特种电容器在新能源产业中应用（上）

特种电容器在新能源产业中应用的初步探讨

孙绪爽，周峰

（铜陵同飞科技有限公司，铜陵，244000）

摘 要：随着能源危机日益临近，新能源已经成为今后世界上的主要能源之一。越来越多的企业在设计太阳能发电、风力发电、智能电网电源管理系统、新 能源汽车的电池模块及其控制系统的时候，都要使用到高频高脉冲、耐高压、大电流、大容量、长寿命的特种金属化薄膜电容器（以下简称特种电容器），对此 类特种电容器的市场前景、如何选用等，本文将作初步的探讨。

关键词: 新能源、风力发电、智能电网、特种电容器、节能环保。 

0 前言

   电容器在现代电子信息产业中，广泛应用于各种家用电器、计算机、移动通 讯、汽车电子、风力发电、智能电网、航空航天、轨道交通等领域。《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》提出，节能环保、新一代信息技术、生物科技、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车七个产 业将被重点培育。这些新兴产业为电容器提供了新的机遇和发展空间，同时，也提出了更高的 要求。各行各业都会将目光注视到新能源给各自企业所带来的新的机遇。

   随着电子、电力工业和信息化技术的高速度发展，特别是近几年来节能环保、 低碳减排技术的发展和绿色能源的开发（节能光源、风力发电、太阳能利用、洋流和潮汐能发电等）及智能电网的发展对金属化薄膜特种电容器的需求量越来越大。高科技的应用和发展对电容器的品种、技术性能、可靠性水平、结构形状、几何尺寸及使用安全性也提出了愈来愈苛刻的要求。同时，特种金属化薄膜电容器生产技术的不断改进（介质材料、加工技术、试验技术）和产品设计结构的变革，大大拓宽了特种电容器的应用领域，推动了电容器制造业如火如荼的发展。

1 特种电容器的分类及市场分析

   为新能源、智能电网配套的特种电容器属于绿色环保、防止电网污染、抗电 磁干扰和防爆节能型电容器，具有耐压高、体积小、损耗小、安全防爆、抗震等优点，主要功能是吸收谐波――滤波、提高功率因数――储能补偿，广泛应用于风力发电、电网滤波和节能补偿、轨道电气化交通、各类逆变器和变流器、电网节能和改善电力品质、智能电网输变电设备等领域，市场前景广阔。其系列产品主要包括风电滤波补偿电容器，电力机车电容器，特种滤波电容器，电网滤波和补偿用高压电容器。文献【3】中，对四个系列特种电容器的市场初步分析如下：

1.1 风电滤波补偿电容器

   风能作为一种清洁的可再生能源，风力发电方兴未艾，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为 2.74×109 兆瓦，其中可利用的风能为 2×107 兆瓦。随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来，2009 年全球风力发电新31%，共增加 37500 兆瓦新装机容量，全球总装机容量达到157900 兆瓦的新高峰，欧洲的德国已经达到 27000 兆瓦，丹麦、西班牙等国家风力发电量占国家能源的 30%。风能的持续增长，主要来源于世界主要市场积极的国家能源政策，以及许多国家政府将可再生能源作为其经济复苏计划的一部分。

   风电机组目前在使用主流的变频器主要有 1.5MW 和 0.75MW 的两种，后者在大型风电场将逐步被淘汰。1.5MW 的变频器又分为直驱和双馈两种拓展结构。 因为直驱变频器的种种优势，将来主流的风力发电变频器将是直驱结构（直驱结构的变频器使用的电容器容量大于双馈结构），功率将以 1.5MW、2MW、3MW 为主。目前 1.5MW 双馈结构风电变频器已经大批量在国内风电场使用，国产化的 1.5MW、2MW 直驱变频器也将逐步进入市场批量使用。

   进入 2013 年后，随着风电机组制造本土和合资企业生产稳定，国内采购风电滤波补偿电容器的市场将呈现爆发性增长。

1.2 电力机车电容器

   文献【2】中提出，用作铁路牵引的动力，最早出现的是蒸汽机车，随后逐渐被内燃机车和电力机车（电气化铁路、高铁、城市轨道交通运行的是电力机车）所取代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从DC—DC 传动，很自然地被更优越的 AC—DC 传动(交流发电机或交流供电→硅整流→直流电动机)所取代。但随着近年来电力电子器件的发展使变流技术领域产生了根本性的变革，大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，极大地促进了机车牵引技术的发展，使交流传动的优越性得以明显发挥。自 20 世纪 70 年代以后出现的 AC—DC—AC 传动(交流发电机或交流供电→硅整流→逆变器→交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了AC—DC 传动。

   目前电气化铁道使用单相供电方式为列车提供电能，使电力系统不可避免的产生了三相不平衡，并且我国目前运营的大部分机车采用 AC-DC 单相晶闸管半控整流制式，典型如 SS4、SS8 以及 SS9 型机车，本身就是一个谐波源，此外，电力机车在启动终止时对于电网来说属于大的冲击性负载，对于电气化轨道电网的电能质量、无功功率的平衡都有很大的影响。由于牵引变电所供电技术指标和经济性能均与无功、谐波和负序有关，建立有综合补偿作用的补偿装置就十分重要。其综合补偿作用应主要体现在：

a、补偿无功，提高功率因数； b、降低负序； c、降低母线电压损失，提高网压水平；
d、降低牵引变压器功率损失和网损(降损)，提高牵引变压器的容量利用率(增容)，并由此提高运输供电能力等。 

   我国电气化铁路牵引变电所无功补偿装置绝大部分采用并联电容器固定补偿模式。这种固定补偿装置由于采用分级补偿，牵引负荷的剧烈变化，便造成轻载无功的过补偿和重载无功的欠补偿，无法达到月平均功率因数 0.90 的国家标准， 因而造成罚款，有的变电所罚款甚至达到百万之巨，增加运营成本。而且，这种补偿装置一般采用机械开关投切电容器，响应速度慢，无法满足对牵引负荷进行动态无功补偿的需要。为解决上述问题，SVG 动态无功补偿装置可以较好的解决因系统无功功率波动问题带来的过补偿和欠补偿的问题，改善了电能质量；从经济角度讲，避免了牵引变电所每个月的巨额罚款，同时 SVG 本身具有滤除谐波的功能，节省了谐波治理装置的用地，减少牵引变电所占用土地面积。目前天津地铁供电系统、石太高速客运专线供电系统、包兰铁路万吨改造工程都采用了动态无功补偿的方法。SVG 具有优越的性能，是新世纪的环保节能型产品，它代表动态无功补偿装置的发展方向，尤其在电气化铁路、城市轨道交通、冶金、矿山等需要快速动态无功补偿领域有着无可比拟的优势，SVG 动态无功补偿装置中需要重要的电力电子元件――SVG 补偿、滤波电容器，将随着 SVG 无功补偿装置的迅猛发展，而快速增长。

1.3 特种滤波电容器

   一台逆变焊机的逆变电源用 MFD 滤波电容器 4 微法、5 微法、6 微法其中一只，MFD 滤波电容器 20 微法一只，MFO 滤波电容器 50 微法一只。用于变频调速电动机、风机、泵、压缩机，逆变焊机中逆变电源的特种滤波电容器市场，因节能减排、可持续发展的国策，而迅速地扩大。

1.4 电网滤波、补偿电力电容器

   滤波、补偿电力电容器主要应用于电力工业电网及智能电网的滤波和集中无功补偿，而电力工业是我国重点发展的工业，智能电网是我国电网发展的必然趋势，它将谱写电网建设的新篇章。文献【4】提出：至 2020 年，全社会用电量在 7.5 万亿千瓦时左右，发电装机容量超过 15 亿千瓦，实现人均装机 1 千 瓦、电量 5000 千瓦时的目标。随着装机容量的快速增长，今后 5 年内我国的电网也将有一个大发展，与此相配套的一个规模浩大的城乡电网改造工程也已经启动。电网终端用户几乎都是电动机、风机、压缩机等感性负载，无功损耗较大， 以及各类电气回路和晶闸管产生了大量的谐波，必须配容性补偿，抵消无功损耗， 吸收谐波。同时节能减排的国策，以及对滤波、补偿电容器在无功补偿改善电网功率因数、节能降耗，吸收谐波、提高电压质量和电力线路输送容量等方面重要作用的认识越来越深刻。这都为我国电力电容器行业提供了广阔的无功补偿用特 种电容器设备的市场空间。