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1、注：下午 13：30开始风力发电核心技术变换器发展趋势,清华大学电机系 李永东 2011.1.9,主要内容,概述 国内外风力发电状况 风电变流器技术概况 风电变流器产业趋势 可再生能源的储能技术 结论,一、 概 述,人类当前面临的世纪性难题 -能源短缺和环境污染 据统计，全球石油储量只够使用3050年，我国剩余的开采量只有世界人均的1/10。2010年我国石油进口量将达1.6亿吨， 2020年将达2.5亿吨（对外依存度55 ， 40140$ /每桶 ）； 2020年我国需煤炭23亿吨，大半用于火力发电，装机将达10亿千瓦。尽管我国煤炭储量很大，但人均也只占世界平均值的1/2，另外火电消耗大量水
2、。,一、 概 述,人类当前面临的世纪性难题 -能源短缺和环境污染 此外，大量的煤炭没有经过深加工就被烧掉，不但热利用率很低，还造成对环境的严重污染。世界上10个空气污染最严重的城市，有6个在我国，每年造成33万人因肺病、呼吸道疾病而死亡。我国CO2 ，SO2的排放将很快超过美国，居于全球第一；另外，汽车废气排放已造成全球性的温室效应，也是造成我国城市近年来空气污染的主要原因之一，将来用不着计划生育了。,一、 概 述,我国面临的特殊难题 -能源效率低下，造成大量浪费 技术落后还造成我国总能源效率低（32），低于世界平均水平10。单位GDP能耗是美国的3.5倍，欧盟的5.9倍，日本的9.7倍，印度
3、的1.6倍，世界平均水平的3倍！我国近年来每年消耗全球钢材、水泥、煤炭的30左右，而GDP只占世界的7！每年平均给法国每人提供三双鞋子，换回来几辆空客和大批电子垃圾。大量资源被浪费不说，还变成废物，污染了江河，湖泊！,节能的潜力,节能、节能、再节能！ 如占工业用电30以上的各种风机、泵类负载，工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20计算，对全国来说年节电600亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放！ 改造完毕形成的产业市场容量达1000亿元！,解决问题之道一：,水电、风电、太阳能、生物质能！ 如全球风能的资源是
4、巨大的，每年高达53万亿千瓦 小时，是水能资源的10倍！是2020年全球电力需求的 两倍！此外，风能还是一种清洁的、可再生的能源！ 最近20年来，风力发电机的单台功率增大了100倍， 成本随之大幅下降，已接近火力发电的成本。目前世 界上有5万兆瓦（MW）的风电机组在工作，为2000万人 口提供电力，带来很好的环境和社会效益。 我国风电2009底装机总容量达26000 MW ，2009年新增装机13600 MW。,解决问题之道二：新能源,我国有效风功率密度分布,我国风力发电,到2009年底，我国已经建立了200多个风电场，总装机容量达到26GW,中国风电装机统计,我国新能源状况,风能 陆上可开发
5、的储量为2.53亿kW 海上可开发的储量为7.5亿kW 太阳能 年辐照总量大于502万kJ/m2 地热，生物质能，燃料电池，核能 地热能储量十分丰富,二、国内外风力发电状况,20012009全球风机总装机容量（单位：MW）,2009年全球风机装机总容量为：159.213GW， 年增长率为31.7%，是十年来增长最快的！,20012009全球风机新装机容量（MW）,2009全球风机新装机容量为38.3GW比十年前增长10倍！,2009全球风机累计装机容量排名,中国超过德国累计装机容量跃居全球第二！,2009全球新增装机容量各国份额,2009 年中国新增风电装机容量为：13.8GW， 跃居全球第一
6、！,2009年 全球风机生产十强企业名单,我国华锐、金风、东汽三家企业 进入2009年全球风机生产十强！,2009年我国累计风电装机排名前12家企业市场份额,二 国内外风力发电状况,2009年我国新增风电装机排名前10家企业市场份额(MW）,二 国内外风力发电状况,20042009国内风电机组价格走势,二 国内外风力发电状况,2009年我国新增装机中不同容量机组分布,二 国内外风力发电状况,20052009我国各年新增装机平均功率,二 国内外风力发电状况,2009年全球海上风电新增装机容量达454MW，增长速度达到30% 目前全球在建的最大海上风电场：丹麦北部海岸的Horns Rev II 海
7、上风电场，其装机容量为209MW 上海东海大桥102MW海上风电场的34台3MW风电机组全部并网成功。 2010年我国首轮海上风电场项目特许权招标将在今年9月开始投标包括两个300MW的近海风电场和两个200MW的滩涂风电场项目。,海上风电场概况,三、风电变流器技术概况,风力发电技术现状,风力发 电系统,风轮机,发电机,控制,风轮机,定浆矩失速控制、主动失速控制风机 功率调节依靠叶片的气动特性 一般采用双速鼠笼发电机 代表产品：NEG MiconNM2000 变浆矩控制风机 功率调节依靠叶片攻角改变 一般使用双馈发电机或者同步电机 代表产品：Vestas公司V80,风力发电技术现状,风力发 电
8、系统,风轮机,发电机,控制,发电机,鼠笼异步风力发电系统，应用广泛 Optislip结构(RCC)，Vestas公司 双馈异步风力发电系统，Gamesa公司 永磁同步发电机系统，Lagerway公司 电励磁同步发电机系统，Enercon公司,风力发 电系统,风轮机,发电机,控制,控制,风力发电技术现状,风轮机的限速调速系统的研究 风力发电运行方式的研究 不同类型研制以及控制方法的研究 风力发电系统的软并网和软解列 MPPT，MEPT，储能等,风电变流器属于风力发电机组核心部件，也是目前风电制造行业国产化水平较低的部件之一； 国内变流器市场一直以来被几家外资巨头垄断； 近年来国内企业在风电变流器
9、研发及产业化方面进行了巨大投入，并且有了长足的进步！,风电变流器技术现状,风电机组类型：,高速型：双馈、全功率（发电机体积最小！）,低速型：全功率（发电机体积最大！）,中速型：全功率（发电机体积中等！）,永磁发电机与齿轮箱的集成紧凑、高效,双馈电压型风机变流器拓扑,全功率电压型风机变流器拓扑,全功率电流型风机变流器拓扑,优点：1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；2）由于阀侧电压近似正 弦，无需du/dt滤波器；3）良好的短路保护能力和LVRT特性 缺点：1）功率器件及供货问题；3）储能电感体积大、增加了损耗；2）系统的动态响应和振荡问题,四、风电变流器产业和趋势,我国风力发电的前
10、景与对策,前景展望 预计在2010年时装机达20GW， 预计到2030年，风力发电将占全国总发电量的10，对电网将产生影响。 问题和对策 加速核心技术如变流器和系统控制的国产化，使其成本进一步下降， 大力发展离岸型风力发电（5MW以上）。,陆上三峡工程,方案一,Experimental system,1500KW DFIG Back-to-back voltage source inverter Dual DSPs controller TMS320VC33 and TMS320LF2407A. LF2407A performs all the detections and controls
11、VC33 executes all the calculations Synchronization device Set of wind turbine simulator,Experimental results,Grid voltage (top) and stator voltage (bottom) prior to synchronization,Experimental results,Stator phase voltage and current,Unity power factor,Lagging power factor,Experimental results,Roto
12、r currents at rotation speed varying from sub-synchronization to sup-synchronization,Converter for 1.5 MW DFIG,Manufacture of 1.5MW DFIG,Plate-form of DFIG,Controller,Real Time Simulator of Wind Turbine Based on dSPACE,Field testing of Wind Turbine Controller,Interface of Remote Control,Results of F
13、ield Testing,Interface & Results of Wind Turbine Controller,工作进展：,十一五计划执行情况,建成1.5MW风电机组变流器年产1000套生产基地。,离岸型风力发电,Wind power by PM generator,Main target: High voltage, direct drive and PM,Basic structure proposed,Wind power by PM generator,Detailed structure (no transformer needed),Wind power by PM gen
14、erator,Simulation results Experimental results,Back EMF, reference and real currents（in phase with EMF）,预期：1）到2020年70%以上的海上风电市场将由直驱风机组成； 2）未来1-2年3MW机型的成本可下降3-5%； 2）直驱风机在陆上风电市场的份额也会增加； 3）直驱机组将在2020年占到总新装机量的20%（目前占14%）。,尽管初始成本高出5%-10%，因为大幅降低了运营成本并省去了齿轮箱更换成本，直驱风机对于海上风电市场具有成本优势,关于直驱机组发展趋势,2009-2014年中国风电
15、变流器市场规模,2009-2014年中国风电变流器需求,2009-2014 年中国每年风电变流器供需缺口,2009-2014 年中国每年全功率变流器供需缺口,2009-2014 年中国每年双馈型变流器供需缺口,国外主流风机变流器生产商,其中：CONVERTEAM、ABB、EMERSON等占有国内前几位的市场份额,国内风机变流器的生产企业,山东新风光电子科技发展有限公司 北京清能华福风电技术有限公司 北京科诺伟业科技有限公司 东方日立电控设备有限公司 深圳市禾望电气有限公司 合肥阳光电源有限公司 江苏大权集团公司 海德新能源公司 哈尔滨九洲电气 国电龙源电气有限公司 天津瑞能电气有限公司 许继集
16、团柔性输电系统公司 北京能高自动化技术有限公司 天水电气传动研究所有限公司 重庆科凯前卫风电设备有限公司 鞍山容信电力电子股份有限公司 南车株洲电力机车研究所有限公司,五、可再生能源的储能技术,抽水蓄能 压缩空气储能 蓄电池 超级电容 超导储能 飞轮储能,超导储能,将能量以直流磁场能的形式储存于低温的超导线圈中 超导线圈，变换器低，温冷却装置和真空低温容器 系统转换效率高，响应快，但是成本太高，系统复杂,超导储能系统,超级电容,SimplicityEliminates complication of charge circuits. LongevityEliminates the cost a
17、nd hassle of changing and handling of batteries. Efficiency1/3 the weight of lead-acid batteries, over three times the life,超级电容储能系统,飞轮储能,由飞轮转子，轴承，电机，变频器和真空管组成 能量密度较大，功率密度较小，不能快速充放能量，适合于风力发电特别是并网型风力发电系统，采用飞轮储能的系统一般可以在MPPT和功率平滑输出的同时实现 飞轮储能在其他新能源发电中也有广阔的应用前景,飞轮储能系统,低速飞轮：1500rpm 中速飞轮：500010000 rpm 高速飞轮：30000100000 rpm,中速飞轮储能系统,六、结论,在我国大力发展应用以风能、太阳能等新型发电方式将成为长期国策。 新能源电力在不远的将来成为我国电力建设的不可缺少的一部分。 占领新能源的高端市场必须掌握核心技术，如电力电子变流器和电控技术。 该技术还可应用在节能、新能源汽车、高速列车、轧钢、舰船及航母中。,六、结论,随着“洋品牌”的不断降价以及整机厂家的介入，新一轮的竞争将更加激烈 电网的友好接入和故障穿越技术是国产风机变流器研究面临的新挑战 风机变流器的国产化必然使我国的大功率变流器技术迈上一个新台阶,谢谢！,