风力发电概念及基本特征

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1、第二章 风力发电概念及基本特征一、风力发电概念风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐 照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异 在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气 密度成正比关系。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿 海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家， 中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300W/m2以上，3-20 米/秒的 风速年

2、累计超过6000小时。内陆风能资源最好的区域是沿内蒙古至新疆一 带，风能密度也在200-300W/m2, 3-20米/秒风速年累计5000-6000小时。风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式。 在风能的各种利用形式中，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可 再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电 方式之一。二、风力发电系统结构（一）风力发电机风力发电机是集空气动力、电机制造、液压传动和计算机自动控制为 一体的综合性技术。大致由以下几个子系统组成：桨叶、增速齿轮箱、发 电机、塔架控制设备、电缆、地面支撑设备、各子系统连接设备。风轮是将风能转换为机

3、械能的装置，它由气动性能优异的叶片（目前 商业机组一般为23 个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传 动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在 机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起。由于风向经常变化，为了有效 地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由 控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始 终对风。其中风电机组的整体设计、叶片的材料和加工技术、自动化控制 系统、液压和传感技术是风机制造的关键。风机是基本的风能转换设备，按主轴装置形式大致可分两大类：垂直 轴风力机（转轴与来流方向垂直）、水平轴风力机（转轴与来流方向

4、平行）。 目前较常用的大型机组为水平轴风力发电机，其主要有定桨距失速调节型 和变桨距调节型两大类。图表 1：风力发电机构成图（二）风电机组风电机组是风电系统的最主要的部分。机组占风电场初始投资的比例 非常大，一般为 60%-70%。这也是国家强调尽快使得风电机组国产化的原因在控制系统和保护系统方面广泛用电子技术和计算机技术不仅可以有 效地改善并提高风力发电总体设计能力和水平，而且对于增强风电设备的 保护功能和控制功能也有重大作用。目前，市场份额最大的风电机组主要 分两类，一类是定桨距失速调节型，另一类是变桨距调节型，上述两类风 电机组都采用异步发电机，转速基本上是固定的。1定桨距失速调节型风力

5、发电机定桨距是指叶片被固定安装在轮毂上，其桨距角（叶片上某一点的弦 线与转子平面间的夹角）固定不变，失速型是指桨叶翼型本身所具有的失 速特性（当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速条件、使桨叶的表 面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的）。这种技术是丹麦风电制造技术的核心，优点是调节简单可靠，控制系 统可以大大简化，其缺点是叶片重量大（与变桨距风机叶片比较），轮毂、 塔架等部件受力增大。这种风电机基本上都采用了鼠笼型转子，有一部分 机组为了提高低风速时段的发电效率，采用了变极技术。2变桨距调节型风力发电机变桨距是指安装在轮毂上的叶片可以借助控制技术改变其桨距角的大 小。其调节方

6、法分为三个阶段：第一阶段为开机阶段，当风电机达到运行 条件时，计算机命令调节桨距角，直到风电机达到额定转速并网发电；第 二阶段当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在零位置不变；第三阶段 当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投入运行，当输出功率变化时 及时调桨距角的大小，在风速高于额定风速时，使发电机的输出功率基本 保持不变。变桨距调节的主要优点是：桨叶受力较小，桨叶可以做的比较轻巧。 由于桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获 风能，多发电力，又可以在高风速时段保持输出功率平稳，不致引起异步 发电机的过载，还能在风速超过切出风速时通过顺桨（叶片的几何攻角趋 于零升力的状

7、态）防止对风力机的损坏，这是MW级风力发电机的发展方向。 其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。风的随机性和间歇性特点使风电机的出力变化很大，这样机组的动态 负荷增加，对电网的冲击增大。为此，可通过增大异步发电机允许滑差率 的办法加以解决。鼠笼型异步发电机允许的滑差率为S=-l%-5%。而绕线 式异步发电机允许的滑差率为S=-1%-10%,滑差率的增大相当于在定、转 子间增加了一个弹性环节，对于减少功率波动，提高供电质量是非常有利 的。以上两种异步发电机，尽管带一定滑差运行，从切入风速（3-4m/s） 到切出风速（25m/s）,发电机的转速变化最大可达10%,如增速齿轮的变速 比为60： 1，

8、则实际运行中滑差S是很小的，因而叶片转速变化范围也是很 小的,看上去风机叶片似乎是在“恒速”旋转,故通常又称这种风力发电 机为恒速风电机。3变速恒频风力发电机系统变速恒频是指在风力发电的过程中,发电机的转速可以随风速而变化, 然后通过适当的控制措施使其发出的电能变为与电网同频率的电能送入电 力系统。风力发电机通过旋转叶片及发电机把风能变为交流电能（其频率 随风速而变化）,通过整流装置将交流电变为直流电,再通过逆变装置将直 流电变为恒频（工频）交流电能,最后通过升压变压器,送入电力系统。变速恒频风力发电系统具有非常突出的优点：（1）风力机可以最大限度的捕获风能,因而发电量较恒速恒频风力发 电机大

9、。（2）较宽的转速运行范围,以适应因风速变化引起的风力机转速的变 化。（ 3 ）采用一定的控制策略可以灵活调节系统的有、无功功率。（ 4）可抑制谐波,减少损耗,提高效率。其主要问题是由于增加了交 直交变换装置,大大增加了设备费用。4交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统 系统采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机,其结构与绕线式异步 电机类似。当风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子电流的频率f2, 可使定子频率fl恒定，当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时， 即nn1,处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电 机定子发出电能给电网；当nn1时，处于超同步状态，此时发电

10、机同时由 定子和转子发出电能给电网，变频器的能量流向逆向；当n=n1时，处于 同步状态,此时发电机作为同步电机运行,变频器向转子提供直流励磁。 由此可知，当发电机的转速n变化时，若控制f2相应变化，可使f1保持 恒定不变,即与电网频率保持一致,也就实现了变速恒频控制。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的,流过转子电路的功 率是由交流励磁发电机的转子运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅 为定子额定功率的一小部分，这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制， 减小变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言 可起到无功

11、补偿的作用。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷。除了风电场、风电机组制造商外，和风电行业相关的还有配套厂家、 风机维护厂家、风能研究机构、协会制造厂等。（三）风电厂系统风电厂设备包括风电机组、辅助设备和其它配套设施。由于风速变化 的随机性，风电机组又常年在野外运行，承受极为复杂恶劣的交变载荷， 目前风电机组的运行寿命按20年设计，要求能经受住60m/s的暴风雨袭击， 代表机组可靠性的可利用率要达到0.95 以上，并能够无人值班运行。而且 由于风的能量密度小，需要庞大的机体,风轮直径和塔架高度早已超过50m。 综上所述，对风力发电机组材质要求高，设计和制造难度较大。风力发电系统主要包括以下三个

12、部分：首先，风力发电机组，包括风 力发电机、机舱、塔架、控制器等。其次，辅助设备，即通用的电力和控 制设备，包括输变电设备及线路，通讯控制系统等。最后，其它配套设施 包括风力发电机组以及辅助设备的基础、厂房、道路等。风力发电机系统和辅助设备的零部件在国内各专门厂家生产，然后通 过铁路和公路运输运送到风电场，并在现场进行总装和吊装，平均运输距 离2400KM。电厂配电设施建设中建筑材料一部分来源于当地，如沙、水泥 等，另一部分来自于国内其它厂家，如钢、铁、铝、玻璃等，平均运输距 离 100KM。三、风力发电产业发展因素近十年来，全球风电产业获得了超常发展，这取决于支撑风电产业的 一个条件和三个驱

13、动因素。一个条件就是全球存在丰富的风力资源，三个 驱动因素分别是全球对环境问题日益重视、国际油价的持续高企和风电技 术日益成熟。（一）风电发展不存在资源瓶颈风能是地球表面大量空气流动所产生的动能，太阳对地球的辐射能约 有2%转变为风能。世界气象组织估计全球的风能约为2.74X 109MW，其中 可利用的风能为2X 107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍， 相当于 10800 亿吨标准煤产生的能量，约是全世界目前能源消费量的100 倍。目前，已经开发的风能仅占全球风能资源微不足道的一小部分。世界 电力需求预计到2020年会上升到每年25.578万亿千瓦时，如果50%的风能 资源被利

14、用，则可满足世界电力需求。就我国而言，风力资源列世界第三 排在俄罗斯和美国之后。根据最新风能资源评估，全国陆地可利用风能资 源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦。（二）环境问题日益严重推动各国政府扶持清洁新能源的发展目前，国际社会日益感觉到环境污染和全球气候变暖问题的严重性， 纷纷采取措施试图遏制环境问题的恶化，措施之一就是扶持清洁新能源的 发展。风电是一种可大规模商业开发的清洁新能源。从国际经验来看，政府 的激励政策在风电产业发展过程中的作用举足轻重。这些政策措施包括各 种形式的补贴、价格优惠、税收减免、贴息或低息贷款等。高强度的激励 机制是克服发展障碍，促进产业发展的关

15、键性措施之一。目前中国的激励本国风电发展的政策措施主要有：风电设备产业化专 项资金补助、国产化率70%的要求、风电全额上网、电价分摊和财税上扶持， 这些措施对激发国内风电投资热情，扶持本土风电机组制造业起到重要作 用。（三）高油价迫使各国寻求可再生的替代能源从 2003 年以来，国际油价持续攀升，至2007 年底已经数次逼近100 美元大关，国际油价持续走高带动天然气、煤炭等化石能源的价格同步走 高。化石能源的价格维持高位使替代的新能源如风能发电、核能发电和太 阳能发电在经济上可行，这些因素导致了全球包括风电的新能源投资热潮（四）风力发电技术日益成熟化石等一次性能源的特点如环境成本增加、不能再生等决定了成本将 不断上涨；而随着技术成熟和规模效应的发挥，风电、核电等新能源发电 的成本将进一步降低。而在众多新能源中，风电是最具商业开发前景的新 能源之一。近些年，随着风电技术的日益成熟，风电装机容量不断增大， 并网性能不断改善，发电效率不断提高，风电设备在全球能源设备中脱颖 而出。随着风电技术的成熟和规模效应的显现风电机组价格不断下降，由此带来 风电成本的持续降低。上世纪80 年代到90 年代初风电成本下降较快；90 年代中期以来，成本下降趋缓，即使这样，风电成本也达到每5 年下降 20%， 照此速度，到2020 年，即使没有补贴，风电的成本将接近常规的能源。