风电变流器.ppt

1、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 2010.9,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。,一、 概 述,人类当前面

2、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，印度的1.6倍，世界平均水平的3

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巨大的，每年高达53万亿千瓦

4、 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 陆上可开发的储量为2.53亿kW 海上

5、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！,2009年 全球风机生产

6、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,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,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 海上风电场，其装机容量为209

7、MW 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 电系统,风轮机,发电机,控制,

8、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研发及产业化方面进行了巨大投

9、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,我国风力发电的前景与对策,前景展望 预计在2

10、010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,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,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

11、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

12、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

13、 complication of charge circuits. LongevityEliminates the cost and 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