[原创]电力电子行业特点及主要产品领域发展分析

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电力电子行业特点及主要产品领域发展分析
                      北京正略钧策企业管理咨询有限公司 顾问 陈树志

一、电力电子行业特点
1、电力电子技术高效节能使行业具备很大发展潜力
电力电子技术是连接弱电和强电的桥梁，尽管电力电子行业属于输变电设备制造业的子行业，但电力电子技术的应用不局限于输变电设备制业，电力电子技术无处不在、天生具有节能效果。为了合理高效地利用电能，现在发达国家电能的75％要经过电力电子技术变换或控制后使用，预计21 世纪将达到95％以上。目前我国经过变换或控制后使用的电能仅占30％，70％的电能仍采用传统的传输方式，远远达不到应用电力电子技术才能实现的效果。电力电子行业涉及三个领域：电力电子元器件（上游）、电力电子装置（中游）、电力电子技术在各个行业的应用（下游）。电力电子技术无论对改造传统工业，还是对新建高技术产业和高效利用能源均至关重要。随着2010年我国单位GDP 的能耗要求降低20%的期限日益临近，各地方政府也将节能降耗作为工作的重点。作为节能降耗的主力军，电力电子行业每年高增长可以维持相当长的时间。作为高技术应用性的行业，电力电子行业未来发展空间巨大。
2、电力电子技术的核心是电力电子元器件
电力电子技术的核心是电力电子元器件技术。电力电子元器件的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET 和IGBT 为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。从行业的发展轨迹看，电力电子技术的进步完全是凭借着半导体器件性能的不断升级而发展的。从二极管到可控硅，再到GTO、GTR、MOSFET，以及当今最先进的IGBT、IGCT，每一次元器件的升级都预示着电力电子技术迎来了又一个新时代。今后，电力电子元器件技术将由半控型、全控型器件进入全新的智能型时代。其表现是，一方面原有各新型电力电子器件额定参数不断提高；另一方面电力电子技术与微电子技术进一步结合，使电力电子器件朝着大容量、智能化方向迅速发展。
3、电力电子装置种类繁多、行业应用范围极广
电力电子技术无论对改造传统工业（电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等），还是对新建高技术产业（航天、激光、通信、机器人等）和高效利用能源均至关重要。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。电力电子技术在电力行业的应用涉及发电、输电、配电、用电等各个环节，市场容量巨大，且都处于行业快速成长的初期。同时，电力电子装置高效节能效使在其他行业应用也很广泛。目前电力电子装置主要包括三大类产品：变频器（也称“变频调速”）、电能质量类产品（含无功补偿SVC、高压直流输电HVDC、柔性交流输电FACTS 等），以及电子电源产品。电力电子装置朝着高性能化、智能化、全数字控制、系统化和绿色化发展。

二、电力电子行业主要领域发展分析
1、电子元器件
进入八十年代，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。将集成电路技术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M0SFET 的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管（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。根据CCID研究统计，电力电子器件的年平均增长速度在20%附近，2007 年市场容量将近290 亿元。IGBT 等新型电力电子器件的年平均增长率超过30%，较一般电力电子器件的年平均增长率高。2007年中国IGBT 器件销量达到2.6 亿只，和2006年相比增长45.0%；销售额将近40 亿元，比2006 年增长29.8%。IGBT 为代表的新型功率器件对于技术要求较高，国内企业基本上没有生产能力，中国市场需求的新型电力电子半导体器件基本依靠进口。现阶段国内IGBT 为代表的新型功率器件市场主要被欧美、日本企业所垄断。Semikron、EUPEC、三菱、Sanken、飞兆、富士、IR、东芝等企业是国内IGBT 市场中销售额位于前列的企业。
2、变频器市场规模巨大，且发展迅速
变频器被称为“现代工业的维生素”，集微电子、电力电子和控制技术于一体，通过将
固定频率的交流电源转换成电压可调、频率可调的交流电，实现对交流电机的无级调速。在节约电能，改善生产工艺、提高生产自动化水平等方面，具有突出的作用。
变频器的种类可以按照电压、功率和负载类型来划分。变频器除了在电力行业外，在水泥、冶金、石化、有色、市政工程、污水处理、造纸以及制药等细分行业都有应用价值。2007 年，工控网统计数据显示，中国变频器市场规模为100 亿元人民币。从产品市场空间来看，中国变频器市场处于高速增长时期。其中高压变频器增长速度最快，超过50%，远远超过近几年的GDP增长水平，随着产品价格下降，中国市场上变频器安装容量（功率）的增长实际上在20%左右。从产品性能来说，使用高压变频器HVC后，能节省电量30%左右。但由于该产品具有高技术、高价格的特点，在国内市场发展较为缓慢。随着政策的引导和技术进步，HVC的生产规模化会逐渐降低其成本，从而促使其在发电设备上的应用。
2007年我国高压变频器市场容量达到20.7亿元，相比2006年市场增长率达到41%。根据中国工控网的预测，未来5年我国高压变频器市场的容量仍将保持30%以上的增长速度。目前高压变频器市场，西门子、ABB、罗宾康、AB 等国外品牌虽然仍占有一定的市场份额，但已不复当年之勇，国内企业在技术方面已经不弱于国外企业，随着电厂国产化进程，该领域内国有企业市场占有率将不断上升，截止2008年，国内市场占有率已达80%。
随着国家支持新能源政策的发展，直流特（超）高压输电换流阀、风电变流器、光伏逆变器等专用型高压变频器将成为发展重点方向。
2003-2012年中国高压变频器市场发展趋势（亿元）
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                  资料来源：中国工控网
3、电子电源具备较大市场需求
    电源包括电子电源和化学物理电源，与电力电子技术应用相关的是电子电源。电子
电源就是对公用电网或某种电能进行变换和控制，向各种用电负载提供优质电能的供电设备，大概每年170亿元以上的市场需求。
（1）开关电源
程控交换站，计算机、电视、医疗设备、航天、航海舰艇及家电上，都广泛应用开关电源，开关电源最大的应用领域是在通信行业，美国开关电源中用于通信方面的占开关电源总量的35％。这些开关电源都采用高频化技术，使其体积重量大大减小，能耗和材料也大为降低。通信开关电源大概每年至少 50 亿元的市场规模，其中，DC/DC 变换器模块电源约占25%，AC/DC 整流器约占75%。由于中国的通信事业投资比较集中，通信电源在开关电源总额中所占比例较大，根据业内人士推算（按通信电源占比50％计算），全国开关电源总额就达100 亿元以上，这里不包括各种家用电器和电子仪器内部的开关电源。目前全球开关电源市场超过 120 亿美元，年增长率约4%~6%，由于应用广泛，市场分散，全球供应商数量超过1,000 家。大致格局是，中国台湾企业主导AC/DC 电源市场，欧洲企业主导DC/DC 转换器市场。若以应用划分，以电盛兰达为代表的日本企业在工业电源市场占据领先。
（2）不间断电源(UPS)
不间断电源（UPS）是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。UPS 优点在于持续不间断、稳定；另外还起着交流、直流互相转换的作用。从功能上讲，UPS 可以在市电出现异常时，有效地净化市电，还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电，使工作人员从容应对。现代 UPS 普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT 等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS 的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。目前在线式UPS 的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS 发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。根据赛迪顾问市场调查（2000 年以后数据）显示，2008 年UPS 电源市场需求规模约为31亿元。
综上所述，仅开关电源、UPS 每年的市场规模大约为130 亿元。电源种类还有许多，如变频电源、电解电镀电源、焊接电源、感应加热电源、充电电源、霓虹灯和照明电源等。种类繁多，分布广泛。若把它们都计算在内，保守估计，电子电源的市场规模将在170 亿元以上。
4、电能质量类产品——需求巨大、细分市场众多
电力系统内部的电能质量类产品是电力电子技术应用的最重要和最有潜力的市场领域之一。其典型应用有高压直流输电HVDC、灵活交流输电系统FACTS（包括静止电压补偿器、静止相位补偿器、功率流控制器等）、有源电力滤波器（APF）、蓄能电站用交流励磁系统等。进入21 世纪，我国电力建设规模更为巨大，在大规模进行电力建设的同时，还要大力推进以科技进步为中心的节能、节电、提高效益的电力技术改造工作。从用电角度来说，利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率；从发、输配电角度来说，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。目前，电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用，与其它应用领域相比，上述这些应用要求电力电子装置具有更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性。
（1）柔性交流输电技术（FACTS）
柔性的交流输电技术是上世纪八十年代后期出现的新技术，近年来在世界上发展迅速。柔性交流输电技术（FACTS）是指电力电子技术与现代控制技术结合，以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。传统的调节电力潮流的措施，如机械控制的移相器、带负荷调变压器抽头、开关投切电容和电感、固定串联补偿装置等，只能实现部分稳态潮流的调节功能，而且，由于机械开关动作时间长、响应慢，无法适应在暂态过程中快速柔性连续调节电力潮流、阻尼系统振荡的要求。因此，电网发展的需求促进了柔性交流输电这项新技术的发展和应用。到目前，FACTS控制器已有数十种，按其安装位置可分为发电型、输电型和供电型3大类，已应用的FACTS控制器有静止无功补偿器(SVC)、静止调相机(STATCOM)、静止快速励磁器(PSS)、串联补偿器(SSSC)、统一潮流控制器（UPFC）、晶闸管控制串联电容器(TCSC) 、晶闸管控制申联电抗器(TCSR)和可转换静止补偿器(CSC)等。
近年来，柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等国重要的超高压输电工程中得到应用。随着电力电子器件的性能提高和造价降低，以电力电子器件为核心部件的FACTS装置的造价会降低，在不久的将来会比常规的输配电方案更具竞争力。
（2）高压直流输电技术（HVDC）
高压直流输电是将发电厂发出的交流电通过换流阀变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端再变成交流电，注入受端交流电网。自1954 年世界上第1 条高压直流输电(HVDC) 联络线投入商业运行以来, HVDC作为一项日趋成熟的技术得到了广泛应用。
晶闸管用于高压直流输电已有很长的历史。近10 多年来，可关断的晶闸管(GTO) 、MOS 控制的晶闸管(MCT) 、绝缘门极双极性三极管( IGBT) 等大功率电子器件的开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将进一步改善新一代的直流输电性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统(Light HVDC) ，它采用GTO、IGBT 等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。此外，由于采用可关断的电力电子器件,对受端系统的容量没有要求，故可用于向孤立小系统(海上石油平台、海岛) 供电，今后还可用于城市配电系统，并用于接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。我国的直流输电设备，目前与国外差距很大，但直流输电在我国电力工业中的应用已有一个良好的开端，随着直流输电工程的建设和大容量可控硅元件制造技术的引进，直流输电技术的进一步发展，经济性提高，直流输电在我国将有非常广阔的发展前景。
（3）静止无功补偿器(SVC)
从产品性能来说，SVC是以晶闸管为基本原件的固态开关代替电气开关， 可以实现快速、频繁的控制电抗器和电容器来改变输电系统，应用后，调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下无工调节能力更强、谐波含量和占地面积减少，有显著的工业节能和改善电能质量的效果，在国家节能环保政策的背景下，该产品具有较大的应用价值
根据全国电压电流等级和频率标准化技术委员会及全国电力电子技术学会的统计，国内各主要应用领域对SVC 产品未来几年的市场需求规模平均每年在30 亿元以上，SVC 在电力系统的应用占其整个市场应用的21.67%，但重要性远远在其他行业之上。以瑞士ABB、德国SIEMENS、法国AREVA为代表的国外企业，目前在电力系统超大功率SVC 技术上居领先优势，占领了90% 以上国内电力系统市场份额。由于国外SVC 产品造价昂贵，极大地限制了SVC 在国内电力系统的推广应用，导致该领域市场潜力巨大但却处于需求抑制的状况，目前以荣信、电科院电力电子公司为代表的国内企业正在积极开拓该部分市场。
从市场空间来说，随着城乡供电网络重建、国家支持大规模、远距离超高压输电网络建设发展，对该产品需求量加大。自2007 年开始，未来5年国内SVC 产品的市场需求约为2,750 套，市场价值将超过155 亿元，年平均31亿元。与此同时，国际市场需求约为国内市场的4-5倍。由于国际市场的产品价格为国内同类产品价格的2倍，因此市场价值约为同期国内市场的10倍左右，达到1,550 亿元。SVC在电力系统应用占整个市场应用的21.67%，但重要性远远在其他行业之上。