技术旨在通过利用 LC 谐振实现零电压开关 (ZVS) 或零电流开关 (ZCS) 来最大限度地减少开关损耗。鉴于谐振电压或电流较高，应用时通常选择IGBT。更具体地说，IGBT常用于感应加热系统，例如电磁炉、电磁炉、微波炉等。

IGBT比MOSFET的开关速度更快吗？

一般来说，MOSFET 由于其单极晶体管行为而开关速度通常更快，而 IGBT 速度较慢，但能够处理更高的电压和电流水平。IGBT（绝缘栅双极晶体管）和 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）具有不同的开关特性，其中一种是否比另一种更快取决于应用。

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