上海電氣吳立建:透視風電技術未來發展_東方風力發電網
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上海電氣吳立建:透視風電技術未來發展

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-10-23   來源:能見app  瀏覽次數:110
核心提示:10月22日,CTO論壇在新國展召開。上海電氣風電集團股份有限公司副總工程師/浙江大學電氣工程學院教授吳立建出席論壇并發表演講。
  2019年10月21-24日,2019北京國際風能大會暨展覽會(CWP2019)在北京隆重召開,大會主題“風電助力‘十四五’能源高質量發展:綠色、低碳、可持續”。自2008年首次在北京舉辦以來,已連續舉辦11屆,成為北京金秋十月國內外風電行業爭相參與的年度盛會。
  
  10月22日,CTO論壇在新國展召開。上海電氣風電集團股份有限公司副總工程師/浙江大學電氣工程學院教授吳立建出席論壇并發表演講。他表示,風電還是一個朝陽行業,未來的發展還有很大的空間,所以我們能從事這個行業是非常幸運的事情,第二方面為了實現這樣的宏偉目標,我們面臨的挑戰,這種挑戰總的來講分為三類,第一類風的不確定性,第二風的分散性,第三風的經濟性的三大挑戰,如果能夠解決這三大挑戰,未來我們肯定能夠實現高比例風能紀錄的宏偉目標。
  
  以下是發言內容:
  
  吳立建:大家好,今天非常高興在這里能有機會和大家分享我個人的一些想法,在座的各位可能看到了,這個題目叫做透視風電技術未來發展,可能很多人心里已經犯嘀咕了,這個小子看著年輕,就喜歡空想未來,年輕就是好啊。實際上不是我年輕,我看了一下,在座的可能很多人,我說不定年紀屬于比較大的人,不是我年輕,而是我們風電這個行業還是朝氣蓬勃的行業,是一個朝陽的行業,風電未來得發展空間還是非常巨大的。今天我們大家就一起暢想一下未來的風電技術的發展。
  
  在展望未來之前,我們首先看一看我們當今的格局,應該這么說,人類開發風電也差不多有半個世紀了,在最近20年到30年經過大家不懈的努力,我們取得了輝煌的成就,我記得在20年之前,我為了看一臺風機,我就從中國的東部,從上海坐了兩天的火車跑到了新疆的達板城,才看到一臺風機,但是今天大家坐在公共交通上面不想看到風機都是非常困難的事情,所以發展是非常迅速。
  
  取得這樣的成就,我想得益于我們在眾多的基礎領域里面的突破比如說復合材料,比如說大功率半導體器械的發展比如說永磁傳動技術的發展,為風電行業發展助推了很多力量。
  
  我們看看今天的格局,雖然說風電取得了很大的發展,但是整個電力的格局仍然以傳統能源為主導,整個電網的形態仍然以傳統的同步發電機為核心集中式電網的形態。我們看看2016年的統計數據,在2016年的時候我們整個全球的發電量只有4%是來自風電的。
  
  根據眾多權威機構的預測,未來能源的格局將會以新能源的發電為主,比如根據RENA《全球能能源轉型路線圖2050》的預測,到2050年,全球整個發電量大約86%來自于可再生能源,其中37%將會來自于風力發電,所以發展空間還是巨大的。
  
  我們中國的情況也很類似,根據中國可再生能源的展望2018年的預測,相比于2017年,2017年統計大約全國只有5%的發電量是來自于風電,到2050年將會有86%的能源電力是來自于可再生能源,其中50%是來自于風力發電,可能大家說了這不就是個預測嗎?有可能樂觀,有可能是保守。其實討論它能不能實現,意義并不大,我以及我們上海電氣更多把它當成我們的愿望、我們的志向以及目標,所以首要回答的是如何朝著這樣的目標,如何實現這樣宏偉的目標。
  
  我們再來看看另外一個方面的情況,就是我們的用戶側在發生什么樣的變化,我們可以看到當今很多的研究熱點,比如說全電艦船、多電飛機、電動汽車,這些都是在整個工業界非常熱的研究熱點,可以看出來生活方方面面都在進行著深度的電氣化,所以深度的電氣化仍然是我們整個發展大的趨勢,所以能源的需求上也在發生著深刻的變化。
  
  總而言之,我想到了2050年的時候,我們暢想一下未來,在能源整個鏈條的前端,供給側將會以可再生能源為主,在能源的后端就是需求側,將會呈現出更多多樣性出來,所以在能源整個前端后端都將發生深刻的變化,整個電力系統必然會發生革命性的變化,這種革命性的變化可能是很難以想象的,用我們現在的眼光去看30年之后的革命性的變化,顯然是非常困難的的。但是日本我們從風能的本質特征上去看,我們還是能夠梳理出一些結論,
  
  如果要實現這樣宏偉的目標,我們所面臨的幾個挑戰,如果我們對比一下風能和傳統化石能源的話,我想挑戰主要來自于三個方面。第一個方面就是風的不確定性,剛才遠景的許總也提到了很難測準,很難算準。第二個方面是風場的分散性,第三個方面是發電設備經濟性,風電天生的就有隨機性和波動性,風能本身密度比較低,所以風場必然是小而分散的,如果在未來我們要實現這么大風能的結構,必然需風電的競爭性。
  
  要解決不確定性、確定性的問題是非常困難的,因為風本身就是這樣的特征,首先我們需要對風有更強、更深入的認知,這本身就是極具挑戰,需要在不同的時間尺度、空間尺度上更為精細的解析和預報。不僅僅是關系到風場機組的優化設計的問題,也關系到風場機組整個優化控制策略的問題,所以至關重要,空間尺度上我們有中尺度、微尺度,目標也不一樣。
  
  所以到目前為止在這些技術上面,我們還是有難度的,所以需要在這些基礎理論上面進行一些突破,另外在時間上面,我們需要在秒級的短時間尺度,還有中尺度上面需要更精細的預報,可以為機組的控制提供準逐格的預報時間。
  
  為了深入認知這個風,我們面臨的挑戰還需要更精細氣象的模型,也需要強大的計算能力的支撐,并且還需要更加強大精確的傳感技術。我們知道現在有激光雷達測控技術,能夠為我們爭取到大約10秒左右時間的感知和控制,能有效增量發電量和降低載荷,但是對于未來的風機肯定是不夠的,肯定需要在更大范圍里面,更加精細的顆粒度的提前的感知和觀測技術。
  
  是不是我們能夠準確的認知它,能夠預報它,我們是不是就解決了這個問題呢?其實不難,因為風的波動性是不可避免的,在未來的電力系統當中,假如說我們50%的電能是來自于風力發電,那么這種波動性是非常可怕和災難性的,所以必須要進行治理和解決。我想解決這種波動性,可能只有一個辦法,就是多能互補,多能互補有兩個層面,一個區域性的互補,比如這個風場和那個風場之間的互補,另外一個層面是不同能源形態上面的互補,比如說風光互補,比如說不同形式的儲能技術,以及未來更加創新的,能夠快速響應的、短時的發電方式,能夠為風電的波動進行補償。
  
  下面我要討論一個分散性的問題,風力發電我們知道風機每個大概就是兆瓦級,跟我們傳統的火力發電機相比,能量是非常的小,遠遠小于傳統的發電機,當我們大量的火力發電機被新能源替代,每座風電場必將分解為若干個小的機組,所以未來電力格局肯定是分散的,電力系統的形態將會以傳統的同步中心集中式電網形態,轉變為多能互補的分散式的電網形態,所以難度是非常大。
  
  因為傳統電網控制理論將會被顛覆,我們需要進行深入的研究,支撐新能源為主的電網形態。未來的電力系統是電力電子化的,因為不同能源形態的記錄需要以電力電子為支撐,但是傳統火力發電大型的電機所能夠提供的物理上電網的慣性就受損了,可靠性肯定有所降低,這是這些年很多學者在研究的一個議題。
  
  但是我想就其本質上來講,電力電子技術本身又具有更強的主動控制能力和更快速的控制能力,所以理論上講,我認為電力電子能夠實現更強的、更好的性能。但是對于這么大規模的新能源的分散式,以及未來這么大規模數字化控制的消費側,整個電網的控制是非常復雜的。
  
  一方面是整個的控制方面的復雜,另外一方面電力電子化的電力電子系統也需要電力電子系統本身的進步,一方面電力電子器件需要更進一步的發展,比如像碳化硅第三代半導體器件進一步的完善,現在有的發展很不錯,但是還需要進一步的完善。另外一方面我們也需要在電力電子器件圖譜結構以及方式上面進行進一步的研究,以支撐未來更大規模的不同頻率、不同DNR等級之間非常自由和容易的變換,以實現我們整個電網的互聯互通。我們前面提到電力電子化之后,代價是同步電機啟動的慣性受損,這個是不好的。
  
  但是我認為為了提高電網的穩定性,我們恰恰就要發揮電力電子快速響應的能力,所以快速性是關鍵,為了實現這種快速性,其根本要借力于發達的信息技術以及數字化技術,這里首先我們需要更高速、更高帶寬的網絡技術,以及更高速的傳感技術,以及更強的物聯網技術,還有電網的快速動態穩定的控制技術。
  
  現在再談一談經濟性的問題,其實這個大家談的都已經很多了,都是老生常談了。總的來說,無非就是提高有效部分與無效部分的比例,這里所說的有效部分是直接參與到發電的部分,無效的部分不是說沒有用,無效部分自己不參與發電,間接參與發電,所以提高這個比例可以有效提高度電成本。經過這么多年的發展,總的來說經驗告訴我們,大型化是一個有效的手段,如果提高機組的容量可以有效降低度電成本。所以我相信未來我們需要更高的塔架、更大的葉輪,還有更大的容量。
  
  大型化面臨巨大挑戰,首先在基礎應用理論方面,我們需要進行突破,未來葉片達到百米級甚至更長葉片的時候,整個葉片柔性將會更加突出,當塔筒更高、葉片更長、葉片所面臨的流固耦合情況將會更加復雜,那么我們在空氣動力學方面將會需要進一步的深入的研究,不僅更加長之后、更加大之后,柔性更加突出,我們在結構動力學方面也會面臨更大挑戰,當機組走向深海的時候,水動力學也是很重要的,特別是未來我們還要實現漂浮式的機組,風、浪和流多場耦合,肯定需要我們在機組理論方面進行進一步深入的研究和突破。
  
  除了基礎理論,我們還面臨另外一個挑戰,這些大型部件在設計與制造技術上面,難度是極大的,首先要以來于新材料以及新器件的創新,另外一方面大型部件的模塊化很重要比如發電機和葉片的模塊化,葉片的分段技術,當然在做這些模塊化的時候也要很小心,雖然模塊化簡化了制造,但實際上它在模塊化過程當中,也會帶來一些自身的負效應,這些負效應很有可能會帶來一些可靠性的隱患,我們也必須要采取各種研究,采取各種技術去對付它,所以模塊化之后帶來機身負效應也是非常重要的,另外也要對新興工藝進行研究。
  
  談到機組的經濟性,機組本身的成本是一方面,另一方面運維成本也很重要,談到運維,實際上我們要從整個全生命周期的視角去考慮這個問題,風機故障診斷以及健康的管理是非常重要的,這就依賴于什么?依賴于我們的大數據技術以及人工智能,還有基于模型的分析技術進一步的突破。為了風機智能運維,上海電氣開發了風云系統,可以有效提高風機的經濟性。
  
  我的報告也差不多就結束了,最后再做個簡單的小結,總的來說,風電還是一個朝陽行業,我相信它未來的發展還有很大的空間,所以我們能從事這個行業是非常幸運的事情,第二方面為了實現這樣的宏偉目標,我們面臨的挑戰,這種挑戰總的來講我把它分為三類,第一類風的不確定性,第二風的分散性,第三風的經濟性的三大挑戰,我們如果能夠解決這三大挑戰,未來我們肯定能夠實現高比例風能紀錄的宏偉目標,最后謝謝大家。
  
  (根據演講速記整理,未經演講人審核)
 
 

 
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