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变频调速"
新业务》
报告要点
●电力电子技术无处不在、天生具有节能效果
预计全球未来将有95%以上的电能要经过电力电子技术的处理后才能使用。
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)。
应用电力电子技术改造传统设备,节电量将达500亿千瓦时,相当于全国总发电量的1/10。
●电力电子技术的核心是电力电子元器件
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,以功率MOSFET和IGBT为代表的功率半导体器件的诞生,标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
CCID预计电力电子器件的年平均增长速度超过20%。
IGBT等新型电力电子器件的年平均增长率超过30%。
●电力电子装置种类繁多、行业应用范围极广
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。
●重点关注公司
荣信股份、国电南自、许继电气、动力源、金自天正
正文目录
一、电力电子技术的概念3
二、电力电子技术的节能效果4
三、电力电子元器件的发展5
1、整流器时代5
2、逆变器时代5
3、变频器时代5
四、电力电子装置及系统——电力电子技术在各行业的应用6
1、变频器——2000-3000亿元的市场总容量7
2、电子电源——每年170亿元以上的市场需求9
3、电力电子技术在电力系统中的应用——需求巨大、细分市场众多10
1)发电系统11
2)输电系统13
3)配电系统17
4)用电系统(略)17
五、行业内重点跟踪公司推介17
荣信股份(002123)17
国电南自(600268)18
许继电气(000400)18
动力源(600405)19
金自天正(600560)19
图表目录
图表1电力电子行业的市场需求结构3
图表2电力电子元器件技术的发展历程5
图表32005-2009中国功率器件(电力电子器件)市场规模6
图表4电力电子技术在各个行业的应用例示7
图表5不同类型的变频器市场份额7
图表6变频器行业的市场需求变化及未来增长8
图表72006年中国UPS市场结构统计(按功率)10
图表8引风机变频历年应用情况统计12
图表9电力行业各类设备变频应用情况对比12
图表10DSTATCOM技术在配电网的应用17
表格12005年中国电力电子制造业前十家企业(单位:
万元)3
表格2高压变频传动产品的国内市场总容量情况8
表格32004年中高压变频器领域主要厂家市场份额9
表格4电力电子技术在电力系统各个环节的应用11
表格5300MW机组应用高压变频配置情况13
表格6FACTS设备的典型应用实例14
表格7未来规划建设的高压直流输电工程项目15
表格8各类无功补偿装置比较16
表格9国内电力系统领域对SVC产品未来五年的需求情况16
表格10电力电子行业重点上市公司评级与估值19
一、电力电子技术的概念
电能的主要参数是电压、电流和频率。
电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术,基本功能包括:
整流(交流变成直流)、逆变(直流变成交流)、斩波(直流变成直流)、变频(改变供电频率)、开关和智能控制等。
它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能,以适应千变万化的用电装置的不同需要。
电力电子在国民经济中具有十分重要的地位。
为了合理高效地利用电能,现在发达国家电能的75%要经过这种变换或控制后使用,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。
即使如此,按照目前的增长比例推算,到2010年我国将有25560万千瓦电能需要变换或控制(备注:
到2010年末,我国电力需求将达到3.81亿千瓦时,发电装机总容量将达到8.52亿千瓦),可见电力电子技术在国内发展的潜力是十分巨大的。
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造业,从市场需求和产业链的角度,我们将电力电子行业概括为三个领域,一是电力电子元器件(上游),一个是电力电子装置(中游),再就是电力电子技术在各个行业的应用(下游)。
据国外资料统计:
电力电子元器件、电力电子应用装置、各行业应用市场需求比例是1:
3:
57。
2003年国际电力电子器件市场为105亿美元,支持着320亿美元的电力电子应用装置,牵动支撑着6000亿美元的应用市场。
中国电器工业协会统计,2004年国内电力电子制造业产值和销售收入规模在20亿元以上,由于该数据统计的口径仅限于电力电子行业中部分国内制造企业,并且主要以元器件企业为主,因此,我们认为,实际规模远远大于此,假设国内电力电子元器件企业的销售收入规模为20亿元,那么按照上述比例推断,包括电力元器件、电力电子装置和行业应用在内的全部市场容量每年至少都在1000亿元以上。
图表1电力电子行业的市场需求结构
中国电器工业协会(CEEIA)
万元)
位次
企业名称
2005年销售收入
2004年销售收入
增幅
1
北京金自天正智能控制股份有限公司
30042
18253
64.6%
2
扬州晶来半导体(集团)有限责任公司
21936
20940
4.8%
3
天津市环欧半导体材料技术有限公司
14097
7662
84.0%
4
西安西电电力整流器有限责任公司
13800
13711
0.7%
5
株洲南车时代电气股份有限公司电力电子事业部
13336
13168
1.3%
6
九江整流器厂
5027
4894
2.7%
7
北京京仪椿树整流器有限责任公司
4605
3646
26.3%
8
青岛半导体研究所
2396
1491
60.7%
9
河北华整实业有限公司
2079
1633
27.3%
10
丹阳可控硅元件厂
2072
1060
95.5%
二、电力电子技术的节能效果
电力电子技术天生具有节能的效果。
应用电力电子技术改造传统设备,单台节电率平均可达20%左右。
如在全国推广,节电量将达500亿千瓦时,相当于全国总发电量的1/10。
采用巨型晶体管(GTR)等功率集成器件的交流高效调速装置,可使风机和泵类设备调速运行的耗电量比传统的节流方式要少30%左右。
我国现有风机和水泵2000多万台,总耗电量占全国发电量的30%以上,其中70%靠调节挡板或阀门变流量运行。
如有1/3改造为调速运行,即可节电150亿千瓦时。
如果交流电力机车也采用变频调速,可节电近30亿千瓦时。
用栅极可关断晶闸管(GTO)开发的直流高效调速方式的载波调波装置,以取代电阻器,用于城市电车、工矿电机车和电瓶车调速运行,可节电20%左右。
沈阳市改造了500辆无轨电车,年节电400多万千瓦时。
如将GTO载波技术推广到全国,则可节电10~30亿千瓦时。
采用静电感应晶闸管(SITH)或功率MOS场效应晶体管(MOSFET开发的)、能可靠地工作于50kHz的高频镇流器替代工频电感镇流器,可节电20%以上;
若用稀土三基色高效荧光灯和电感镇流器则可节电50%。
我国照明用电占全国总发电量的8.0%以上,如能改造2/3,则可节电130亿千瓦时。
采用MOSFET开发的逆变式电焊机,电工频交流和直流弧焊机节电30%~40%,省材3/4。
改造1万台直流弧焊机则可节电1亿千瓦时。
若使工频电炉高频化,则效率将由50%提高到70%以上。
采用不对称晶闸管(ASCR)或MOSFET、SITH,使中频电源高频化,不仅可提高电热转换效率,而且可扩大应用领域。
我国正在运行的12000台标准高频电炉(以100千瓦为基准),由于高频振荡器仍沿用电子管,因此,整机效率只有50%左右。
若用静电感应晶体管(SIT)代替电子管,则效率可达80%左右(其中高频功率转换效率可达90%左右),微观节电30%~40%,宏观节电量达10亿千瓦时左右。
全国配电变压器若有70%配装无功补偿自控装置,则可节电100亿千瓦时。
若采用双向晶闸管(BSCR)开发大功率交流过零无触点开关,不但可大大降低用电设备的起停冲击能耗,并可延长设备的使用寿命。
三、电力电子元器件的发展
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。
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。
图表2电力电子元器件技术的发展历程
长江证券研究部整理
1、整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。
大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。
2、逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。
变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。
在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。
类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。
这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
3、变频器时代
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。
据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。
CCID研究认为,电力电子器件的年平均增长速度在20%附近,2005年市场容量超过200亿元。
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。
2005年中国IGBT器件销量达到1.33亿只,和2004年相比增长44.0%;
销售额达到23.0亿元,比2004年增长25.3%。
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、IXYS、ST是国内IGBT市场中销售额位于前10位的企业。
图表32005-2009中国功率器件(电力电子器件)市场规模
CCID
四、电力电子装置及系统——电力电子技术在各行业的应用
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、系统化和绿色华(无谐波公害)发展。
未来应用热点是变频调速、电力系统电力电子化、汽车电子、信息、办公自动化、家电用电力电子,牵引用(电力机车、城市轨道交通车)电力电子、新能源(太阳能、风能、燃料电池)逆变装置等(如下图所示)。
图表4电力电子技术在各个行业的应用例示
我们主要分析电力电子技术重点应用的几个领域,包括变频器、电子电源、电力系统应用等三大方面。
1、变频器——2000-3000亿元的市场总容量
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。
以电压为标准,通常把低于690V的定为低压变频器市场,譬如220V和380V;
高于这个等级的为中高压变频器市场,常见的电压等级有1,140V、2,300V、3,000/3,300V、4,160V、6,000/6,300/6,600V和10,000V。
以功率为换分标准,变频器通常划分为<
=7.5KW、11-30KW、37-90KW、>
=110KW四个功率段;
如果以负载类型为标准,则划分为三类:
一是提升负载,主要使用行业为电梯和起重,此类变频器需要适应频繁的起停和正反转、大启动转矩,由于是与人直接相关的作业,对可靠性有着非常高的要求。
这些特点决定了提升负载是技术门槛最高的一个类别。
二是机械负载,它是变频器市场最大的一块,占据市场的近一半。
除了冶金(轧机等)和造纸采用较大功率变频器之外,主要运用于配套较小功率变频器的OEM市场,如纺织机械、包装机械等。
机械负载对精度有较高的要求,同提升负载一样,多采用矢量型变频器。
三是风机水泵类负载,这是最为常见的运用类型,负载较为简单,技术要求不高。
因此,也可以把这块市场看作变频器的低端市场。
图表5不同类型的变频器市场份额
中国工控网
变频器的市场很大,在电力、机械、交通、纺织与化纤、建材、建筑、石油、化工、医疗、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程(中央空调、供水、水处理、电梯等)中,变频器都在发挥着重要作用。
2004年,工控网统计数据显示,中国变频器市场规模(供应商端销售额,不含税)为66.3亿元人民币、48.4万台、810万KW。
工控网预计未来几年行业增长如下:
图表6变频器行业的市场需求变化及未来增长
由于统计口径和统计方法的不同,中国机械研究院对高压变频器(6KV-10KV)市场需求的预测相对比较乐观,不含软启动装置,对2005年变频器(含中低压和高压)市场规模的分析结论与中国工控网大体一致,约为70亿元。
表格2高压变频传动产品的国内市场总容量情况
主要产品
市场总价值
(亿元)
2005年情况
高压变频调速装置
1000
50
其中:
(1)通用型高压变频器,主要应用于冶金、电力、煤炭、矿山、石油、化工等各领域的风机、泵类传动控制,已基本实现替代进口
300
20
(2)牵引型高压变频器,主要用于矿井提升机牵引变频、轧机变频传动、船舶传动、造纸机传动以及高速机车主传动等,基本上是进口产品。
700
30
高压电机软启动装置
40
(1)普通软启动装置,主要用于各种低容量、小启动转矩电机的软启动控制,国产化率正在提高。
(2)高压大功率电机软启动装置,主要用于各种高压大功率、大启动转矩电机的软启动控制,主要依赖进口。
中低压变频调速装置
合计
3000
110
中国机械研究院
不管怎样,中国的变频器市场目前正处于一个高速增长的时期,是一个不争的事实。
在过去的几年内中国变频器市场保持着12%~15%的增长率(高压变频今后增长速度最快,预计超过50%),这个速度已经远远超过了近几年的GDP增长水平,而且至少在未来的5年内保持着10%以上的增长率。
考虑到大约4~6%的价格下降,中国市场上变频器安装容量(功率)的增长实际上在20%左右。
按照这样的发展速度和中国市场的需求计算,至少在10年以后市场才能饱和并逐渐成熟。
目前,国内生产厂家逐年增多、发展速度较快,尤其是沿海开放省市如广东、山东、上海、江苏等,较知名的厂家有安圣、森兰、惠丰等。
另外,国外知名厂家纷纷来华合资、投资建厂,以降低成本,更优的价格供应国内市场,并已挤占相当的市场份额,如ABB、日立、台达等。
国内企业与国外大公司在技术上相比,还有较大差距。
国产变频器的档次低,主要是低压(400V)小容量(315kW以内)产品。
而对功能先进(含矢量控制、直接转矩控制)、高电压(3000V以上)、大容量(1000kW以上)变频器,国内还处于研制阶段,未见成熟产品,尤其是高压大容量型,目前国内尚属空白。
而且,核心部件受制于人,国产机所需半导体功率器件的生产几乎是空白,不得不依靠进口。
表格32004年中高压变频器领域主要厂家市场份额
排名
厂商
销售额(亿元)
份额
1
西门子
4.20
49.4%
2
罗宾康
1.40
16.5%
3
利德华福
0.95
11.2%
4
ABB
0.40
4.7%
5
罗克韦尔
0.45
5.3%
其他
1.10
12.9%
2、电子电源——每年170亿元以上的市场需求
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。
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,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。
根据信息产业部计算机与微电子发展研究中心(CCID)统计(1998年以前数据)和赛迪顾问市场调查(2000年以后数据)显示,1998年到2003年,UPS年均销售86.1万台,年均销售额约22.43亿元人民币。
赛迪顾问统计2006年UPS电源市场需求规模约为26亿元,市场需求结构情况如下图:
图表72006年中国UPS市场结构统计(按功率)
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。
3、电力电子技术在电力系统中的应用——需求巨大、细分市场众多
电力系统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,如表4所示。
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。
表格4电力电子技术在电力系统各个环节的应用
应用分类
应用装置举例
发电
发电机交直流励磁装置、水力和风力发电机的变速恒频励磁、发电厂风机水泵
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