创新驱动-—-能源电子学

1、Innovation Driven Energy Electronic创新驱动 能源电子学,Professor C.C. Chan Dr. ZHOU You Georg, One Thousand Talent Academician, Chinese Academy of Engineering Dr. MU Shujun Fellow, Royal Academy of Engineering, U.K., Founding President, World Electric Vehicles Association Dr. ZHANG Ding National Institute of

2、 Clean 纵览全球而非坐井观天； Harmony thinking between human and nature; 天人合一思维； Circle thinking instead of linear thinking; 环形思维取代线性思维； Closed loop thinking instead of open loop thinking; 闭环思考取代开环思考； Life cycle thinking instead of partial life thinking; 生生不息、全生命周期考虑，而非涸泽而渔、短暂考虑； 3R thinking (Reduce, Re-use, R

3、ecycle). 思考 减少消耗，再利用，回收。,创新之源泉和氛围 Innovation Sources 2. 公平的市场竞争； Fair market competition; 3. 完善的知识产权保护；IPR Protection; 4. 网路和大数据的支持。 Network and big data support.,Impacts on New Business Opportunities,跨界融合是占领创新制高点的要点 Cross-border Integration is the Key to the Heights of Innovation and New Business O

4、pportunities Integration of industries: Electrical, Electronics, Computers, IT, Materials, Chemical, Hardware, Software, etc. 跨专业、学科、行业：电气、电子、机械、信息、计算机、化工，软件、硬件。 Integration of Regions: East & West, North & South. 跨国界和地区 Integration of Business Models and Business Sectors. 跨不同商业模式,Global Grand Chall

5、enges 全球重大挑战,Societal Challenges in Asia / World,Opportunities for leading universities to pioneer new global research and innovation culture,在亚洲/世界的社会挑战,气候变化,网络安全,食物营养,传染性和慢性疾病,净水,可持续能源,快速城市化/宜居城市,人口老化,领先大学开拓新的全球性研究 和创造新文化的机会,Year,World population (*10-9),2,4,10,2000,1500,1000,500,0,0,2500,3000,6,8

6、,Energy transition - a necessity,The energy consumption per capita in specific countries,US, Canada,China (Transform development pattern scenario),China (BAU Scenario),EU, Japan,来源： 杜祥琬院士,15,2050年前中国能源结构的变化情景示意图（引自中国工程院报告）,来源：杜祥琬院士,Energy Electronics 能源电子学,AC,能源互联网全景图 ScenarioS of energy internet,网络

7、通信,DC,供热,天然气管线 热能输出,微网,电网,数据中心 大数据分析,能源路由器,制冷系统 分布式能源（燃 气冷热电联供）,智能社区（需求侧响应和管理）,天燃气发电,供热,商业和居民用户,风力发电,光伏发电,储能系统,经济运行调度中心 负荷侧能源管理 负荷云库,用电负荷,电动汽车,能源路由器,负荷参数辨识,智能仪表采 集用户数据,能源管理与 节能监测,用户侧电能 质量调节,电网侧电能 质量调节,经济运行调度中心,负荷侧能源管理 负荷云库管理 调度策略支持 能源管理节能监测 负荷特性上报,策略支持,移动应用,态势感知 负荷云库,储能熵的应用 一个简单的例子，能量网络中，包含了网络接口, 分布

8、式发电, 分布式储能和分布式负载，其中S是网络的状态，P(i) 是每种状态出现的概率。,基于储能熵理论的可持续能源系统,储能熵：代表了用来控制能量系统所需要的总的信息量。,Es能量输入（分布式发电），具有on 和 off，2种状态； EL能量输出（分布式负载），具有on 和 off，2种状态； Ec能量双向流动（分布式储能和网络接口），具有on+，on-和 off，3种状态。 从而我们将储能熵的概念引入得到如下式子：,信息熵：信息中排除了冗余后的平均信息量。,能源电子学,背景 传统的电网是一个能量连续流动的的物理系统； 对于能源互联网，由于储能系统的接入，系统能量的流动是间歇的、不连续的，这是

9、与传统能量系统的本质区别。 寻找一种低成本的途径，以使能量数字化，同时可以精确地管理与控制能量。 从能源与信息集成的角度来，提出了一个新的概念-“能源电子学”，其关键元素是能源网和信息网的融合。,传统的电力电子学,20世纪70年代末期，电力电子电路的引入，可视为能量数字化的早期尝试，但研究核心仍在电源电路拓扑与控制领域。因此，能量的数字化扔处于初级阶段。,储能的提出对电力电子学的发展具有很重要的意义。 如果用数字电子学中的术语来描述能量世界，能量存储可以被看作是能量内存或者能量寄存器。,基于变压器的能源系统,基于电力电子学的能源系统,模拟电路信号处理,数字电路信号处理,21世纪，一种新型的电力

10、电子变压器被研发出来，通过电力电子学变换装置使交流电压发生变化。与以下将数字电路引入模拟电路的过程相似。,传统电力电子学的发展,能源电子学,如同数据存储技术一样，能源存储技术可能为能源领域带来革命性的变化,模拟电子学,数字电子学,个人计算机,数字互联网,电力电子学,能源电子学,能源计算机,能源互联网,寄存器,储能,CPU,内存,能源CPU,能源内存,离散开关与储能是能量数字化的基础；能量数字化是能源计算机的设计基础,能源电子学的提出,几点说明： 没有储能元件的电力电子学可以被看作是能源电子学的一个特殊情况，因为电力电子元件内部本身就可存储很小的能量； 如果将电源和负荷看作一半功能的特殊储能，带

11、有电源或负荷的电力电子电路，也可以被视为能源电子学的特殊情况； 具有能量转换的能源系统可以被看作是能源电子学的普遍情况，因为它或者有储能或者有电源/负荷。,能源计算机,数字计算机,能源计算机的提出,将单向能量流动看作是电源或者负载，双向能量流动看作是储能；将控制能量流动的机制看作是能量调控，可以得到一个基于5个元素的最基本的能量系统，类似于冯诺依曼在现代计算机基本结构中介绍的5个基本单元。如上图所示。,能源计算机,几点说明： 尺度：任意发电机/变压器都可以通过标幺值统一起来，而不用考虑其真实值和应用情况。 时间：用时间尺度的标幺值概念，也就是倍率C来统一描述。 类型：在能源互联网的情况下，能量

12、变换可以是煤炭-能量，风-能量，光伏-能量，能量-氢，氢-天然气，天然气-热，天然气-能量，氢-能量等等。,能源操作系统,为了将这些分布式，动态的和通用的能源资产整合起来，并进行细致的规划利用，于是需要采用一种操作系统的方法来来达到最大的成本效益。这一操作系统被定义为能源操作系统。,能源互联网,和信息互联网类似的，我们期望建立一种自组织，自平衡，最重要的是具有自稳定特性的能源互联网。,基于云的大数据分析,分形结构 Fractal,基于实时网络的双向能量和信息流动的分形 1) 所有的智能能源调控功能将在分形结构的能源操作系统中实现，即形成了“系统中的系统”的概念； 最小的硬件单元被定义为装有最小

13、分形单元的“能源操作系统”的“能量计算机”。这就形成了能源互联网中最小的分形单元； 最小的分形单元被定义为能源互联网的“纳米结构”； 4) 任何已经存在的能源系统或者一部分都可以重新装备“纳米结构”的智能系统。,能源互联网,具有自相似特性的能源网络分层控制,云计算层：实现整网能源数据分析功能，由基于能源交易的应用程序模块构成。 雾计算层：实现区域的能量流分析功能，由基于能量分配的应用程序模块构成。 薄雾计算层：实现能量稳定域分析和控制，由基于能量稳定的应用程序模块构成。,基于能量与信息之间的关系希望将来会形成一种能源信息的综合网络，其中能量和信息以相同的形式存在，在相同的网络中进行传输，实现能源网络与信息网络的融合，也就是能源信息互联网。,能源电子学的应用,能量操作系统（EOS） EOS将满足未来能源系统需求，也将成为未来分布式能源控制和管理的架构基础。 在EOS中，任何分布式能源系统都将被视为“能源计算机”； 在能源系统中，作为“能量内存”设备的储能由“能量处理单元”（基于电力电子变流设备接口）中的软件程序控制其能量流动。,能源操作系统的Mist控制,Conclusion 结论,Innovation is the Driver for Clean Energy