展望电力电子学科的未来

展望电力电子学科的未来徐德鸿浙江大学2008年4月12日目录•传统角色→新角色•两极化•电力电子器件演化与收敛•电力电子教学内容的革新•总结传统角色→新角色新角色:节约能源节约资源开发新能源电力环境的治理(电能质量\稳定性\可控制性\输送能力)环境保护传统角色:电能的高效率变换为计算机\通讯\自动化装置\仪表\工业装置提供高质量交流或直流电源运动的高效率、精密、快速的控制,满足工业过程要求2224214030024701000200030004000500060008081828384858687888990919293949596979899000102030405Energyconsumption010002000300040005000600070008000GDPGDP（Bil.RMB，）TotalEnergy（MilTce）Coal（MilTce）Oil（MilT）GDPvs能耗electricity（10BilkWh）1980~19851985~19901980~19901990~19951995~20002000~2005GDPincrease10.71%7.87%9.28%12.00%7.97%9.50%Energyincrease4.93%5.18%5.06%5.85%1.74%9.90%Energyrate/GDPrate0.460.660.540.490.221.04节约能源：我国能源消耗情况•2001到2005间年均能耗增长率10%•是1980到2000间的两倍•全社会年能耗:2000:14亿吨标准煤2005:22亿吨标准煤–原油进口:2000:7300万吨2006:1.69亿吨–电力装机:2000:3.2亿kW2006:6.2亿kW2001年后,能源形势发展急升GDP(万亿RMB)Ref.year2000Energyconsume(亿吨标煤)GDP/person(RMB)Energy/万元(Tce)20051822140621.2120102625195680.972010年:单位GDP的能耗减少20%节约能源：十一五节能规划70%节能基于调整产业结构30%节能依靠科技•节能改造的投资:8000亿•矿产、钢铁制造、水泥制造•电厂、宾馆、公共设施节约能源：电能节省Source:ZVEI,Siemens,CEMEP,CPES,EPA,NRDC我国电能消耗占能源消耗５0%,因此节约电具有重要的意义负荷分类预期节能Powersupply:-stand-by,-active,…-ComputingEC-BallastDaylightdimmingHID,LED,…Factoryautom.Processengineering,Heavyindustry,Lightindustry,…Transportation:Train,Bus,Car,…Homeappliance:Fridge,WM,HVAC80+/90+Electroniccontrol90%1%1%25%30%25%40%InformationCommunicationConsumer24%Lighting21%Motorcontrol55%-stand-by-activeVariableSpeedDrive(VSD)VSD+ReverseEnergyVSD节约资源•铜、钢材的原材料的价格攀升•高频变压器替代工频变压器,•无源元件的小型化，UPS•非50Hz电动机MoreSi,lesscopperandiron我国《可再生能源中长期发展规划》•到2010年，可再生能源消费总量的比重达到10%，2020年达到15%。年份发电类型20102020风电（万kW）5003000光伏发电（万kW）30180生物质发电（万kW）5503000水电(亿kW)1.93开发新能源0.0050.020.86.72970.40.1装机(亿kW)%2000200520202050中国非水新能源规划@中国电力科学研究院•非水能的可再生能源发电:风能、太阳能与生物质能2006年世界新增装机容量1519.7万kW，累计装机容量7430.6万kW我国联网风电场总装机2005年为126.4万kW，2006年达到258.8万kW，年增长率104%；我国规划2020年达3000万kW，乐观估计2050年可达数亿kW规模。风力发电我国联网风电场总装机世界风力发电发展迅速!光伏发电全球PV发电装机累计容量各国的市场分额（2007）市场分布20062001-2006，世界PV产业年均增长率为41%年200420102020累计装机容量（kW)6.5万30万180万分布式发电3万12万(40%)70万(40%)我国光伏规划市场预测CompetitivenessbetweenelectricitygeneratingcostsforPVandutilitypricesInSpain,wherePVinstallationsproduceupto1800kWh/(kWp*a),PVelectricitycanbeproducedforapprox.0.20€/kWh,sothattheelectricityisasexpensiveasutilitypeakpower.InGermanyPVplantsproduceonlyaround900kWh/(kWp*a).ThereforePVpowerwillbeasexpensiveasutilitypeakpowerin2020.光伏发电价格西班牙德国单晶硅•效率:12–15%•单位面积峰值功率:120Wp/m2•价格.40-50元/Wp光伏电池分类多晶硅•效率:10–12%•单位面积峰值功率:100Wp/m2•价格.30-40元/Wp非晶硅•效率:４–９%•单位面积峰值功率:50Wp/m2•价格.50-60元/Wp•可以卷折薄膜型PV市场分额,2003薄膜型光伏电池传统PV生产过程为高能耗,成本降低已趋于饱和国际上看好薄膜型光伏电池Amultijunctiondeviceisastackofindividualsingle-junctioncellsindescendingorderofbandgap(Eg).Thetopcellcapturesthehigh-energyphotonsandpassestherestofthephotonsontobeabsorbed传统服务对象电能的产生＼传输＼分配＼应用由于主要器件为ＳＣＲ，二极管，为整流性器件,决定整流方式应用直流电源、电解、发电机励磁、直流电机调速比较成功逆变应用为感应加热电源,少量应用于交流调速（cycleconverter).少量应用无功补偿（TSC,TCR,SVC),HVDC主要服务于用电整流应用为主流。80、90年代的电力电子技术教科书1/2介绍整流用电未来服务对象未来电能的产生＼传输＼分配＼应用服务于电能产生＼传输＼分配＼应用全过程提高电力系统的可控性，实现电力系统高效、经济、稳定、安全的运行•电能质量:APF\DVR\SVC•稳定性:SVC\SVG•可控制性\输送能力:HVDC\UPFC\TCSC电力环境的治理环境保护•京都议定书COP3的缔约国（2005生效）•2007年G8（GroupofEight）会议指定2050年减排50%•第二排放国措施：扩大再生能源应用比例发展新能源节能技术的应用PowerElectronicsKeytech.CO2andNOxreduction汽车与石油•从1957年新中国的第一辆汽车正式生产下线•1992年中国汽车产量突破100万辆•2006年，中国汽车产量为728万辆。•已超过德国，居世界第三位•2007年我国原油消费量约为３.46亿吨，同比增长7.3％。原油对外依存度达到46％。•国际油价突破$1001.0x0.32x0.92x0.80x0.90=0.211100milesperbarrelTEXACO1.0x0.87x0.95x0.16=0.13670milesperbarrelSource:EPRI电动汽车vs.汽油车能量利用率EV:GasV=1:0.6电气化铁道和城市轨道交通•30%电气化铁道•2004－2020投资约20000亿•Drives,auxiliarypowersupply,SVC,APF•铁道部＋科技部：“高铁行动计划”交通电气化是必有之路•石油瓶颈、能源安全•汽车平民化社会发展，电动汽车是唯一道路•环境保护•城市交通问题解决：轨道交通+电动汽车+智能交通管理两极化发展微型化：短、小、轻、薄到功率集成模块（IPEM）巨型化：高压、大功率化Source:PSMA12W/cc=1cubicinch=16.4cubiccm微型化巨型化（MW-GW)微型化：功率集成模块（IPEM）SOC电源变换器IC技术Pol电源模块有源元件集成无源元件集成封装技术热设计SOPDiscreteComponentsPassivePEBBEMIFilterActivePEBBFrontview巨型化：电力的发、输、配、用全过程1999年瑞典HVDC，70kM，容量为50MW/65MVA,直流80KV，2.5kV压接式IGBT串联轻型HVDC输电2.8MVAGTO水冷牵引逆变器1.2MVAIGBT水冷牵引逆变器15MVA变流器3250kW/6kV高压变频调速系统电力电子器件演化与收敛高压大容量化，光驱动昔日的自关断器件的骄子，如今走到尽头MOSFETIGBTGTOIGCTGTRSCR小功率电源世界的骄子，最快的固体开关最具实力扩张主义者，高压化、高频化与低压降技术GTO的改良派，企图改变岌岌可危局面岌岌可危，面临挑战者IGBT感想收敛到MOSFET和IGBT？传统电力电子教学以电路及其相移控制、ＰＷＭ调制控制为核心系统为核心光伏电池特性燃料电池风力发电机特性蓄电池电网特性传动特性系统分析、模型、控制系统仿真、设计电、磁、机、热多物理的仿真系统的能量管理电能质量传热学电磁兼容电力电子电路电力电子系统技术电力电子与电力传动学科教学内容的革新总结我们正处于电力电子技术高增长拐点，应适时地革新人才培养计划、学科方向的布局和投入，以促进电力电子技术的发展和更广泛的应用，造福人类！Thank