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huaweiHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential万物互联时代的新能源互联网华为网络能源产品线 中央研究院WATT LAB，北京，2017年12月6日HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 2网络的价值与联网的用户数的平方成正比。联网的用户数量越多，网络的总体价值会越高。人类社会的进步 - 个体之间互联持续加强的结果 Robert Metcalfe美国科技先驱，以太网之父，3Com创始人；提出Metcalfes Law金融网络（商业互联）传输介质：货币（金银）传输内容：商业信用运维人员：中央银行产生时间：17世纪末期标志事件：1694年英格兰银行成立电力网络（能源互联）传输介质：电能（电磁波）传输内容：能量（瓦特）运维人员：电网公司产生时间：19世纪末期标志事件：1895年尼亚加拉水电站建成发电通讯网络（信息互联）传输介质：光（电磁波）传输内容：信息（比特）运维人员：网络运营商产生时间：20世纪中期标志事件：1986年TCP/IP协议及NSF Net广域网Metcalfes Law 人类社会三大主流互联网络（单一传输介质）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 3主流互联网络的理论基础 - 从“物质/能量”到“心灵”蒸汽时代 牛顿牛顿三大运动定律万有引力定律 信息时代 Moore，Gilder，MetcalfeIT业三大定律：Moore定律，Gilder定律，Metcalfe定律电气时代 麦克斯韦麦克斯韦电磁方程组会长，英国皇家学会 1703 Master，皇家铸币局 1700推动英国金本位制 1717HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 4在机械化、电气化和自动化之后，人类社会将迎来以智能化为代表的第四次社会变革：智能被嵌入到互联的万物和一切业务流程中；大数据分析、云计算、移动互联、物联网等ICT技术，将成为智能化工业革命的基础1st 3rd2nd机械化 电气化 自动化重新定义工业文明和商业文明 万物互联基于大数据的行业应用4th 智能化数字化重构是传统产业转型升级的必然之路万物互联，摩尔定律/信息化/智能化驱动新工业革命 HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 5能源系统发展趋势 - 能源网络化，电气化产生能源 传输能源储存能源 能源的处理和应用典型能源系统构成能源如何传输？管道传输（油气） 交通运输（煤炭) by Electromagnetic WaveE=mC2 早期电力系统：1882年, 纽约曼哈顿珍珠街电站，由爱迪生电力照明公司负责建设，电站设计功率为900马力，共由六台 “巨型” 直流发电机组发电，输出110V的“高压直流电”Edison TeslaHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 6Tesla/Westinghouse交流系统的黑天鹅 - 变压器Source：Johann W. Kolar, Jonas E. Huber，PCIM_2015_SST_Tutorial，ETH Zurich, Switzerlandn 1830 Henry / Faraday Property of Induction n 1878 Ganz Company (Hungary) Toroidal Transformer (AC Incandescent Syst.)n 1880 Ferranti Early Transformer n 1882 Gaulard & Gibs Linear Shaper XFMR (1884, 2kV, 40km)n 1884 Blathy / Zipernowski/ Deri Toroidal XFMR (Inverse Type) n 1885 Stanley (& Westinghouse) Easy Manufact. XFMR (1st Full AC Distr. Syst.)n 1889 Dobrovolski 3-Phase Transformern 1891 1st Complete AC System (Gen.+ XFMR + Transm. + El. Motor + Lamps, 40Hz, 25kV, 175km)n 1892 Tesla & Westinghouse Electric Syst for Niagara Falls Power StationPatent (1890)：3-Phase AC XFMRMikhail Von Dolivo-DobrovolskyEfficiency：60%William Stanley Jr.Faradays“Transformer”Source：Wikipedia 99HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 7电气时代的先驱 - RCA无线基站的会晤，新泽西，1921左起：Three unidentified men, David Sarnoff, Thomas J. Hayden, Ernst Julius Berg, S. Benedict, Albert Einstein, Nikola Tesla？, Charles Proteus Steinmetz, A. N. Goldsmith, A. Malsin, Irving Langmuir, Albert W. Hull, E. B. Pillsbury, Saul Dushman, Richard Howland Ranger, George Ashley Campbell and two unidentified men.HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 8当前主流电力能源网络 - 涡轮机 + 同步旋转发电机系统蒸汽轮机水轮机 能源路由器1.0（同步发电机）火电厂水电厂 电力系统收发50Hz调频信号维持系统转动惯量 ICT技术在能源互联中用于获取系统有功、无功信息，以及相关的系统电压、电流、频率、相位等信息，帮助系统实现多时间尺度的功率平衡，以降低系统因功率波动所需的储备发电容量，降低全网的总体系统成本 负荷功率一次调频二次调频三次调频现代发电系统 真正意义上的单一要素（电）网络 ICT技术在能源互联中的作用能源互联关键部件：交流同步发电机(能源路由器1.0)由于储能环节的缺失，必须在互联大电网内实时平衡发电-用电的差异，差异信号以频率方式通过同步发电机传递到同一网络内的所有发电单元，自动调节发电量补偿用电缺额 P t0Steinmetz(斯坦梅茨) Insull HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 9当前主流电力能源网络 - 涡轮机 + 同步旋转发电机系统励磁机 同步发电机 汽轮机轴系传统电网中主要由发电厂来维持电压、频率、惯量，对应的设备为：励磁机-电压、同步发电机-频率、汽轮机轴系-惯量；负荷随机。 电压 频率 惯量2016年，华东电网总装机约200GW，有效转动惯量约为8.4万吨（半径1m）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 10当前主流能源互联网络 - 电力网络与油气网络电力传输网络油气（石油及天然气）传输网络发达国家中，电力与油气网络是能源主要传输网络HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 11能源互联网络发展趋势 - 100%可再生清洁能源发电未来，能源产生环节清洁能源替代石化能源、能源应用环节电能替代石化能源将成为能源技术的主流发展方向技术演进趋势 产品：晶体硅电池效率已达25.6； 技术：实验室的光伏电池发电效率已接近50%，且逐年上升；发电成本走向 光伏组件成本40年内下降99%，近10年内下降80%； 2020年，度电成本接近平价上网要求未来能源结构 - 可再生清洁能源成为主流发电技术之一 丹麦：2030年一次能源消耗中可再生能源占比50，满足100%电力需求； 德国：2030年一次能源消耗中可再生能源占比50； 日本：2030年一次能源消耗中可再生能源占比30； 美国：2030年一次能源消耗中可再生能源占比27； 中国：2030年后新增能源消耗中，可再生能源占比100； 2016年度全球光伏装机70GW+（和15年的50GW相比，增加40%以上），中国30GW+2030可再生能源累计安装容量(预测)单位：GW 1200910 420 5508501100 来源：IRENA机构2016年发布的REmap报告HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 12能源互联网络发展趋势 - 电力系统的半导体化( 照明为例）U.S. Patent No. 00,223,898Thomas Edison,27Jan1880For Incandescent Lamp爱迪生的白炽灯神说，要有光，就有了光 。- 创世纪 1:3And God said, Let there be light , and there was light .- Genesis 1:3油灯 (1000B.C.) 抹香鲸油(1800) 煤油(1860) 白炽灯(1880) 半导体照明(2010) HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 13能源互联网络发展趋势 - 新能源发电装置的半导体化励磁机 同步发电机 汽轮机轴系 传统电网中主要由发电厂维持电压、频率、惯量，对应的设备为：励磁机-电压、同步发电机-频率、汽轮机轴系-惯量； 光伏发电需要主动支撑电网的电压、频率，提升能源网络传输带宽；提供惯量提升能源互联系统的抗扰动性能； 研究方向：通过能源路由器的控制算法+储能解决上述问题电压 频率 惯量高带宽的能源互联控制算法能源路由器（逆变器）功率CPU 算法CPU+ 2016年，华东电网总装机约200GW，有效转动惯量约为8.4万吨（半径1m）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 14全球光伏发电规模迅速增长 - 单体电站容量：10M到1GW2013：12MW - 青海 拉西瓦 2014：30MW - 浙江 衢州 2015：220MW - 青海 格尔木2016：1GW - 宁夏 盐池单体光伏电站装机容量快速增长CRH3-80A 8编组 - 9.8MW2016年度全球光伏发电装机70GW+，和2015年度的50GW相比，增加40%以上，其中中国装机量30GW+HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 15旋转同步发电机组数学模型 - 高阶非线性机电磁耦合系统p 机械-电磁耦合方程（频率/相位相关） p 机械转子运动方程（惯量相关）p 电感/磁链方程（频率/相位相关） 磁链方程电感方程 *( )r r M EqdJ D T Tdt cscc bsbb asaa irpu irpu irpu ffff irpu QQQ DDD irp irp00 QDfcbaQQcQbQa DDfDcDbDa fDffcfbfa cQcDcfcccbca bQbDbfbcbbba aQaDafacabaaQDfcba iiiiiiLMMM LMMMM MLMMM MMMLMM MMMMLM MMMMML 00 00 QDfcbaQQcQbQa DDfDcDbDa fDffcfbfa cQcDcfcccbca bQbDbfbcbbba aQaDafacabaaQDfcbam iiiiiiLMMM LMMMM MLMMM MMMLMM MMMMLM MMMMMLiiiiiiW 00 0021 ILIconstiLIIconstiWT TTmem 21)21(水电火电核电 sin dqEq xUEP旋转同步发电机组物理模型定子绕组励磁绕组阻尼绕组 p 电压方程（电压相关） )32(4cos)32(2cos )32(4cos)32(2cos 4cos2cos 420 420 420 aaaaaacc aaaaaabb aaaaaaaa LLLL LLLL LLLL )32(4cos)32(2cos 4cos2cos )32(4cos)32(2cos 420 420 420 aaabaaca aaabaabc aaabaaab MMMM MMMM MMMMHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 16半导体能源路由器 vs. 旋转同步发电机组 - 虚拟同步机？ 旋转同步发电机组（机电磁） 频率/相位同步机制：机电磁耦合实现同步 电压控制机制：改变励磁电流调节内电势 惯量维持机制：转子旋转/气隙磁链储能 静止能源路由器（功率半导体） 频率/相位同步机制：锁相环实现同步 电压控制机制：PWM调制调节内电势 惯量维持机制：直流电容/交流电感储能2r J21E 2C 21 CVE gdqE X UEP sin EM PPP cbaqd UUUTUU 32 gmq EU sinEM PPP cscc bsbb asaa irpu irpu irpu ffff irpu QQQ DDD irp irp00 BHdxdydz21E a 2L LI21E cscDCc bsbDCb asaDCa irDVu irDVu irDVuHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 17高比例新能源发电系统关键技术问题 - 负荷平衡及调度2014年6月9日正午，德国太阳能瞬时发电比例接近50%（23GW）；2015年瞬时发电比例已超过50%欧洲经典案例：2015年3月20日，日全食挑战德国电网，日食时太阳能发电功率减少一半以上，峰谷差约15GW注：根据德国联邦网络局数据，截至2015年1月31日，德国光伏正常装机容量为37.76GW。15GW!54GW23GW!电场 (Solar Farm) or 电厂(Power Plant) ?HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 18主要储能技术一览液流电池化石燃料化学电池抽水储能 飞轮储能 超级电容器 超导电磁储能物理储能 电磁储能化学储能化学电储能技术储能的本质：在时间轴上平移能量HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 19能源互联网络未来方向 - 化学储能电池技术的复兴？氧化性增强，适合制备电池正极 还原性增强，适合制备电池负极电极材料荷质比增加，能量密度提升化学储能电池主要类别一次电池二次电池 燃料电池二次金属空气电池 可充电 正极为空气负极为燃料正极为空气 可充电 负极为金属负极为金属储能电池电极体系选择基本原则 - 正负极电极电位差异大/电极材料荷质比高+3 0-3 Li/Li+ (-3.04V)F2/F- (+2.89V)Cd(OH)2/Cd (-0.81V)NiOOH /Ni(OH)2 (+0.49V)Pb/PbSO4 (-0.36V)PbSO4 /PbO2 (+1.69V)标准电极电位/氢+铂黑体系（Volt） H2 /H2O (-0.83V)H2/H+ 标准电极SHE(0.00V)LiMO2/Li1-xMO2 +Lix (+1.21V/M=Ni) 镍镉电池(1.3V) 镍氢电池(1.3V) 氢氧燃料电池(1.2V) 铅酸电池(2.1V) 锂离子电池(4.2V) 锂空气电池(4.2V) 已知化学储能电池的电压极限值(6V)O2/H2O (+1.23V)第一种实用型量产电池一次电池，不能充电储能电池中的“DOS”操作系统，解决有无问题铅酸电池“Windows” 质量比能量密度（Wh/kg）800体积比能量密度（Wh/L） 6004002000 300100 2000 镍镉电池“Symbian” 镍氢电池“BlackBerry” 锂离子电池“Android”储能电池技术发展趋势 - 移动电子产品需求是原动力第一种实用型二次电池电极反应可逆，可重复充放电能量密度与锌锰电池相当储能电池中的“Windows” 实用型高能量密度二次电池“轻金属”+”高电压”储能电池中的“Android”满足当前移动设备基本要求锌锰电池“DOS” 汽油：12000Wh/kg乙醇： 8300Wh/kg煤： 8200Wh/kgHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 20 70年代，M. Armand，提出由嵌入型化合物充当电池正负极材料的想法，准物理电极体系概念产生； 1980年，Goodenough，LiCoO2正极嵌入型材料的专利发表； 1981年，Ikeda，有机溶液中的应用于锂离子电池负极的嵌入型材料专利， 1982年，Basu，石墨负极嵌入型材料专利发表； 1990年，Sony购买Goodenough专利，开发出高体积比能量的实用锂离子电池(192Wh/L)；在此之前，Sony已经有了制备LiCoO2的成熟工艺及产能； 90年代，采用EC(碳酸乙烯酯基)取代PC (碳酸丙烯酯基)作为电解质溶剂，成功抑制了电解质在石墨表面的分解； 2016年，量产手机中的锂离子电池的体积比能量密度已经达到600Wh/L，接近LiCoO2/石墨/EC电极体系的理论极限值 Prof. John Goodenough锂离子电池电极体系发展历程HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 21类石墨烯层 Li+ C 溶剂分子 M+ O2- 正极(Li MO2 )典型晶格结构(LiCoO2层状结构为例 ) 负极(石墨嵌锂) 晶格结构 Li C6 A-A视图A A锂离子电池电极体系典型特征 电极反应：单一固相反应，准物理电极体系，Li离子在正负极晶格间可逆嵌入/脱出，可逆性好 正极：LiMO2晶格结构，充电时Li离子脱出，储存化学能 负极：石墨，层状结构，充电时Li离子嵌入，储存Li离子 电解质：过渡元素锂盐 + 有机溶剂的组合，Li离子的传输介质 A A A-A视图锂离子电池的电极体系 - 固相晶格电极储存活性锂离子HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 22锂离子电池技术现状 -当前电极材料的能量密度已接近饱和正极材料研究主要方向 - 寻找低成本，高电压，高稳定性的材料 负极材料研究主要方向 - 提升石墨的克容量，寻找材料匹配电解质 高电压钴酸锂正极材料 - 提升电压 高镍三元正极材料 - 降低成本 磷酸铁锂正极材料 提高稳定性 总结：从1990到目前为止，正极材料的主要研究方向为降低成本及提高安全性；正极材料的克容量(150mAh/g)并没有明显提升，已接近理论极限。LiCoO2层状结构 LiMn2O4 尖晶石结构 LiFeSO4F锂磷铝石结构LiFePO4橄榄石结构 硅负极膨胀带来的循环问题 锂枝晶带来的锂金属负极安全问题 固态电解质材料的开发 高晶化度/高容量的石墨材料的采用及匹配电解质溶剂材料的开发，抑制电解质溶剂分子在石墨表面的分解及对石墨的侵蚀 总结：通过合适的电解质+石墨材料组合，石墨负极材料的有效克容量从200mAh/g上升至360mAh/g (石墨负极理论克容量为372mAh/g)；已接近理论极限未来锂离子电池技术必须寻找新的锂基化学材料电极体系，提升电池能量/功率密度及稳定性未来目标钴酸锂（LCO） 镍钴锰酸锂（NCM） 锰酸锂（LMO） 磷酸铁锂（LFP） 镍钴铝酸锂（NCA）分子式 LiCoO2 LiNixCoyMn1-x-yO2 LiMn2O4 LiFePO4 LiNixCoyAl1-x-yO2电极电位 vs Li/Li+ (V) 3.7 3.6 3.8 3.3 3.7比容量 实际值/极限值（mAh/g） 150/274 160/270 120/148 150/170 170/278振实密度(g/cm3) 2.8-3.0 2.0-2.3 2.2-2.4 1.0-1.4 2.0-2.4HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 23能源互联网络未来方向 - 电动车，石油行业未来颠覆者？松下18650电池 二十世纪初，美国38%的车辆是电动的，40%是蒸汽动力的，22%是汽油动力的，很多人认为认为交通工具的电气时代已经来临“由于简单，操作方便和无噪声，电动车的使用日益增长，引发了对方便充电的电池要求”-通用电气新闻，4772期，1910年9月 爱迪生与通用电气的早期EVHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 24电力系统中的储能 - 马斯克的逆袭 ：从手机到汽车到电网2015年5月1日正式发布澳大利亚UBS公司测算：购买者6年可收回成本u光伏储能单元u 智能控制技术智能电网热管理技术u ICT技术实现人机交互u具备联网功能，可与用户互动，与Solar City联接 p 南澳洲在2016 年9月28日发生大停电事故，Elon Musk宣布于南澳洲建设全球最大锂电池储能系统从EV的电池系统管理，升级到能源系统的整体网络化管理 p Tesla新品上市： Powerwall & PowerPacks 首周拿下8亿美元订单（家庭1.79，企业6.25） 工程完成后，可在夏天电力使用的高峰来临时，为南澳洲提供更加稳定的电力，为超过3万个家庭提供足够的电能129MWh100MW锂电池储能系统世界最大规模电池储能装置，12月1日开始运行HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 25多能互补行业趋势 - 电网发电端与用户端同步推进政府给予多能源互补优惠政策，提高能源系统综合效率，促进可再生能源消纳，促进经济稳定增长用户端多能互补：面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，实现多能协同供应和能源综合梯级利用。发电端多能互补：针对电源侧利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等组合优势，推进工程建设。国能规划201737号国家能源局关于公布首批多能互补集成优化示范工程的通知发改能源20161430号国家发展改革委 国家能源局关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 26多能互补核心价值 - 提升新能源消纳能力、降低用能成本多种能源之间相互补充和梯级利用是提升能源系统的综合利用效率，构成清洁低碳供能结构体系的有效手段用户端：提高能效、降低用能成本自发自用，降低用能成本 2通过冷热电三联供能效提升25%左右；需求响应，增加额外收益 3提高能效，减小能源消耗发电端：提高电网可再生能源消纳能力削峰填谷，提高送出能力 1调度响应，节约备用容量 2增强电站系统调峰能力10%左右水量预存，增强调峰能力 3 化石能源、新能源发电成本均低于电网电价；电网市场机制成熟后，需求响应提供额外收益；提高送出线路年利用小时20%左右；节约电网新能源消纳旋转备用容量70%左右；来源：黄河上游水电开发有限责任公司业务报告 1光伏 水电互补可调度HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 27多能互补关键技术 - 从电/气/热三网高效互补到高效互联多能互补目前关键技术为通过管理控制系统实行高效互补，未来发展趋势为实行三网高效互联多能互补分层控制方案目前多能互补系统基础技术已Ready，上层政策、机制待完善 中央管理层：核心为政策、机制，待政府、电网公司完善； 中间协调层：核心为多能互补管理控制系统，需整合子管理系统； 底部设备执行层：核心为分布式能源设备，设备基础技术已Ready； 未来多能互补系统核心技术为电网-热网-气网高效互联技术 电能变换与传输最为方便，但要求实行实时功率平衡，电储能成本较高。 热网和燃气管网则具备天然的储存特性，与电联供效率效率高，满足能源系统的灵活性和可储存性的要求。电热气三网耦合示意图（来源：德国亚琛工业大学 De Doncker教授）电转气HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 28能源互联网络发展趋势 - 电力系统的半导体化( 照明为例）U.S. Patent No. 00,223,898Thomas Edison,27Jan1880For Incandescent Lamp爱迪生的白炽灯神说，要有光，就有了光 。- 创世纪 1:3And God said, Let there be light , and there was light .- Genesis 1:3油灯 (1000B.C.) 抹香鲸油(1800) 煤油(1860) 白炽灯(1880) 半导体照明(2010) HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 29山的那一边 - 油气会退出能源网络吗，他们在做什么？“I dont know whether a synthetic catalyst or a bacterial o n e w i l l w i n o u t , ” s a y s Peidong Yang. A chemist at h e a r t , h e f a v o r s a n a l l -i n o r g a n i c s y s t e m . T o d a y bacteria are the best, he says. Maybe theyll be a stepping s t o ne t o a f ul l y s y nt he t i c system.来源：Prof. Peidong Yang，University of California, Berkeley, CA，USAHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD. Huawei Confidential Page 30XPage 30Copyright2013 H uawei Technologies Co., Ltd. All Rights Reserved.The information in this document may contain predictive statements including, without limitation, statements regarding the future financial and operating results, future product portfolio, new technology, etc. There are a number of factors that could cause actual results and developments to differ materially from those expressed or implied in the predictive statements. Therefore, such information is provided for reference purpose only and constitutes neither an offer nor an acceptance. Huawei may change the information at any time without notice. Thank youhuawei
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