展望電力電子學(xué)科的未來

展望電力電子學(xué)科的未來徐德鴻浙江大學(xué)2008年4月12日目錄傳統(tǒng)角色→新角色兩極化電力電子器件演化與收斂電力電子教學(xué)內(nèi)容的革新總結(jié)傳統(tǒng)角色→新角色新角色:節(jié)約能源節(jié)約資源開發(fā)新能源電力環(huán)境的治理(電能質(zhì)量\穩(wěn)定性\可控制性\輸送能力)環(huán)境保護(hù)傳統(tǒng)角色:電能的高效率變換為計(jì)算機(jī)\通訊\自動(dòng)化裝置\儀表\工業(yè)裝置提供高質(zhì)量交流或直流電源運(yùn)動(dòng)的高效率、精密、快速的控制,滿足工業(yè)過程要求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節(jié)約能源：我國能源消耗情況2001到2005間年均能耗增長率10%是1980到2000間的兩倍全社會(huì)年能耗:2000:14億噸標(biāo)準(zhǔn)煤2005:

22億噸標(biāo)準(zhǔn)煤原油進(jìn)口:2000:7300萬噸2006:1.69億噸電力裝機(jī):2000:3.2億kW2006:6.2億kW2001年后,能源形勢(shì)發(fā)展急升GDP(萬億RMB)Ref.year2000Energyconsume(億噸標(biāo)煤)GDP/person(RMB)Energy/萬元(Tce)20051822140621.2120102625195680.972010年:單位GDP的能耗減少20%節(jié)約能源：十一五節(jié)能規(guī)劃70%節(jié)能基于調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)30%節(jié)能依靠科技節(jié)能改造的投資:8000億礦產(chǎn)、鋼鐵制造、水泥制造電廠、賓館、公共設(shè)施節(jié)約能源：電能節(jié)省Source:ZVEI,Siemens,CEMEP,CPES,EPA,NRDC我國電能消耗占能源消耗５0%,因此節(jié)約電具有重要的意義負(fù)荷分類預(yù)期節(jié)能Powersupply:-stand-by,-active,…-ComputingEC-BallastDaylightdimmingHID,LED,…Factoryautom.Processengineering,Heavyindustry,Lightindustry,…Transportation:Train,Bus,Car,…Homeappliance:Fridge,WM,HVAC80+/90+Electroniccontrol>90%>>1%>>1%>25%>30%>25%>40%InformationCommunicationConsumer24%Lighting21%Motorcontrol55%

-stand-by-activeVariable

Speed

Drive(VSD)VSD+

ReverseEnergyVSD節(jié)約資源銅、鋼材的原材料的價(jià)格攀升高頻變壓器替代工頻變壓器,無源元件的小型化，UPS非50Hz電動(dòng)機(jī)MoreSi,lesscopperandiron我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》到2010年，可再生能源消費(fèi)總量的比重達(dá)到10%，2020年達(dá)到15%。年份發(fā)電類型20102020風(fēng)電（萬kW）5003000光伏發(fā)電（萬kW）30180生物質(zhì)發(fā)電（萬kW）5503000水電(億kW)1.93開發(fā)新能源2000200520202050中國非水新能源規(guī)劃@中國電力科學(xué)研究院非水能的可再生能源發(fā)電:風(fēng)能、太陽能與生物質(zhì)能2006年世界新增裝機(jī)容量1519.7萬kW，累計(jì)裝機(jī)容量7430.6萬kW我國聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)2005年為126.4萬kW，2006年達(dá)到258.8萬kW，年增長率104%；我國規(guī)劃2020年達(dá)3000萬kW，樂觀估計(jì)2050年可達(dá)數(shù)億kW規(guī)模。風(fēng)力發(fā)電我國聯(lián)網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速!光伏發(fā)電全球PV發(fā)電裝機(jī)累計(jì)容量各國的市場(chǎng)分額（2007）市場(chǎng)分布20062001-2006，世界PV產(chǎn)業(yè)年均增長率為41%年200420102020累計(jì)裝機(jī)容量（kW)6.5萬30萬180萬分布式發(fā)電3萬12萬(40%)70萬(40%)我國光伏規(guī)劃市場(chǎng)預(yù)測(cè)CompetitivenessbetweenelectricitygeneratingcostsforPVandutilitypricesInSpain,wherePVinstallationsproduceupto1800kWh/(kWp*a),PVelectricitycanbeproducedforapprox.0.20€/kWh,sothattheelectricityisasexpensiveasutilitypeakpower.InGermanyPVplantsproduceonlyaround900kWh/(kWp*a).ThereforePVpowerwillbeasexpensiveasutilitypeakpowerin2020.光伏發(fā)電價(jià)格西班牙德國單晶硅效率:12–15%單位面積峰值功率:120Wp/m2價(jià)格.40-50元/Wp光伏電池分類多晶硅效率:10

–12%單位面積峰值功率:100Wp/m2價(jià)格.30-40元/Wp非晶硅效率:４–９%單位面積峰值功率:50Wp/m2價(jià)格.50-60元/Wp可以卷折薄膜型PV市場(chǎng)分額,2003薄膜型光伏電池傳統(tǒng)PV生產(chǎn)過程為高能耗,成本降低已趨于飽和國際上看好薄膜型光伏電池

Amultijunctiondeviceisastackofindividualsingle-junctioncellsindescendingorderofbandgap(Eg).Thetopcellcapturesthehigh-energyphotonsandpassestherestofthephotonsontobeabsorbed傳統(tǒng)服務(wù)對(duì)象電能的產(chǎn)生＼傳輸＼分配＼應(yīng)用由于主要器件為ＳＣＲ，二極管，為整流性器件,決定整流方式應(yīng)用直流電源、電解、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、直流電機(jī)調(diào)速比較成功逆變應(yīng)用為感應(yīng)加熱電源,少量應(yīng)用于交流調(diào)速（cycleconverter).少量應(yīng)用無功補(bǔ)償（TSC,TCR,SVC),HVDC主要服務(wù)于用電整流應(yīng)用為主流。80、90年代的電力電子技術(shù)教科書1/2介紹整流用電未來服務(wù)對(duì)象未來電能的產(chǎn)生＼傳輸＼分配＼應(yīng)用服務(wù)于電能產(chǎn)生＼傳輸＼分配＼應(yīng)用全過程提高電力系統(tǒng)的可控性，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行電能質(zhì)量:APF\DVR\SVC穩(wěn)定性:SVC\SVG可控制性\輸送能力:HVDC\UPFC\TCSC電力環(huán)境的治理環(huán)境保護(hù)京都議定書COP3的締約國（2005生效）2007年G8（GroupofEight）會(huì)議指定2050年減排50%第二排放國措施：擴(kuò)大再生能源應(yīng)用比例發(fā)展新能源節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用PowerElectronicsKeytech.CO2andNOxreduction汽車與石油從1957年新中國的第一輛汽車正式生產(chǎn)下線1992年中國汽車產(chǎn)量突破100萬輛2006年，中國汽車產(chǎn)量為728萬輛。已超過德國，居世界第三位2007年我國原油消費(fèi)量約為３.46億噸，同比增長7.3％。原油對(duì)外依存度達(dá)到46％。國際油價(jià)突破$1001.0x0.32x0.92x0.80x0.90=0.211100milesperbarrelTEXACO1.0x0.87x0.95x0.16=0.13670milesperbarrelSource:EPRI電動(dòng)汽車vs.汽油車能量利用率EV:GasV=1:0.6電氣化鐵道和城市軌道交通30%電氣化鐵道2004－2020投資約20000億Drives,auxiliarypowersupply,SVC,APF鐵道部＋科技部：“高鐵行動(dòng)計(jì)劃”交通電氣化是必有之路石油瓶頸、能源安全汽車平民化社會(huì)發(fā)展，電動(dòng)汽車是唯一道路環(huán)境保護(hù)城市交通問題解決：軌道交通+電動(dòng)汽車+智能交通管理兩極化發(fā)展微型化：短、小、輕、薄到功率集成模塊（IPEM）巨型化：高壓、大功率化Source:PSMA12W/cc=1cubicinch=16.4cubiccm微型化巨型化（MW-GW)微型化：功率集成模塊（IPEM）SOC電源變換器IC技術(shù)Pol電源模塊有源元件集成無源元件集成封裝技術(shù)熱設(shè)計(jì)SOPDiscreteComponentsPassivePEBBEMIFilterActivePEBBFrontview

巨型化：電力的發(fā)、輸、配、用全過程

1999年瑞典HVDC，70kM，容量為50MW/65MVA,直流80KV，2.5kV壓接式IGBT串聯(lián)輕型HVDC輸電2.8MVAGTO水冷牽引逆變器

1.2MVAIGBT水冷牽引逆變器

15MVA變流器3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電力電子器件演化與收斂高壓大容量化，光驅(qū)動(dòng)昔日的自關(guān)斷器件的驕子，如今走到盡頭MOSFETIGBTGTOIGCTGTRSCR小功率電源世界的驕子，最快的固體開關(guān)最具實(shí)力擴(kuò)張主義者，高壓化、高頻化與低壓降技術(shù)GTO的改良派，企圖改變岌岌可危局面岌岌可危，面臨挑戰(zhàn)者IGBT