风力发电核心技术变换器的发展趋势1

1、清华大学 pemc lab清华大学 pemc lab注：下午注：下午 13：30开始开始风力发电核心技术变换器风力发电核心技术变换器发展趋势发展趋势清华大学电机系清华大学电机系李永东李永东 2011.1.9清华大学清华大学主要内容概述概述国内外风力发电状况国内外风力发电状况风电变流器技术概况风电变流器技术概况风电变流器产业趋势风电变流器产业趋势可再生能源的储能技术可再生能源的储能技术结论结论清华大学清华大学一、 概 述清华大学清华大学一、 概 述清华大学清华大学一、 概 述清华大学清华大学节能的潜力节能的潜力节能、节能、再节能！节能、节能、再节能！ 如占工业用电如占工业用电30以上的各种风机、

2、泵类负以上的各种风机、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。以平均节电变速运行，节能效果明显。以平均节电20计计算，算，对全国来说年节电对全国来说年节电600600亿度亿度，同时可以相应，同时可以相应减少减少2000万吨发电用煤，万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放！万吨二氧化碳的排放！改造完毕形成的产业市场容量达改造完毕形成的产业市场容量达10001000亿元！亿元！清华大学清华大学水电、风电、太阳能、生物质能！水电、风电、太阳能、生物质能！ 如全球风能的资源是巨大的，每年高达如全球风

3、能的资源是巨大的，每年高达53万亿千瓦万亿千瓦 小时，是水能资源的小时，是水能资源的10倍！是倍！是2020年全球电力需求的年全球电力需求的 两倍！此外，风能还是一种清洁的、两倍！此外，风能还是一种清洁的、可再生的能源！可再生的能源！ 最近最近20年来，风力发电机的单台功率增大了年来，风力发电机的单台功率增大了100倍，倍， 成本随之大幅下降，已接近火力发电的成本。目前世成本随之大幅下降，已接近火力发电的成本。目前世 界上有界上有5万兆瓦（万兆瓦（mwmw）的风电机组在工作，为的风电机组在工作，为2000万人万人 口提供电力，带来很好的环境和社会效益。口提供电力，带来很好的环境和社会效益。 我

4、国风电我国风电20092009底装机总容量达底装机总容量达26000 mw 26000 mw ，20092009年新增年新增装机装机13600 mw13600 mw。清华大学清华大学我国有效风功率密度分布清华大学清华大学我国风力发电到到2009年年底，我国底，我国已经建立已经建立了了200多个多个风电场，风电场，总装机容总装机容量达到量达到26gw 清华大学清华大学中国风电装机统计中国风电装机统计清华大学清华大学我国新能源状况风能风能陆上可开发的储量为陆上可开发的储量为2.53亿亿kw海上可开发的储量为海上可开发的储量为7.5亿亿kw太阳能太阳能年辐照总量大于年辐照总量大于502万万kj/m2

5、 地热，生物质能，燃料电池，核能地热，生物质能，燃料电池，核能地热能储量十分丰富地热能储量十分丰富清华大学清华大学二、国内外风力发电状况国内外风力发电状况清华大学清华大学 20012009全球风机总装机容量（单位：全球风机总装机容量（单位：mw）20092009年全球风机装机总容量为：年全球风机装机总容量为：159.213gw159.213gw，年增长率为年增长率为31.7%31.7%，是十年来增长最快的！，是十年来增长最快的！清华大学清华大学20012009全球风机新装机容量（全球风机新装机容量（mw）20092009全球风机新装机容量为全球风机新装机容量为38.3gw38.3gw比十年前增

6、长比十年前增长1010倍！倍！清华大学清华大学20092009全球风机累计装机容量排名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！中国超过德国累计装机容量跃居全球第二！清华大学清华大学20092009全球新增装机容量各国份额全球新增装机容量各国份额 2009 2009 年中国新增风电装机容量为：年中国新增风电装机容量为：13.8gw13.8gw， 跃居全球第一！跃居全球第一！清华大学 pemc lab清华大学 pemc lab 2009 2009年年 全球风机生产十强企业名单全球风机生产十强企业名单我国华锐、金风、东汽三家企业我国华锐、金风、东汽三家企业 进入进入200920

7、09年全球风机生产十强！年全球风机生产十强！清华大学清华大学2009年我国累计风电装机年我国累计风电装机排名前排名前12家企业市场份额家企业市场份额二 国内外风力发电状况清华大学清华大学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清华大学清华大学20042009国内风电机组价格走势国内风电机组价格走势二 国内外风力发电状况清华大学清华大学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清华大学清华大学20052009我国各年新增装机平均功率二 国内外风力发电状况清华大学清华大学 20092009年全球海上风电新增装机容量年全球海上风电新增装机容

8、量达达454mw454mw，增长速度达到，增长速度达到30%30% 目前全球在建的最大海上风电场：目前全球在建的最大海上风电场：丹麦北部海岸的丹麦北部海岸的horns rev ii horns rev ii 海海上风电场，其装机容量为上风电场，其装机容量为209mw209mw 上海东海大桥上海东海大桥102mw102mw海上风电场的海上风电场的3434台台3mw3mw风电机组全部并网成功。风电机组全部并网成功。 20102010年我国首轮海上风电场项目特年我国首轮海上风电场项目特许权招标将在今年许权招标将在今年9 9月开始投标包月开始投标包括两个括两个300mw300mw的近海风电场和两个的近

9、海风电场和两个200mw200mw的滩涂风电场项目。的滩涂风电场项目。海上风电场概况海上风电场概况清华大学清华大学三、风电变流器技术概况风电变流器技术概况清华大学清华大学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功率调节依靠叶片的气动特性一般采用双速鼠笼发电机一般采用双速鼠笼发电机代表产品：代表产品：neg miconnm2000变浆矩控制风机变浆矩控制风机功率调节依靠叶片攻角改变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一般使用双馈发电机或者同步电机代表产品：代表产品：vestas公

10、司公司v80清华大学清华大学风力发电技术现状风力发电系统风轮机发电机控制发电机鼠笼异步风力发电系统，应用广泛鼠笼异步风力发电系统，应用广泛optislip结构结构(rcc)，vestas公司公司双馈异步风力发电系统，双馈异步风力发电系统，gamesa公司公司永磁同步发电机系统，永磁同步发电机系统，lagerway公司公司电励磁同步发电机系统，电励磁同步发电机系统，enercon公司公司清华大学清华大学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轮机的限速调速系统的研究 风力发电运行方式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不同类型研制以及控制

11、方法的研究 风力发电系统的软并网和软解列风力发电系统的软并网和软解列mppt，mept，储能等，储能等清华大学清华大学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清华大学清华大学风电机组类型：风电机组类型：高速型：双馈、全功率高速型：双馈、全功率（发电机体积最小！）（发电机体积最小！）低速型：全功率低速型：全功率（发电机体积最大！）（发电机体积最大！）中速型：全功率中速型：全功率（发电机体积中等！）（发电机体积中等！）永

12、磁发电机与齿轮箱的集成永磁发电机与齿轮箱的集成紧凑、高效紧凑、高效清华大学清华大学双馈电压型风机变流器拓扑双馈电压型风机变流器拓扑清华大学清华大学全功率电压型风机变流器拓扑全功率电压型风机变流器拓扑清华大学清华大学全功率电流型风机变流器拓全功率电流型风机变流器拓扑扑优点：优点：1 1）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；）适合于高压大容量系统（功率器件串联相对容易）；2 2）由于阀侧电压近似正）由于阀侧电压近似正 弦，无需弦，无需du/dtdu/dt滤波器；滤波器；3 3）良好的短路保护能力和）良好的短路保护能力和lvrtlvrt特性特性 缺点：缺点：1 1）功率器件及供货问题；）功

13、率器件及供货问题；3 3）储能电感体积大、增加了损耗；）储能电感体积大、增加了损耗；2 2）系统的动态响）系统的动态响应和振荡问题应和振荡问题清华大学清华大学四、风电变流器产业和趋势风电变流器产业和趋势清华大学清华大学我国风力发电的前景与对策前景展望预计在预计在2010年时装机达年时装机达20gw， 预计到预计到2030年，风力发电将占全国总发年，风力发电将占全国总发电量的电量的10，对电网将产生影响。，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，产化，使其成本进一步下降，大力发展离岸型风力发电（大力发展离岸型风力发

14、电（5mw以上）。以上）。清华大学清华大学陆上三峡工程黄河黄拉萨永登安西西宁官亭临洮金昌格尔木乌兰 哈密 哈密开关站敦煌日月 山酒泉鱼 卡开关 站马鬃山330白银279400 哈密二厂羊曲茨哈 峡拉西 瓦玛尔 挡宁木 特 大南湖230372194玉门1603030嘉酒煤电基地嘉酒直流外送方案一清华大学清华大学experimental system 1500kw dfig back-to-back voltage source inverterdual dsps controller tms320vc33 and tms320lf2407a. lf2407a performs all the d

15、etections and controlsvc33 executes all the calculations synchronization deviceset of wind turbine simulator 清华大学清华大学experimental resultsgrid voltage (top) and stator voltage (bottom) prior to synchronization 清华大学清华大学experimental resultsstator phase voltage and current unity power factor lagging pow

16、er factor 清华大学清华大学experimental resultsrotor currents at rotation speed varying from sub-synchronization to sup-synchronization 清华大学清华大学converter for 1.5 mw dfig清华大学清华大学manufacture of 1.5mw dfig清华大学清华大学plate-form of dfigcontrollerreal time simulator of wind turbine based on dspace清华大学清华大学field testin

17、g of wind turbine controller清华大学清华大学interface of remote controlresults of field testinginterface & results of wind turbine controller 清华大学清华大学工作进展：工作进展： 十一五计划执行情况十一五计划执行情况 建成建成1.5mw风电机组变流器风电机组变流器年产年产1000套套生产基地。生产基地。清华大学清华大学离岸型风力发电清华大学清华大学wind power by pm generatorbasic structure proposed 清华大学清华大

18、学wind power by pm generator 清华大学清华大学wind power by pm generator simulation results experimental resultsback emf, reference and real currents（in phase with emf）清华大学清华大学预期：预期：1）到）到2020年年70%以上的海上风电市场将由直驱风机组成；以上的海上风电市场将由直驱风机组成； 2）未来）未来1-2年年3mw机型的成本可下降机型的成本可下降3-5%； 2）直驱风机在陆上风电市场的份额也会增加；）直驱风机在陆上风电市场的份额也会增加

19、； 3）直驱机组将在）直驱机组将在2020年占到总新装机量的年占到总新装机量的20%（目前占（目前占14%）。）。 尽管初始成本高出尽管初始成本高出5%-10%5%-10%，因为大幅，因为大幅降低了运营成本并降低了运营成本并省去了齿轮箱更换省去了齿轮箱更换成本，成本，直驱风机对直驱风机对于海上风电市场具于海上风电市场具有成本优势有成本优势关于直驱机组关于直驱机组发展趋势发展趋势清华大学清华大学2009-20142009-2014年中国风电变流器市场规模年中国风电变流器市场规模清华大学清华大学2009-20142009-2014年中国风电变流器需求年中国风电变流器需求清华大学清华大学2009-2

20、014 2009-2014 年中国每年风电变流器供需缺口年中国每年风电变流器供需缺口清华大学清华大学2009-2014 2009-2014 年中国每年全功率变流器供需缺口年中国每年全功率变流器供需缺口清华大学清华大学2009-2014 2009-2014 年中国每年双馈型变流器供需缺口年中国每年双馈型变流器供需缺口清华大学清华大学国外主流风机变流器生产商国外主流风机变流器生产商其中：其中：converteam、abb、emerson等占有国内前几位的市场份额等占有国内前几位的市场份额清华大学清华大学国内风机变流器的生产企业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山东新风光电子科技

21、发展有限公司北京清能华福风电技术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北京科诺伟业科技有限公司东方日立电控设备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深圳市禾望电气有限公司合肥阳光电源有限公司合肥阳光电源有限公司江苏大权集团公司江苏大权集团公司海德新能源公司海德新能源公司哈尔滨九洲电气哈尔滨九洲电气国电龙源电气有限公司国电龙源电气有限公司天津瑞能电气有限公司天津瑞能电气有限公司许继集团柔性输电系统公司许继集团柔性输电系统公司北京能高自动化技术有限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重

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