电能质量控制设备全景调研与发展战略研究

电能质量控制设备全景调研与发展战略研究一、 电力电子行业迎来大发展随着光伏和风电发电占比逐渐提高，电源管理产品，如逆变器、升压降压等，以及相关产业链需求也将同步增长。在新能源汽车领域，同样需要对电压进行变换从而可以驱动电机和为电池充电，对于电源管理产品的需求量更大。随着光伏发电成本不断降低和发电效率逐年提升，全球光伏平价时代正式来临。光伏因其绿色、环保的特点，在全球范围内持续高速发展，装机容量不断增长，技术持续创新。根据国际可再生能源署（IRENA）预测，到2050年，全球光伏渗透率将达到25%，相当于目前的10倍，光伏行业的发展速度和发展空间将大幅提升。据SolarPowerEurope预测，2025年全球光伏市场新增装机可达3467GW，2021-2025年年复合增速15%。二、 电力电子行业概况电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术采用功率半导体器件、电磁/电容等功率元件，运用电气、控制、电子信息等理论和技术，将一次能源电能高效率、高质量、高可靠性地变换成交流、直流、脉冲等电能形式，实现电能时空变换（时间分布：恒定、交变、脉冲；空间分布：集中、分散、网络化），是光伏储能、电动汽车、航空航天、轨道交通、科研试验、电力配网、特种装备等领域的关键支撑技术，无论对改造传统产业还是发展高新技术，均有不可或缺的重要作用。电力电子技术和产品是电力能源领域的关键器件和核心支撑，电力能源领域是目前绿色减碳技术中应用最为广泛、发展最为迅速的领域之一，承载着率先实现碳中和与零排放的任务和期望。根据中国电源行业年鉴，我国电力能源的消耗占总能源消耗近55%，其中约70%的电能是通过电力电子设备处理后使用的，据预测未来这一比例将增至90%以上。近年来，我国电力电子技术和产业快速发展，支撑的电源产业和市场规模位居全球第一，年直接产值超过3，300亿元、间接产值超过12万亿元。三、 电力电子转型进程电力电子除了对传统的硅基器件的依赖，电力电子市场的发展将更多集中到碳化硅及氮化镓的技术创新上。迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础工业，并广泛应用于各个行业部门，其发展趋势为继续向高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多样化发展，而封装构造、外形尺寸都趋向国际标准化，以适应全球一体化市场的采购需求。随着制造业数字化转型进程的加速推进及中国制造2025战略的实施，工业企业逐步向智能制造转型。在碳中和背景下，新能源产业发展已成为全球共识，清洁低碳是能源转型大趋势。能源结构切换下，电力电子行业迎来大发展。目前，电力电子技术正逐渐向模块化、集成化、智能化、数字化、绿色化方向发展。具体来说，电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是利用电力电子器件对电能进行转换和控制的技术。电力电子技术就是一门对电能进行变换和控制的技术，其本质是利用电力电子器件（即功率器件）的开关作用，实现弱电对强电的控制，具有控制灵活、效率高等优点。电力电子技术应用四大领域，分别为：工业、交通运输、电力系统、电子装置电源。电力电子主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。电力电子技术的应用主要有四大领域，即：工业、交通、电力系统、电子设备电源。工业领域的电力电子技术主要集中在交直流电机、电化学工业、冶金工业等;交通领域的电力电子技术重点是电气化铁路、电动汽车、航空、航天、航海等;电力系统领域的电力电子技术侧重于高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿等;电子设备电源领域的电力电子技术专注于为信息电子设备以及家用电器节能灯、变频空调等提供电源。四、 我国电力电子技术发展趋势集成化智能化通用化信息化趋势。（1）电力电子技术集成：有利于减小产品体积和重量，提高产品功率密度和性能，满足人们对方便、快捷、便携的要求;（2）电力电子技术智能化：提高产品的自动调节能力，提高效率和功率、调速范围和性能等，减少人力物力，提高产品服务;（3）电力电子的泛化技术：广泛应用电力电子技术，提高技术应用范围，降低生产成本;（4）电力电子技术信息化：现代信息技术逐步应用于电力电子技术，使技术不仅既是能量转换和传输装置，又是信息传输装置和交换功能。五、 电能质量控制行业发展情况现代电力网中，随着大功率冲击性用电设备和非线性电力电子设备大量使用、分布式间歇式电源接入，使得电压和频率波动、谐波、无功、暂降等电能质量问题越来越突出。电网中的高次电流谐波是一种电力污染，会引起电压波形畸变，导致供配电系统不稳定，增加设备附加损耗，严重时甚至造成设备损坏。电网中的无功功率虽然和有功功率一样都是输配电网中不可缺少的组成部分，但如果无功功率过大、功率因数过低，配电设备容量将得不到充分利用、电网传输能力也会下降、损耗增加。电能质量行业发展初期，由于国内缺乏相应强制实行的标准，使得国内企业普遍对电能质量问题认识较为淡薄，这使得市场推动力不足。但随着政府、发电、供电以及用电企业对电能质量的理解和认识的加深，汽车制造、半导体等高科技企业对电能质量的要求越来越高。2018年颁布的中华人民共和国电力法将电网电能质量责任提到了一个新的高度。从目前来看，中国电能质量监测、治理的推动主要由供电部门来发起，全国各地的供电系统成为电能质量监测、治理的积极推动者。近年来，随着电能质量问题的不断加剧以及造成的损失增加，我国电能质量总体市场在各方面的推动下呈稳步增长的趋势。根据亚洲电能质量产业联盟发布的2018电能质量行业发展白皮书数据显示，2017年我国电能质量行业市场总额超过200亿元，预计2020年增长至36423亿元，20172020年复合年增长率为2211%。谐波治理和无功补偿是电能质量控制最主要的两个细分领域，采用电力电子技术的有源电能质量控制技术和设备是电能质量控制设备的发展方向。同时，新出现的串联调压设备在处理电压暂升暂降中也开始显现出优势。中低压电能质量控制设备应用领域极为广阔，涵盖了轨道交通、数据中心、石油煤矿、建筑楼宇、工业制造等用电系统，公共配电网系统，以及特种装备独立电力系统。我国电力行业发展较快，但由于前期一直存在缺电局面，导致电力行业的建设偏重电源建设，呈现重发、轻供、不管用的局面。近年来，随着电源方面的持续投资，我国发电能力已经达到了较高水平，能够满足经济发展所需，而电源电网建设不平衡所导致的问题也逐渐体现，造成传输过程中电能损耗高、覆盖不均匀、能源利用率低等后果。为妥善解决此问题，针对电源的投资开始慢慢减少，电力投资趋势从偏重电源投资逐步转向电网投资。我国电网工程投资额自2013年开始快速上升并首次超过了电源工程投资额，标志着电力投资的重点逐渐向配电网络转移，电网建设投入力度不断加大。根据国家能源局数据显示，2013年我国电网工程投资额为3，849亿元，2020年电网工程投资额增长至4，699亿元，年均复合增长率为289%。电网投资的增加，特别是城市电力配网项目的投资加大，将增加电能质量设备在配电系统的使用场景和使用需求。另一方面，开发新能源、加强可再生能源的利用已成为全球性的共识。大规模可再生能源以分布式发电方式接入电网，是大规模可再生能源并网消纳的重要方式，也是大规模可再生能源集中式发电的重要补充。采用分布式可再生能源发电，有助于充分利用各地丰富清洁、形式多样的能源，向用户提供绿色电力，因此是实现节能减排目标的重要举措。国家针对大力支持可再生能源分布式发电的推广与应用出台了一系列政策文件，鼓励促进可再生能源分布式发电的发展。但是，大量具有间歇性、随机性的分布式电源接入电网，极大地增加了电网复杂性和管控难度，对电网的安全、可靠、经济运行产生重大影响。中低压柔性合环控制器台区智能型电力电子有载调压器等系列产品，开始应用于解决分布式新能源发电大批量接入配网后的潮流控制、电压合格率、线损等问题。此外，串联补偿技术用于配电线路的研究和应用，已经取得了研究成果及运行经验积累。电能质量控制设备在电力用户侧的应用包括轨道交通、数据中心、石油煤矿、建筑楼宇、工业制造等领域。以数据中心为例，对其稳定供电离不开电能质量控制设备。现代IDC机房的用电负载也在不断发生变化，高频化的HVDC、UPS广泛使用，通过大量变频节能技术提高能效利用率，供电拓扑也开始大量使用市电与不间断电源供电结合的模式。然而变频化的HVDC、UPS、变频器、开关电源等产生大量无功和谐波。谐波和无功等电能质量问题成为了制约数据中心可靠性提高的关键因素。对于数据中心基础设施设备，主要非线性负荷为空调机组和照明及办公设备等，采用动态无功补偿设备提升系统功率因数，同时采用有源电力滤波器解决谐波问题，消除谐波对电力系统的危害，避免谐振风险，有效改善数据中心用电环境，提升系统可靠性。数据中心（IDC）是国家确定的新基建七大领域之一，当前我国数据中心主要集中在北京、上海、广州及周边地区，造成这一现象的主要原因是下游需求占比较大的互联网企业大多分布在核心城市，满足这一需求的核心网建设也大多在一线城市。为提升国家整体算力水平，充分利用西部绿色能源，扩大数据中心经济带动效应，推动区域协调发展。近年来我国在内蒙古、宁夏等地区建设超大型数据中心。东数西算将带动IDC相关市场的发展，其中电能质量作为配套的供电基础设施，也将受益于整个产业链的增长。与通用行业类似，特种装备在用电方面同样存在电能质量问题，特种装备独立电网与大电网相比，由于容量小、内阻大，适应非线性和冲击性负荷能力更差；特种装备和任务系统如飞机、舰船、车辆等多电全电等综合电力发展趋势下，核心用电设备对谐波电流等电能质量问题的抵抗能力更差。因此，特种装备独立电力系统的电能质量问题比大电网更突出，必须采取措施进行解决。随着特种装备电气化进程的推进和相关部件国产化水平提升的要求，特种电力系统的电能质量问题将为该领域的电能质量控制设备带来广阔市场空间。定制电能质量控制设备是特种装备供电的补偿设备，应用领域和市场情况与定制特种电源类似。六、 电力电子行业持续高速发展近年来，随着中国宏观经济的持续高速发展，社会生产和人民生活水平的不断提高，以及社会电气化程度的逐步提升，电源产业总体上一直保持平稳增长，且应用领域不断扩展，新能源发电、新能源汽车、智能制造、智能电网、数据中心等新兴应用领域为电源产业的发展提供了新的动力，这些行业的发展又对电力电子设备提出了诸如节能、节材、缩体、减重、避免污染、改进环境、牢靠、安全等新的要求，进而推动了电源工业的发展。随着工业40的推进和制造业的转型升级，电力电子技术日渐广泛应用于电力、环保、装备制造、轨道交通等传统重点领域，以及新能源、航空航天等前沿技术领域，在国民经济发展中的地位将越发重要，产业发展前景广阔。儒竞科技以电力电子及电机控制技术作为创新基石，以技术创新作为产品创新的驱动力，通过将不同技术领域内研发形成的创新技术逐步应用到不同类别的创新产品中，形成了通过跨领域的技术创新带动产品创新的新业态，有效实现了电力电子及电机控制领域内变频节能与智能控制综合产品的产业化实践。七、 精密特种电源行业发展情况精密特种电源市场涉及诸多领域，整体容量较大、单一领域市场规模相对有限，要求电源生产商需具备较强的技术实力、产品定制能力以及快速及时的售后服务，国外生产企业受制于成本、服务响应能力的短板，在航空保障、轨道交通、加速器、特种装备及部分工业领域已退出国内市场，由国内企业占据主导地位；在一些高端特种电源领域，如航空航天、医疗仪器设备、半导体等先进工业装备、前沿研究等领域，国外产品具有先发优势和经验积累，仍占据主导地位。航空保障电源用于飞机的日常测试检修供电，是机场、机库所必备的保障设备。使用地面供电设备替代机载APU，能有效降低机坪噪音、减少污染排放、节省燃油，已成为民航行业节能减排的重要措施和发展趋势。根据中国民航局数据，2021年中国民航客运输量与货邮运输量实现疫情后的反弹，同比增长55%、82%，但较疫情前仍有较大增长空间。同时，2021年中国民航业固定资产投资总额达到1，88044亿元，同比增长1554%，传递出中国民航业复苏的信号。此外，我国飞机保有量稳定增长，截至2021年末，民航全行业运输飞机期末在册数量为4，054架，比上年底增加151架。根据民航行业发展统计公报，中国2020年民用机场为580个，中国民航规划到2025年建成770个民用机场，平均每年新建民用机场38个。同时根据规划，上海浦东、天津、长沙等机场改扩建的重点建设项目将在十四五期间开工，以加快枢纽机场建设和完善非枢纽机场布局。民用航空业的复苏及发展，新建和扩建机场的增加，以及飞机保有量的稳定增长，将有效带动国内航空保障电源的需求增长。我国铁路城轨在过去的10年得到了前所未有的快速发展，全国铁路运营里程数和城市轨道运营里程数直接反映了轨道建设的发展速度。20142015年，铁路运营里程增长较快，2016年以后，由于铁路行业发展已达到阶段高位，铁路投资基本保持稳定，而城市轨道投资额一直保持稳步增长。目前，国内城轨建设向二三线城市蔓延，预计中国城市轨道交通运营行业将会继续保持较大建设规模和较快的发展速度。十四五规划纲要和2035年远景目标纲要多次提及铁路，为轨道交通的未来发展指明了方向。随着铁路客运、货运持续改革，用户对轨道交通装备产品的适用性、安全性、可靠性等提出了更高的要求。铁路运营里程的增加和配套动车所的数量增加将会带动铁路沿线电源产品及动车所地面电源的增长。铁路电气化升级改造催生高可靠、智能化的新型电源产品的需求。带电粒子加速器是利用电磁场加速带电粒子的装置，科学家们在加速器上建立了现代核物理与粒子物理学科。在大型加速器装置上使用的新技术往往又会迅速应用到小型装置上并商品化，在其他科技和国民经济领域，也有着广阔的重要应用。在基础研究大型加速器建设方面，根据建设创新性国家的要求和国家中长期科技发展规划，从十一五开始，将加大国家基础科学设施建设的力度，建设一批包括北京正负电子对撞机二期、上海光源、中国散裂中子源、国家同步辐射实验室以及全超导托卡马克核聚变实验装置在内的基础科学设施，带动了加速器电源在基础研究领域的需求快速增长。根据国家重大科技基础设施建设长期规划，目前有大批正在建设以及未来规划建设的大科学装置，其中包含合肥先进光源（HALF）、南方先进光源（SAPS）、重庆超瞬态实验装置、武汉光源、稳态微聚束极紫外（SSMB-EUV）光源、散裂中子源二期、上海自由电子激光等大型加速器等。根据近年来的发展趋势，粒子加速器的商业化应用同样具有较大的潜力。例如：在医疗领域，可用于生产放射性同位素和重离子及质子治疗；在工业领域，可提供辐照加工、离子注入、无损检测等；在环保领域，可用于燃煤烟气脱硫脱氮、核废料处理等。有的已经形成产业，如无损集装箱检测设备；有的即将形成产业，如燃煤烟气脱硫脱氮设备、质子治疗癌症设备等。重离子和质子治疗癌症的医疗设备已经由中国科学院兰州近代物理研究所和上海应用物理研究所与企业组成联合体，开始产业化工作。在可预见的未来，粒子加速器的研究将仍然是相关学科的核心前沿。加速器电源是控制带电粒子束注入、运行及引出的重要设备，精确控制带电粒子束的需求，也将对加速器电源的供电品质提出更高的要求。另一方面，随着粒子加速器与日常生活的联系日益紧密，加速器技术学科的发展也将日益与其他工程学科趋同，在小型仪器仪表、民用产业领域持续不断地深入其影响力。粒子加速器在更广阔领域的应用也将为相关电源产品带来更大的市场空间。定制特种电源指根据特种装备等领域的客户需求研发设计定型的电源产品，用于各类装备的供电或保障。早期国内相关市场主要被Vicor、Interpoint等国外电源品牌占据，但随着我国电子电力技术和装备现代化进程的加速发展，我国相关产业已取得了长足的进步。尤其是自2018年中美贸易摩擦以来，国家对于自主可控的意识大幅加强。目前，我国特种装备电源行业已逐步实现了由国产品牌元器件全的方向继续推进。随着技术的发展，特种装备系统的型号种类不断增多、性能不断提升，电源模块产品和电源系统需求也呈现个性化、定制化的特征。飞机数量增加及新型机型逐渐投入使用，保障维护所需的航空保障电源需求呈稳定上升趋势。大量新型装备列装，训练、测试所需的定制电源和模块电源也随装备同步增长。现代特种装备电气化、信息化、智能化发展，使特种装备平台出现多电全电等综合电力发展趋势，例如综合电力系统（IPS）已经得到成熟应用。随着用电量变大、用电特性多样化，对其独立电力系统的要求和各环节电源设备的需求越来越高。