Topic 2 展望电力电子学科的未来 (Prof. Xu)

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,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kW,2001年后,能源形势发展急升,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0%,因此节约电具有重要的意义,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%。,开发新能源,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2006,2001-2006，世界PV产业年均增长率为41%,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:1215%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:1012%单位面积峰值功率:100Wp/m2价格.30-40元/Wp,非晶硅效率:%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，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:APFDVRSVC稳定性:SVCSVG可控制性输送能力:HVDCUPFCTCSC,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,PowerElectronics,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.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$100,Source: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20042020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,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,SOP,DiscreteComponents,PassivePEBB,EMIFilter,ActivePEBB,Frontview,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,MOSFET,IGBT,GTO,IGCT,GTR,SCR,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、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