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1、电力技术的发展趋势及应用前景郑健超*（中国电力科学研究院）、电力新技术的社会需求20世纪工程技术的划时代成就之一就是电的日益广泛应用。电力已成为生产发展和社会变革最重要的技术基础。电力技术的不断进步，迅速改变着社会的面貌，对人们的生产方式和生活方式产生着重大影响，电气化的程度已成为现代化最显著的标志。因此，在美国国家工程院评选出的20项20世纪最伟大的工程技术成就中，电气化名列榜首。在我国类似的评选中，电气化也名列前茅。在步人新世纪的时候，人类面临的重大挑战是实现可持续发展，而在可持续发展的条件下满足日益增长的能源和电力需求则是世界各国面临的最紧迫任务之一。我国由于人均拥有的一次能源极其有限、
2、能源强度高、油气资源短缺、能源利用引起的环境污染严重，要在提供充足可靠的能源和电力供应的同时减少环境污染，难度比其他国家大得多。根据预测，到2050年，我国国内一次能撅年生产能力约为30亿标准煤，人均仅有两吨标准煤左右，人均能耗仅能达到目前全世界的平均水平。如果大力发展洁净煤、核电、水电、可再生能源和开发油气资源的计划不能如期实现，我国将面临严重的能源短缺，大量进口能源将不可避免，环境状况也将更加恶化。为应对这一严峻挑战的战略有：强化节能战略的实施，强化洁净煤发电技术的应用，加快发展水电、核电和其他可再生能源发电。可以看出，实施这些发展战略都意昧着必须加逮我国电气化的进程，提高电力在终端能源中
3、的比例，尽可能把一汰能源清沽高效地转换为电能使用。为此目的，必须在电能的生产、传输、储存、分配和使用的各个环节使用新技术。这一重大社会需求决定了未来电力技术的发展方向。过去，电力技术主要属于传统技术的范畴。近年来，电力技术的发展日益显现出高技术与传统技术交叉、融合的趋势。高技术领域的信息技术、电力电子技术、新材料技术的突飞猛进使传统电力系统己经或将要发生重大变革。以下仅举数例加以说明。電力電子(power electronics)主要是研究改善電能使用效率的工程技術，藉由整合微電子、功率半導體元件、與自動控制等技術於電能儲存、電力傳輸與轉換、與各種不同形式電源需求的應用。電力電子是電機工程的一
4、個分支，主要在於將電能作不同形式的轉換以供各種不同的應用。例如：太陽能轉換、感應加熱、燈光控制、交直流電源穩壓、電能與磁能轉換、馬達驅動、電銲、放電加工、電池儲能、功率因數修正，以及種種其他各式各樣的應用。 電力電子近年來發展快速，此學術領域涵蓋廣泛且具有技術整合性特質，也是自動化、國防、航太、運輸、能源、與環保等工業發展的基礎技術。電力電子雖然已有相當的發展歷史，唯近年來由於電力半導體開關元件的快速發展，使得新式的功率開關元件如Power MOSFET、IGBT、MCT、與IPM等，可以高頻切換進行電能處理，使得電力電子產品更能達到輕薄短小、高效能、高可靠度的完美境界。 電力電子主導一些未來
5、科技的發展，其重要性與日遽增。電力電子與微電子技術的結合將造成許多相關產業的革命，例如電動汽車、電動機車、磁浮火車、變頻器、伺服驅動器、智慧型 UPS、小型智慧能源處理系統、太陽能智慧屋、電池儲能系統、電子變壓器、高壓直流電力傳輸系統等等，這些未來產品均將與我們的日常生活息息相關，因此先進國家如美日等國均視為下一波科技競爭主要發展目標之一。 我国的电力电子学会成立至今，已有20个年头了。当年我曾为此准备过一篇详细的综述文章，在成立大会上作了介绍。最近着意去找了一下这二十年来写就的多篇有关电力电子技术的文章。前后对比之后，深感电力电子技术确实已有了很大的发展。特别有个新感受是：由于时代的变迁，电
6、力电子的侧重点和内容也正在发生巨大的变化。 电力电子学在当年是一个崭新的名词，因而我花过很多时间就其形成、定义、特征、分类及其展望作了一番论述。当时我曾提到：五十年代末诞生了集成电路和晶闸管。从集成电路的发展形成了微电子学，其应用是信息电子学。从晶闸管及其他电力半导体器件的发展和变流技术结合则形成电力电子学。但当时对信息电子和电力电子的关系很少考虑过，潜意识地感到它们是属于两个各奔前程的学科。 从二十年的发展来看，半导体器件确实起了推动电子技术发展的作用。集成电路对信息产业发展的重要作用是谁都了解的。晶闸管等电力半导体器件也扮演了电力电子发展中的主要角色。难怪当初电力电子的倒三角定义的中心就是
7、晶闸管。这些年来的经验表明：当某种关键的半导体器件诞生后，往往会引起电子技术的一个飞跃。这也就容易理解当MOS功率器件诞生后为何又一次使电力电子技术跨上了一个新台阶。当然对MOS器件的深入认识也有个过程：最初根据场效应晶体管的单极性结构，很自然理解到它必然具有较快的开关速度，从而带动了高频电力电子技术的发展。又从其电压控制模式，理解到它很容易和微电子器件接口，功率集成电路就此应运而生，使MOS器件的控制方式大为丰富并简化。但当时还没有理解到，MOS晶体管实际上还是一种具有最低阻抗的整流器件。乍一看来，利用晶体管去代替整流器似乎难以理解，可是采用了同步整流的原理后这个问题就解决了。这样正好符合了
8、电脑发展所必须的超低压电源的特殊需要，从而也就更增加了功率MOS晶体管的重要性。 在半导体器件的发展中，必须注意到微电子器件永远是先导和主体。微电子器件的产值占有着半导体器件中的绝大部分，它主导了半导体新技术的发展。更重要的一点是：它在信息化的过程中起了关键作用。当今我们正处于这样一个时代，按我们国家的话来说：大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。这一点，在过去的年代里是无法想象的。这在某种程度上也说明了要使电力电子行业有更快发展，和信息电子挂钩也将是一个重要举措。电工领域基础研究展望在交叉领域发展和创新 中国电工技术学会副理事长关志成 在20世纪电工学科随着电力工业的
9、发展获得飞速进步，并取得了辉煌的成就，在对20世纪影响最大科技成果的评选中，电力系统独居鳌头。进入21世纪科学技术将以更快的速度发展，学科之间的界限将越来越模糊，学科之间的交叉和融合将成为新世纪科技发展的特点，创新和飞跃往往发生在学科的交叉点上，21世纪的电工学科将在与信息科学，材料科学，生命科学以及环境科学等学科的交叉和融合中获得进一步发展。生产力的发展是推动科技进步的不竭动力，虽然我国的电力工业已取得了十分巨大的成绩，例如装机容量已达3亿千瓦。但是，目前我国人均占有的装机容量和发电量还不到世界平均水平的一半，仅为发达国家的16到110，我国的电力工业还将持续快速发展，根据“十五”以及未来十
10、年电力工业发展的总目标，我国2005年发电装机容量将达到3.55亿千瓦，2010年和2015年将分别达到45和55亿千瓦。电力工业的发展和进步将对电工学科的基础研究和应用基础研究提出更多的需求，同时会给予更大的支持，是电工领域科技发展的一个强大推动力。展望新世纪，电工领域的基础研究和应用基础研究仍会是一个百花齐放蓬勃发展的局面，和其他学科的融合交叉是它的显著特点。1.和信息科学的交叉信息学科的发展是和电工学科的发展紧密联系在一起的，现在他们之间的关联和相互促进，将更为明显。电力系统本身就是一个庞大复杂，要求反应速度快，安全可靠稳定的特大系统之一，信息领域的科技成果几乎都能在电力系统找到用武之地
11、，电力系统发展的需求反过来又促进了信息科学的发展。力系统的控制，稳定，分析，仿真，经济运行，电力设备的在线监测诊断等间题，仍是研究的热点，而且和信息科学的结合将更为密切。有人提出了数字电力系统的概念，可以预见，电力系统的前沿问题研究将和计算机技术，网络技术，通讯技术，自动化技术等领域前沿问题的研究同步发展。2.和材料科学交叉新材料的应用将极大地推进电力工业的科技进步，以硅橡胶材料为代表的有机绝缘材料在电力设备外绝缘上的应用就是一个成功的范例。迄今我国已有80余万支硅橡胶复合绝缘子挂网运行，硅橡胶防污闪憎水长效涂料已大面积推广应用，这两项新技术在防止污闪事故发生，保证电力系统安全运行方面作出了积
12、极贡献。高温超导材料在电力系统中的应用将有突破性进展，超导储能，超导变压器，超导电缆，超导电机，超导故障电流限制器等都有可能在不远的将来获得实际应用。高性能稳定廉价的超导材料，低温条件下的绝缘，低温条件的产生和维护等系列问题的研究仍需人们作出不懈努力。新型绝缘材料，磁性材料，半导体材料，合金材料等会更迅速的用于电力和电工设备，新材料的引人会对设备的设计制造起更新换代的作用。当今世界的研究热点纳米材料，也会在电力工业获得应用，其影响难以估量。3.和生命科学的交叉 生命的起源和进化是与包括宇宙射线及各种频率的电磁场在内的物理环境相适应的，随着人类文一的进步，人类制造的各种电气装置和电子设备向自然界
13、辐射出大量人工电磁场，其趋势有增元减，从而改变地球生命生存的环境，必然会对各种生命体的生存进化构成影响，调查和大量实验显示，电磁环境的改变对生物产生利与弊两方面的影响，如何利用有利影响，避免不利影响已是不容回避的问题，1996年世界卫生组织倡议，在全球范围开展电磁场生物效应的深入研究。在强电磁环境下工作人员的健康防护问题，由于缺乏电工和医生紧密结合的研究基础，各国指定的防护标准分歧很大。虽然电磁场技术已在骨折愈合，骨质疏松的防止，肿瘤诊治等方面获得良好临床效果，在农作物育种，禽蛋孵化，水箱养鱼等方面也获得成功应用，但总的现状是基础研究落后与应用技术研究，由于机理不清，导致应用技术开发的科学依据
14、不足，从而也制约了应用技术的研发。本领域的基础研究应采用理论与实验相结合，宏观与微观相结合的方法，揭示电磁场对生命体作用的根本机理。 4.与环境领域的交叉电工技术在治理大气污染的脱硫脱硝，难降解工业废水处理，有毒有害固体废弃物处理，汽车尾气处理等问题上都在开展积极的研究，有些成果已进行中试，或己得到工业化应用。现存的问题也是基础研究落后于应用技术的研究，脉冲功率技术，等离子技术，电力电子技术在和环境领域的交叉结合中将大有作为，在机理问题的研究中必须和化学及环境领域专家紧密结合。除上述领域外，电工学科还将在与数学，物理，化学，新能源等领域的交叉中开拓新的方向，会在基础研究和应用基础研究中和其他学科相互促进，为推动国民经济发展和科技进步作出创造性贡献。