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李永东:风力发电核心技术变换器发展趋势

http://www.electric.hc360.com2012年01月12日14:48慧聪电气网

——清华大学电机工程系教授 博士生导师 电力电子与电机系统研究所负责人 李永东

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李永东:风力发电核心技术变换器发展趋势

    李永东:

    各位领导,各位企业家,参加慧聪网举办的活动心情还是非常激动,通过这个平台认识很多老朋友和新朋友,尤其是我们看到周老以及各位老专家身体健康,所以我们感觉到非常高兴。

    今天我的主要题目是风力发电核心技术变换器发展趋势。最近几年国家投入很多的资金以及一些优惠政策,大力发展新能源产业,在这个后面究竟核心技术发展有什么进展?主要的内容包括这几方面。

    国内外风力发电状况,电流器技术状况和产业趋势,最后谈具体储能技术。

    大家知道目前我们人类面临着一个世纪性难题,主要一个是能源短缺,其次是环境污染,全球石油储量只够使用30到50年,我们国家生育的产量只有世界1/10,2010年国家进口已经接近2亿吨,2020年达到2.2亿吨,对外依存度超过50%,美国对伊朗伊拉克感兴趣实际是关心石油,我们需要的煤炭特别多,国家主要能源是煤炭,大办用于火力发电,人均占世界1/2,火电需要大量水,在北方我们缺水,其次大量的煤炭没有经过深加工被烧掉,热利用率低,而且造成环境严重污染,世界上10个最严重污染城市有6个在我们国家,前几天从乌鲁木齐回来,那个地方污染也很严重。平时不下雪20米看不到人,排放量超过美国居全球第一。另外汽车尾汽排放造成环境污染,北京就主要是汽车,特殊问题是能源效率低造成大量浪费。单位能耗实际上比印度还高,不用说欧、美、日先进国家。我们消耗的材料非常大,大部分是劳动密集型产业,比如衣服、鞋子、裤子、袜子等等。高科技产品主要是空壳,效益非常差。解决之道一是节能,节能怎么强调都不过分,十几年前搞节能当时不被人理解。 节能可以减少发电用煤,减少二氧化碳排放,可以形成非常庞大的产业,目前不完全统计上亿,实际很多大公司在抢这个市场。

    其次是新能源,主要是传统的水电,包括最近几年发展比较多的风电太阳能,风电资源全球巨大,是水资源的10倍,2020年全球供电其实都可以,假如都利用起来可以用风电做。此外风电是清洁可再生能源,因为靠太阳。最近20年风力发电成本大幅度下降已经接近火力发电成本,目前提供很好社会和环境效益。

    国家2010年装机容量达到了四万两千兆瓦,已经是全世界老大。这是我们的分布,大家可以看出基本都在北方,也就是沙尘暴最厉害的内蒙、新疆和东北。2010年年底我们国家建设了200多个风电厂总量达到四万两千兆瓦,在三北地区以及沿海地区,这是发电量装机容量统计,基本呈指数型增加,市场很广阔。这是总的储量,除了路上以外海上储量也没有大,除了风力发电还有太阳能,地热,燃料电池等等。风能主要的问题是什么?输出的功率具有明显的波动性,间歇的,比如说冬天风比较大,在北方我们都知道,夏天风比较小,不容易预测。这个问题就对电力系统来讲你们说是清洁能,我们认为是垃圾能,因为不能预测不能调度,因此遭遇了限电,没有利用起来。总的发展来看增长非常快。

    这是最近10年全球装机容量,新增容量2009年38个G,2010年已经是第一了。这是各国的份额我们也可以看出来,实际发展非常快。09年全球10强企业中有3位是中国的企业,其中华瑞达到了老三的水平,第一丹麦,第二美国,第三是中国华瑞,第五是中国金风,去年2011年受到一些挫折,但是这个排名基本没怎么变。

    这是新增容量的排名,我们国家2009年累计的前12家企业实际上前3家是国产的,而且我们总机厂已经很多国家限制,因为主要是机械行业,利用了机械行业的设备,价格也在不断的下降,机组目前大容量居多,效率高成本降低,所以60%70%是上兆的,1.5兆瓦以上的。新增功率基本是1.5上兆的,海上风电在上海世博会前在东海建成了,目前上海东海大桥102兆瓦海上风电全部并网成功,招标进行着。

    主要看有哪些核心技术,因为我们要掌握核心技术才有高端利润,都搞劳动、机械密集型产品,核心技术被人家掌握,大部分电流其比如70%80%变流器用国外的,高端利润人家拿走了。核心技术一个是风轮机,其次是发电机,最后是整个电控系统。前一些年搞定浆锯失速控制,发电机我们国家目前做的比较多。主要是控制系统,包括这几方面技术,一个是风轮机控制,另外发电方式控制,还有不同类型的易变器控制,还有MPPT,MEPT,储能控制等,控制属于核心技术。真正的核心控制器尤其变流器大部分是国外的。

    变流器属于核心部件,目前国产化率比较低的,被国外巨头垄断,最近几年国内产业企业界在这方面投入巨大资金,包括国家十一五公关计划有长足进步。有这么几个类型,一个是高速型的发电机功率非常小,但是需要一个齿轮箱,因为风的速度本来比较低,其次是低速型全功率的,这个不要齿轮箱,齿轮箱经常是故障来源,但是发电机体积非常大,最近研究中速型的,发电机的体积相对小一些,综合两种的优缺点。

    这是一个典型的目前用的最多的双馈发电机系统,核心是电子设备,变频器是背靠背的,双向的,容量是发电机容量的1/3到1/2,所以成本比较低。好处是完全可控,不管风速大小可以捕获功率。问题就是低电压传阅,这是我们国家标准要求必须解决的问题,就是电网故障发电机不能脱网,目前国家标准要求必须具有这个能力,很多需要改造。

    永磁发电机有点是低电压穿越问题稍微好一些,而且低速的时候可以省掉齿轮箱,但是问题成本高,包括所有的传输功率要通过它,另外涨价了。有一些不同控制,主要问题成本比较高,体积比较大。

    另外含风电场的电力系统,刚才我们说风电是一个随机能源,电力系统不太喜欢,还要加备用电站,太大影响整个系统稳定性控制起来比较麻烦,所以现在在研究注入多大风力发电对系统稳定性产生影响,很多国内外的企业和大学也都在研究,进一步研究数额预测,不确定情况下怎么建模,电网故障情况下怎么解决穿越问题,课题非常多。这实际是一个核心技术,假如这个突破之后才能占领高端,我们现在很多企业打拼的很累,因为利润比较低,做一个东西很多人一拥而上,核心技术做的人很少,需要大量人才。

    这是前面讲的趋势,在2030年以前的预测是占10%,可能现在要超前。在这个情况下假如全用国外的成本非常高,因此需要加速核心技术国产化,要发展大型离岸风力发电,进一步成本降低。现在国家搞的大陆上三峡,发完之后输不出来,没有很多用户,都是离最近用户兰州还1000公里,比如北京上海,这是问题,将来国家建超高压的直流输电。

    十一五进展情况,目前国内有不少厂家掌握了变流器核心技术,有生产能力,这是其中一些合作厂家的生产车间,离岸风力发电功率更大。直驱为什么说未来可能会越来越多的发展?虽然它的成本比较高,但是省去了故障源,在海上这么大功率维修一次非常不容易,维修出动一次,比如调车可能十几万二十万比变流器还贵,前段时间听说弄不好掉下来把人砸死。希望把齿轮箱省掉,有优势,所以未来增长快。这是变流器市场规模,我们可以看出来,产值每年增长比较快,30%40%,我们过去说风电过了,国家限制整机厂,不是说限制变流器,变流器真正的核心技术我们并没有完全掌握。目前到2014年还有这么大缺口,其中全功率变流器到2014年还有几千台缺口,需要量上万台。双馈变流器也有缺口,现在在解决。主要厂家有这几个。国内已经有很多了,包括一些上市公司也在做,这是我们不完全统计有这么多厂家。

    实际真正做到比如高性能含有低电源穿越的也不多,此外风由于随机性,不能随时需要调度,没风怎么办,研究储能技术,将来这个技术发展起来也会解决不少问题。比如说我们可以在用电低谷的时候把能量储存起来,或者风发的多用不了储存起来,白天需要用起来。过去用压缩空气和蓄电池,最近一些年发展快超导等等新技术,超导研究比较多,虽然效率非常高,主要问题是系统非常复杂,这个我们实验室做了,这是液氮的超导罐,液氮罐非常贵。最近发展比较多是超级电容,有很大优越性,它的寿命比较长,非常快,比电池要快的储存能量。电池快速储能也得半小时,几十分钟。目前在电动汽车、地铁、轻轨上已经得到广泛应用。进一步发展飞轮,是一个大的机械储能装置和高速有关,高速电机带着一个飞轮,最高有3万甚至10万转飞轮,这个飞轮技术非常高,真空状态,否则摩擦很大,这是一个具体飞轮结构图,机械上也非常复杂。

    所有的储能技术的比较我们可以通过网上查到,或者大家需要的话我们也可以提供。在不同场合用到不同储能技术。

    最后给一个结论,在我国大力发展以风能太阳能新发电方式为代表的电力系统成为长期的国策,新能源电力不远将来成为我国电力建设不可缺少的部分,随着洋品牌不断降价,整机厂介入,新一轮竞争越来越激烈,要和国内整机厂结合起来大家要做。电网友好耗型的故障穿越式的技术是国产变流器必须解决的问题,国产化使我们国家整个技术水平上一个台阶。真正掌握多利润是高端技术,希望国内厂家不懈努力,共同打造一些中国的高端企业和高端品牌。

    谢谢大家!

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