风电变流器

清华大学PEMCLab清华大学PEMCLab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2010.9IPEMC清华大学主要内容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IPEMC清华大学一、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30~50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％，40~140$/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。IPEMC清华大学一、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。IPEMC清华大学一、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！IPEMC清华大学节能的潜力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：IPEMC清华大学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26000MW，2009年新增装机13600MW。解决问题之道二：新能源IPEMC清华大学我国有效风功率密度分布IPEMC清华大学我国风力发电到2009年底，我国已经建立了200多个风电场，总装机容量达到26GWIPEMC清华大学中国风电装机统计中国累计风电场数量(除台湾省)02040608010012014016018019971998199920002001200220032004200520062007个中国累计风电机组数(除台湾省)0100020003000400050006000700019971998199920002001200220032004200520062007台中国累计风电装机容量(除台湾省)010020030040050060019971998199920002001200220032004200520062007装机容量(万千瓦)IPEMC清华大学我国新能源状况风能陆上可开发的储量为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IPEMC清华大学二、国内外风力发电状况IPEMC清华大学2001~2009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！IPEMC清华大学2001~2009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！IPEMC清华大学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！IPEMC清华大学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！清华大学PEMCLab清华大学PEMCLab2009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！IPEMC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IPEMC清华大学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IPEMC清华大学2004~2009国内风电机组价格走势二国内外风力发电状况IPEMC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IPEMC清华大学2005~2009我国各年新增装机平均功率二国内外风力发电状况IPEMC清华大学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HornsRevII海上风电场，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IPEMC清华大学三、风电变流器技术概况IPEMC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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：NEGMiconNM2000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V80IPEMC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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IPEMC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IPEMC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IPEMC清华大学风电机组类型：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IPEMC清华大学双馈电压型风机变流器拓扑DFIG网侧控制器转子侧控制器SVPWMSVPWMdcVgigvL1iL2icvEMI接触器接触器EMIrinsisvdu/dt抑制器LCL滤波器升压变压器690V码盘核心控制单元核心控制单元核心控制单元监控系统外部通讯双馈型风力发电机驱动控制变流器IPEMC清华大学全功率电压型风机变流器拓扑IPEMC清华大学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IPEMC清华大学四、风电变流器产业和趋势IPEMC清华大学我国风力发电的前景与对策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）。IPEMC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IPEMC清华大学工作进展：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。IPEMC清华大学离岸型风力发电IPEMC清华大学预期：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IPEMC清华大学2009-2014年中国风电变流器市场规模IPEMC清华大学2009-2014年中国风电变流器需求IPEMC清华大学2009-2014年中国每年风电变流器供需缺口IPEMC清华大学2009-2014年中国每年全功率变流器供需缺口IPEMC清华大学2009-2014年中国每年双馈型变流器供需缺口IPEMC清华大学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IPEMC清华大学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IPEMC清华大学五、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IPEMC清华大学超导储能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IPEMC清华大学超导储能系统IPEMC清华大学超级电容Simplicity——Eliminatescomplicationofchargecircuits.Longevity——Eliminatesthecostandhassleofchangingandhandlingofbatteries.Efficiency——1/3theweightoflead-acidbatteries,overthreetimesthelifeIPEMC清华大学超级电容储能系统IPEMC清华大学飞轮储能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IPEMC清华大学飞轮储能系统低速飞轮：1500rpm中速飞轮：5000～10000rpm高速飞轮：30000～100000rpmIPEMC清华大学中速飞轮储能系统IPEMC清华大学IPEMC清华大学六、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。IPEMC清华大学