2030年电力电子技术展望

1浙江大学2015年12月15日，北京电力电子技术2030展望徐德鸿教授，IEEEFellow2中美气候变化合作2014年11月12日于北京：中美气候变化联合声明2015年9月25日于华盛顿：中美元首气候变化联合声明中国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。两国来年紧密合作，促进“巴黎协议”签订Dr.PieterTans,NOAA/ESRLandDr.RalphKeeling,ScrippsInstitutionofOceanography.20153能源消费预测人均消费较低，但增长需求很大$7.4k,2014Energyconsumption1990-2040(quadrillionBtu)@EIA20134新能源装机预测4.2241234.176481260亿吨38.4亿吨2014203011%新能源：20%新能源需求：60*20%-38.4*11%=7.8亿吨标煤折合成假定水电50%+风电和光伏50%，需要新增再生能源装机：1.1万亿度/2000小时=5.5亿kW2.2万亿度每年新增风电和光伏装机：5.5亿kW/15年=37GW/年@国家能源发展战略行动计划：2020年，风电2亿千瓦，光伏1亿千瓦52025能源消费到达峰值2050:新能源比例占能源消费66%电力占终端能源消费的62%91%电力来自新能源我国能源消费预测新能源高注入的情景China'sPrimaryEnergyConsumptionElectricity@中国发改委能源研究所，2015年4月6美国清洁电力计划今年8月3日，奥巴马宣布了美国清洁电力计划（CPP，CleanPowerPlan）2030年，美国电力行业的碳排放减少32%（2005年基准）二氧化硫排放减少90%氮氧化物排放减少72%CPP实施办法•提高天然气发电比重•提高风电和光伏发电比重7能源基地与消费中心分布的失配2/3水电在四川、西藏、云南，2/3煤炭基地在山西、陕西、内蒙大型再生能源基地分布在西北部、北部传输距离500-2000km发展HVDC外，积极发展分布式发电，中国能源互联网LoadcenterCoalCoalwaterwaterwater8未来我国电网分布式集中式9新能源主导的电力系统电力系统化石能源为主逐步让位给再生能源除集中式大型光伏电站、大型风电场外，分布式光伏、风电将获得广泛应用，分布式发电比例将占半壁江山微网技术是分布式新能源发电的支撑技术集中式储能和分布式储能得到普及电力电子技术广泛应用于发、输、配、储、用，源和负荷多数将电力电子化中国能源互联网格局的形成10社区微网、工厂微网、商业区微网、电动汽车充电站、储能电站、城市轨道交通等构成城市能源互联网社区微网电动汽车充电站商业区微网工厂微网储能电站城市轨道交通城市能源互联网构想图GasTurbineGasTurbineGasTurbine电力路由器电力路由器电力路由器电力路由器电力路由器电力路由器电力路由器电力路由器小型光伏电站小型风力电站城市能源互联网11虚拟同步机理论与能源互联网@Qing-ChangZhong新能源设计虚拟同步机特性微网设计成虚拟同步机特性大负荷设计成虚拟同步机特性自主参与系统稳定调节12面向未来电网的电力电子技术电压源直流输电装置：VSC-HVDC双向DC-DC固态变压器即插即用的能源路由器Energyrouter固态断路器控制及管理技术：微网控制虚拟同步机控制电动汽车与电网交互技术（V2G）需求侧控制能源互联网管理、控制技术保护技术核心元件：13汽车CO2减排目标14电池与电动汽车汽油与（电池费用+电价）的平衡点@PeterSavagian,GM,ECCE2014,Pittsburgh@USABC，电池寿命：10年，24万公里电池使用里程数：4km/kWh*40kWh*1500次=24万公里汽油费用：24万公里*0.1L/km*6元/L=14.4万元电动汽车是购置费用高，但使用费用低！40kWh电池价格=$1.6万=10万元电费：0.6元/kWh*40kWh*1500次=3.6万元=15无线充电如果效率要大于95%，需要采用SiC或GaN功率器件AC/DCDC/AC20-80kHzAC电网变换级数多（3-4级）谐振频率（85kHz)高充电的效率约90%电磁感应——原边线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在副边线圈感应产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端16无线充电减少车载电池安装量，2/3随时、随地可以充电，提高电池寿命解决电池里程焦虑的问题安全性（人，动物）经济性好，开创充电服务新商业模式可以设置的地点：停车位公交站红绿灯口高速公路专用道如路灯一样，成为城市的基础公共设施动态无线充电@ORNL17云计算、大数据推动，数据中心的数量呈指数型增长消耗10%的美国电能，据美国电力研究院（EPRI）预测到2030年耗电占全美国用电的20%我国6亿网民，50万个数据中心，消耗电能5%数据中心突飞猛进182020年通讯和数据中心的耗电将增长为2007年的3倍2万亿度@20202014年我国用电量5.5万亿度19UPS的缺陷采用单一能源供给线，当大面积停电时，双路供电无效通常采用柴油机作为长备用，存在油品的更换等维护难题，另外存在环保问题采用铅酸电池，寿命短，需频繁定期更换，维护工作量大UPS可靠性的隐患电网负载锂电池铅酸蓄电池UPS元件失效分布20UPS进化多种能源多种储能高可靠功率变换装置两种独立能源供给线:电网和燃气管道两种独立储能:储电和储氢冗余容错功率变换器超级UPS超级UPS的概念H2O2高可靠功率变换燃气机燃料电池负载锂电池储能主要能源H2储电储氢电网燃气管道光伏0510152025SuperUPSTraditionalUPS20.78.4MTBF(year)21储能系统切入时间？滞后于电动汽车规模化应用储能系统的推广技术上受制于电池技术和成本下降国家对电价峰谷差的政策1kWh电池购置费用=2400元按照每天充放电一次，假定循环次数1500次调峰的收入：1kWh*70%(充发电深度）*0.3(电价峰谷差)*1500=315元调峰的收入：1kWh*70%(充发电深度）*0.6(电价峰谷差)*3000=1260元如果电池价格降低50%，循环次数提升3000次，提升电价峰谷差到0.6元，达到平衡点！预期在2020-2025之间储能系统规模化应用电池价格预测22储能装置投资50亿美元电池价格30%↓@2017年产50GWh@2020Powerwall•10kWh,weekly,$3500•7kWh,daily,$3000•2.0kW/3.3kWp,92%Powerpack•100kWh23宽禁带器件CESiSiCGaNSiSiCGaNSiSiCGaNGE临界电场强度导热系数禁带宽度SiCvs.Si耐压：10倍热导率：3倍结温300度SiC:碳化硅GaN:氮化镓宽禁带半导体材料高效率小型化低成本24系统物料成本下降60%功率器件损耗IGBTSiCIGBTSiCSiC功率器件的优势25时间SiC等WBG功率器件进入市场预测光伏发电电动汽车、高铁、航空、舰船智能电网石油、地质勘探等高温电动装备数据中心光伏发电电动汽车、高铁、航空、舰船通用变频器LED照明智能电网石油、地质勘探等高温电动装备数据中心光伏发电电动汽车、高铁、航空、舰船推广范围数据中心光伏发电电动汽车、高铁、航空、舰船20152025201820202615kVSiC器件优点DC/ACAC/DCBiDC/DC•简化结构•效率98%•提高电容器的利用率10kV/380V固态变压器SiCNPC三电平逆变器电容器利用率提高效率提升电路简化，故障率减少无功发生装置（SVG）串联单元数X1/3，减少故障率减少电抗器和滤波器的体积电压源直流输电装置（MMC）目前困难：串联单元数百、上千个，故障率问题维护困难27总结应对气候变化是21世纪对电力电子技术和产业发展的最大推动力能源互联网催生电力电子装置：DC/DC、固态变压器、能源路由器、固态开关等信息技术和物联网将持续推动电源技术发展由于电池价格的持续下降，我们正处于电动汽车和电网储能规模化应用的前夜宽禁带器件在开关特性、高电压、高温特性方面具有独特优势，将在新能源发电、交通、数据中心等方面率先获得应用，并向智能电网、工业、家电等领域扩张28谢谢各位，敬请指正！29GaN功率器件厂家302020年：5.5亿美元应用：PFC,dc–dc,EVchargers@YoleDeveloppment,July2014SiC和GaN功率器件市场预测31SiC器件厂家SiC产品的公司：CreeInfineonFujiElectricMitsubishiToshibaRohmFairChildGE