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上海电气吴立建:透视风电技术未来发展

日期:2020-06-27 09:32
 
 

  北极星风力发电网讯:2019年10月21-24日,2019北京国际风能大会暨展览会(CWP2019)在北京隆重召开,大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展:绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来,已连续举办11届,成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

  10月22日,CTO论坛在新国展召开。上海电气风电集团股份有限公司副总工程师/浙江大学电气工程学院教授吴立建出席论坛并发表演讲。他表示,风电还是一个朝阳行业,未来的发展还有很大的空间,所以我们能从事这个行业是非常幸运的事情,第二方面为了实现这样的宏伟目标,我们面临的挑战,这种挑战总的来讲分为三类,第一类风的不确定性,第二风的分散性,第三风的经济性的三大挑战,如果能够解决这三大挑战,未来我们肯定能够实现高比例风能纪录的宏伟目标。

  吴立建:大家好,今天非常高兴在这里能有机会和大家分享我个人的一些想法,在座的各位可能看到了,这个题目叫做透视风电技术未来发展,可能很多人心里已经犯嘀咕了,这个小子看着年轻,就喜欢空想未来,年轻就是好啊。实际上不是我年轻,我看了一下,在座的可能很多人,我说不定年纪属于比较大的人,不是我年轻,而是我们风电这个行业还是朝气蓬勃的行业,是一个朝阳的行业,风电未来得发展空间还是非常巨大的。今天我们大家就一起畅想一下未来的风电技术的发展。

  在展望未来之前,我们首先看一看我们当今的格局,应该这么说,人类开发风电也差不多有半个世纪了,在最近20年到30年经过大家不懈的努力,我们取得了辉煌的成就,我记得在20年之前,我为了看一台风机,我就从中国的东部,从上海坐了两天的火车跑到了新疆的达板城,才看到一台风机,但是今天大家坐在公共交通上面不想看到风机都是非常困难的事情,所以发展是非常迅速。

  取得这样的成就,我想得益于我们在众多的基础领域里面的突破比如说复合材料,比如说大功率半导体器械的发展比如说永磁传动技术的发展,为风电行业发展助推了很多力量。

  我们看看今天的格局,虽然说风电取得了很大的发展,但是整个电力的格局仍然以传统能源为主导,整个电网的形态仍然以传统的同步发电机为核心集中式电网的形态。我们看看2016年的统计数据,在2016年的时候我们整个全球的发电量只有4%是来自风电的。

  根据众多权威机构的预测,未来能源的格局将会以新能源的发电为主,比如根据RENA《全球能能源转型路线年,全球整个发电量大约86%来自于可再生能源,其中37%将会来自于风力发电,所以发展空间还是巨大的。

  我们中国的情况也很类似,根据中国可再生能源的展望2018年的预测,相比于2017年,2017年统计大约全国只有5%的发电量是来自于风电,到2050年将会有86%的能源电力是来自于可再生能源,其中50%是来自于风力发电,可能大家说了这不就是个预测吗?有可能乐观,有可能是保守。其实讨论它能不能实现,意义并不大,我以及我们上海电气更多把它当成我们的愿望、我们的志向以及目标,所以首要回答的是如何朝着这样的目标,如何实现这样宏伟的目标。

  我们再来看看另外一个方面的情况,就是我们的用户侧在发生什么样的变化,我们可以看到当今很多的研究热点,比如说全电舰船、多电飞机、电动汽车,这些都是在整个工业界非常热的研究热点,可以看出来生活方方面面都在进行着深度的电气化,所以深度的电气化仍然是我们整个发展大的趋势,所以能源的需求上也在发生着深刻的变化。

  总而言之,我想到了2050年的时候,我们畅想一下未来,在能源整个链条的前端,供给侧将会以可再生能源为主,在能源的后端就是需求侧,将会呈现出更多多样性出来,所以在能源整个前端后端都将发生深刻的变化,整个电力系统必然会发生革命性的变化,这种革命性的变化可能是很难以想象的,用我们现在的眼光去看30年之后的革命性的变化,显然是非常困难的的。但是日本我们从风能的本质特征上去看,我们还是能够梳理出一些结论,

  如果要实现这样宏伟的目标,我们所面临的几个挑战,如果我们对比一下风能和传统化石能源的话,我想挑战主要来自于三个方面。第一个方面就是风的不确定性,刚才远景的许总也提到了很难测准,很难算准。第二个方面是风场的分散性,第三个方面是发电设备经济性,风电天生的就有随机性和波动性,风能本身密度比较低,所以风场必然是小而分散的,如果在未来我们要实现这么大风能的结构,必然需风电的竞争性。

  要解决不确定性、确定性的问题是非常困难的,因为风本身就是这样的特征,首先我们需要对风有更强、更深入的认知,这本身就是极具挑战,需要在不同的时间尺度、空间尺度上更为精细的解析和预报。不仅仅是关系到风场机组的优化设计的问题,也关系到风场机组整个优化控制策略的问题,所以至关重要,空间尺度上我们有中尺度、微尺度,目标也不一样。

  所以到目前为止在这些技术上面,我们还是有难度的,所以需要在这些基础理论上面进行一些突破,另外在时间上面,我们需要在秒级的短时间尺度,还有中尺度上面需要更精细的预报,可以为机组的控制提供准逐格的预报时间。

  为了深入认知这个风,我们面临的挑战还需要更精细气象的模型,也需要强大的计算能力的支撑,并且还需要更加强大精确的传感技术。我们知道现在有激光雷达测控技术,能够为我们争取到大约10秒左右时间的感知和控制,能有效增量发电量和降低载荷,但是对于未来的风机肯定是不够的,肯定需要在更大范围里面,更加精细的颗粒度的提前的感知和观测技术。

  是不是我们能够准确的认知它,能够预报它,我们是不是就解决了这个问题呢?其实不难,因为风的波动性是不可避免的,在未来的电力系统当中,假如说我们50%的电能是来自于风力发电,那么这种波动性是非常可怕和灾难性的,所以必须要进行治理和解决。我想解决这种波动性,可能只有一个办法,就是多能互补,多能互补有两个层面,一个区域性的互补,比如这个风场和那个风场之间的互补,另外一个层面是不同能源形态上面的互补,比如说风光互补,比如说不同形式的储能技术,以及未来更加创新的,能够快速响应的、短时的发电方式,能够为风电的波动进行补偿。

  下面我要讨论一个分散性的问题,风力发电我们知道风机每个大概就是兆瓦级,跟我们传统的火力发电机相比,能量是非常的小,远远小于传统的发电机,当我们大量的火力发电机被新能源替代,每座风电场必将分解为若干个小的机组,所以未来电力格局肯定是分散的,电力系统的形态将会以传统的同步中心集中式电网形态,转变为多能互补的分散式的电网形态,所以难度是非常大。

  因为传统电网控制理论将会被颠覆,我们需要进行深入的研究,支撑新能源为主的电网形态。未来的电力系统是电力电子化的,因为不同能源形态的记录需要以电力电子为支撑,但是传统火力发电大型的电机所能够提供的物理上电网的惯性就受损了,可靠性肯定有所降低,这是这些年很多学者在研究的一个议题。

  但是我想就其本质上来讲,电力电子技术本身又具有更强的主动控制能力和更快速的控制能力,所以理论上讲,我认为电力电子能够实现更强的、更好的性能。但是对于这么大规模的新能源的分散式,以及未来这么大规模数字化控制的消费侧,整个电网的控制是非常复杂的。

  一方面是整个的控制方面的复杂,另外一方面电力电子化的电力电子系统也需要电力电子系统本身的进步,一方面电力电子器件需要更进一步的发展,比如像碳化硅第三代半导体器件进一步的完善,现在有的发展很不错,但是还需要进一步的完善。另外一方面我们也需要在电力电子器件图谱结构以及方式上面进行进一步的研究,以支撑未来更大规模的不同频率、不同DNR等级之间非常自由和容易的变换,以实现我们整个电网的互联互通。我们前面提到电力电子化之后,代价是同步电机启动的惯性受损,这个是不好的。

  但是我认为为了提高电网的稳定性,我们恰恰就要发挥电力电子快速响应的能力,所以快速性是关键,为了实现这种快速性,其根本要借力于发达的信息技术以及数字化技术,这里首先我们需要更高速、更高带宽的网络技术,以及更高速的传感技术,以及更强的物联网技术,还有电网的快速动态稳定的控制技术。

  现在再谈一谈经济性的问题,其实这个大家谈的都已经很多了,都是老生常谈了。总的来说,无非就是提高有效部分与无效部分的比例,这里所说的有效部分是直接参与到发电的部分,无效的部分不是说没有用,无效部分自己不参与发电,间接参与发电,所以提高这个比例可以有效提高度电成本。经过这么多年的发展,总的来说经验告诉我们,大型化是一个有效的手段,如果提高机组的容量可以有效降低度电成本。所以我相信未来我们需要更高的塔架、更大的叶轮,还有更大的容量。

  大型化面临巨大挑战,首先在基础应用理论方面,我们需要进行突破,未来叶片达到百米级甚至更长叶片的时候,整个叶片柔性将会更加突出,当塔筒更高、叶片更长、叶片所面临的流固耦合情况将会更加复杂,那么我们在空气动力学方面将会需要进一步的深入的研究,不仅更加长之后、更加大之后,柔性更加突出,我们在结构动力学方面也会面临更大挑战,当机组走向深海的时候,水动力学也是很重要的,特别是未来我们还要实现漂浮式的机组,风、浪和流多场耦合,肯定需要我们在机组理论方面进行进一步深入的研究和突破。

  除了基础理论,我们还面临另外一个挑战,这些大型部件在设计与制造技术上面,难度是极大的,首先要以来于新材料以及新器件的创新,另外一方面大型部件的模块化很重要比如发电机和叶片的模块化,叶片的分段技术,当然在做这些模块化的时候也要很小心,虽然模块化简化了制造,但实际上它在模块化过程当中,也会带来一些自身的负效应,这些负效应很有可能会带来一些可靠性的隐患,我们也必须要采取各种研究,采取各种技术去对付它,所以模块化之后带来机身负效应也是非常重要的,另外也要对新兴工艺进行研究。

  谈到机组的经济性,机组本身的成本是一方面,另一方面运维成本也很重要,谈到运维,实际上我们要从整个全生命周期的视角去考虑这个问题,风机故障诊断以及健康的管理是非常重要的,这就依赖于什么?依赖于我们的大数据技术以及人工智能,还有基于模型的分析技术进一步的突破。为了风机智能运维,上海电气开发了风云系统,可以有效提高风机的经济性。

  我的报告也差不多就结束了,最后再做个简单的小结,总的来说,风电还是一个朝阳行业,我相信它未来的发展还有很大的空间,所以我们能从事这个行业是非常幸运的事情,第二方面为了实现这样的宏伟目标,我们面临的挑战,这种挑战总的来讲我把它分为三类,第一类风的不确定性,第二风的分散性,第三风的经济性的三大挑战,我们如果能够解决这三大挑战,未来我们肯定能够实现高比例风能纪录的宏伟目标,最后谢谢大家。

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