展望电力电子学科的未来

1、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T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一新角色传统角色：/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，满足工业过程要求新角色:/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）/环境保护节约能源:我国能源消耗情况GDP vs能耗800070000040IUS4U00600000201000GDP(Bil. RMB)Total Energy (Mil T-22250004000Q.3000 吕402000Co

2、al (MilTeeOil (Mil T) electricity (TO&ij. kWh)_ =一一一30(247080 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 9798 99 00 01 02 03 04 052001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 kW10002001年后，能源形势发展急升1980-19851985-1

3、9901980-19901990-19951995-20002000-2005GDP increase10.71%7.87%9.28%12.00%7.97%9.50%Energy increase4.93%5.18%5.06%5.85%1.74%9.90%Energy rate/GDP rate0.460.660.540.490.221.04节约能源:十一五节能规划GDP(万亿 RMB) Ref. year 2000Energy consume (亿吨标煤)GDP/person (RMB)Energy/万 元(Tee)20051822140621,2120102625195680.972010

4、年:单位GDP的能耗减少20%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：电能节省我国电能消耗占能源消耗5 0%,因此节约电具有重要的意义负荷分类预期节能Power supply:-stand-by,-active,.-ComputingInformatio n Commun icati on Con sumer 24% stand-by active80+ / 90+90%1%1%EC-Ballast Daylight dimming HID, LED,.Lighting21%Electronic control

5、25%Factory autom. Process engineerinc Heavy industry, Light industry,.VariableSpeedDrive (VSD)30%Transportation: Train, Bus, Car,.Motor control55%VSD +Reverse Energy25%Home appliance:Fridge, WM,HVACVSD40%Source: ZVEI, Siemens, CEMEP, CPES, EPA, NRDC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M

6、onthly Copper USD 3M6 JJiJiJ10.008.000Engineering24%Electrical17%Uses of Copperr-_MH r-QIY r-QE geM 芒so 寸 oo-lld 寸号 寸口 q-ll亠More Si, less copper and iron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开发新能源中国电力科学研究院我国联网风电场总装机（2

7、）100 MWQ 50MW O 20 MWO 10 MW 1 MWO己建O在建O规划建设已建、在建和规划建设风电场分布图风力发电O30O OO O 1;三购三琳O OO-U OU1Q90 1993 1995 1996 1997 1998 1999 20W 2001 2002 2003 2004 2005 2006年25892006年世界新增装机容量1519、7万阪 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。世界风力发电发展迅速!光伏发

8、电Ochers各国的市场分额（2007)Onsjrrefa12% mor e raotacon全球PV发电装机累计容量2001-2006,世界PV产业年均增长率为41 %我国光伏规划年200420102020累计装机容量（kW）6.5万30万180万分布式发电37 j12万(40%)70 万(40%)3fe*nany45%Japan |1S% Gerrarr/ Japan USA口 2pain Qira口 Others-Ghd uttryRsr-crte Intnsl6%Grw 羽wartai42% Enner匚 fieiute nsblaUcr Reirte tdustri3i 口 Ghd

9、Jttty Grflres(fentt3： Gru corrmerta市场分布2006光伏发电价格I Photovottaics/kWhn ubhty peak powr1西班牙0.0Bulk power9(m附氛0.60 Wh100 Na:傀30 CJkWh徳国19020002010202020302040Competitiveness between electricity generating costs for PV and utility prices In Spain, where PV installations produce up to 1800 kWh/(kWp*a), P

10、V electricity can be produced for approx. 0.20 /kWh, so that the electricity is as expensive as utility peak power. In Germany PV plants produce only around 900 kWh/(kWp*a). Therefore PV power will be as expensive as utility peak power in 2020.光伏电池分类单晶硅效率:12-15 %单位面积峰值功率：120 Wp/m2价格.4050元/Wp多晶硅效率：10

11、-12%单位面积峰值功率：100 Wp/m 价格.3040元AVpotherthin films 3%非晶硅效率：4 9 %单位面积峰值功50 Wp/m2价格.50-60元/Wp可以卷折薄膜型PV薄膜型光伏电池el!1 (Eg1)p cellIISubstrateTunnel diodeBottom cell Anti reflect io n coating Au grid363228242016128()&U9P 匚UJ- MultijurKtion Conccntraitoro Thee-iuncbor - Crystalline Si Cdto- Sng)e(r/5tBl Multer

12、ysia&neThin Film TeGhnoiogieo Cg怖3短 OCdTeO A mocphois Si H (stsblzcd)Emerging PV OgsnccsiteRCAJh%CelU(E93)A multijunction device is a stack of individual single-junction cells in descending order of bandgap (Eg). The top cell captures the high-energy photons and passes the rest of the photons on to

13、be absorbedSCAOKbbhFHTechme.Lkwracy 3匕g 8e6elr/ BretsIhwenfy CTFCA40197519801985199019952000RCA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电能的产生传输分配应用Ruildinas|PCj.用电传统服务对象由于主要器件为s C R,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(cycle convertci*).少量应用无功补偿(TSC,TCR,SVC),HVDC/主要服务于用电/整流应用为

14、主流。80、90年代的电力电子技术教科书1/2介绍整流/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、安全的运行电力环境的治理电能质量:APFDVRSVC 稳定性:SVCXSVG 可控制性输送能力：HVDCUPFCTCSC京都议定书COP3的缔约国(2005生效)2007年G8 (Group of Eight )会议指定2050年减排50%第二排放国CO2 and NOx reduction措施： 扩大再生能源应用比例发展新能源 节能技术的应用Key tech.Power Electronics汽车与石油从1957年新中国的第一辆汽车正式生产下线 199

15、2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%o国际油价突破$10011jtf11 iI r 1 J4Jyf1/神A*Oil Prices, 1994-March 2008 (NYMEX Light SweetTTI)1201001 0 x0.32 X 0.92 X 080 X090=0.21 1100 miles per barrel1.0 x 0.87 x0.95x0.16Source:EPRI能量利用率EV: Gas V=l:0.6电气化铁道和城市轨道交

16、通30%电气化铁道2004 - 2020投资约20000亿Drives, auxiliary power supply, SVC, APF铁道部+科技部十高铁行动计划”J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巨型化（MW-GW）微型化：短、小、轻、薄到功率集成模块（IPEM）Isolated DC/DC Converter Power DensityYearSource:PSMA1 cubic inch=16.4 cubic cm巨型化：高压、大功率化微型化:功率集成模块(IPEM

17、)EMI Filter PEBBPol电源模第soc电源变换器IC技术1 SiC DiodeI.IOSFEMOSET=宅0 ejegPassive PEBBr-6T:V RFC ! DODCActive PEBBSOP有源元件集成 无源元件集成 封装技术 热设计EMI FilterPassive PEBBDiscrete Components(% v r巨型化:电力的发.输.配.用全过程轻型HVDC输电1999年瑞典HVDC, 70kM,容量为50MW/65MVA,直流80KV,2. 5kV压接式IGBT串联2. 8MVA GTO水冷牵引逆变器1.2MVA IGBT水冷牵引逆变器e/cir6K2系列一殷1 5个成21十功38便块. 曲5个皿7个功率桜块钩咸一411.15 MVA变流器3250kW/6kV高压变频调速系统CS 一 qns 七 w J03os*8000=0GTR昔日的自关断器件的骄子，如今走到尽头MOSFETIGBT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