1、风 力 发 电 概 况 论 文2目 录引言 .31 风力发电技术的发展历史 .32 风特性 .42.1 风形成的原因 .42.2 近地面风特性 .52.3 脉动风特性 .53 风力发电机组类型、结构组成、工作原理 .63.1 恒速风力发电机 .63.2 有限变速风力发电机 .73.3 变速风力发电机 .73.3.1 有刷双馈异步发电机 .73.3.2 电励磁同步发电机 .83.3.3 永磁同步发电机 .94 风力发电场及投资 .104.1 风电场宏观选址程序 .104.2、风力发电机选址的原则 .104.2.1、选择风能质量好的地区 .114.2.2、要有稳定的盛行风向 .114.2.3、风速
2、日变化和季节变化小 .114.2.4 风力发电机高度范围内风垂直切变要小 .114.2.5、湍流强度要小 .114.3 风能资源的评估 .124.4 风力发电投资 .124.4.1 政策因素对风电电价的影响 .135 风力发电技术的发展趋势 .136 结语 .153引 言风能是取之不尽、用之不竭、洁净无污染的可再生能源。可再生能源包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等。风力发电是可再生能源领域中除水能外技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。近年来越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球可用来发电的风能资源有 100 亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大
3、 10 倍。发展风力发电对于调整能源结构、减轻环境污染、解决能源危机等方面有着非常重要的意义。1 风力发电技术的发展历史风力机最早出现在三千年前,当时主要用于碾米和提水。1887-1888 年冬，美国人 Brush 安装了一台被现代人认为是第一台自动运行的且用于发电的风力机。它是个宠然大物叶轮直径是 17 米，有 144 个由雪松木制成的叶片。风力机运行了约 20 年，用来给他家地窑里的蓄电池充电。这台发电机仅为 12 千瓦。这是因为低转速风机效率不可能太高。丹麦人 Poul la Cour 随后发现了快速转动、叶片数少的风力机，在发电时比低转速的风力机效率高得多。在二次世界大战期间，丹麦工程
4、公司 F.L.Smidth（现在是水泥机械制造商）安装了一批两叶片和三叶片的风机。丹麦风机制造商已经生产出了两叶片的风机，尽管所谓的“丹麦概念”是三叶片的风机。所有这些风机（与它们的前辈一样）发的是直流电。这些三叶片 F.L.Smidth 风机于 1942 年安装在 Bobo 岛，它们看起来很象“丹麦”风机。这些风机是风-柴系统中的一部分，给小岛供电。1951 年，这些直流发电机被 35kW 的交流异步发电机取代，如此一来，第二台生产交流电的风机问世了。1950 年，Johannes Juul 在丹麦的 Vester Egesborg 成为了世界上开发第一台交流风力发电机的先驱。创新的 200
5、KW Gedser 风力发电机在 1956-57 年由 Johannes Juul 为 SEAS 电力公司建成，风机安装在丹麦南部的 Gedser 海岸。三叶片，上风向，带有电动机械偏航和异步发电机的风力发电机是现代风力发电机的设计先驱。这台风力机是失速调节型风力机，Johannes Juul 发明了紧4急气动叶尖刹车，在风机过速时通过离心力的作用释放。基本上，现代失速型风力发电机上使用着相同的系统。这台风力发电机，在随后的很多年中一直是世界上最大的。它在无需维护的情况下，运行了 11 年。风力机的机舱和叶轮现在在丹麦电力博物馆中展出。1980-1981 年开发的 55KW 风力发电机的出现是
6、现代风力发电机工业和技术上的一个突破。随着这种风力发电机的诞生，风力发电每度电的成本下降了约50%。风能工业变得越来越专业了，此外相应的由 RISO 国家实验室开发的欧洲风图谱对降低度电成本也是非常重要的。这张照片展示的是 Nortank55kW 风力发电机组独特的选址思维方式，这些风机安装在丹麦一个港口码头。 在八十年代初，数千台风力发电机被运送到美国加利福尼亚。Micon 55kW 风力发电机也是其中之一，它被运到加州 Palm Springs 的一个拥有一千多台风力机的大型风电场。早 5 年开始制造风力机的丹麦制造商比其它国家的公司销售业绩更佳。在加利福尼亚有将近一半的风机来自丹麦。大约
7、在 1985 年，在加利福尼亚支持计划终结的前一夜，美国的风能市场消失了。尽管看起来市场已经堀起，但从那时起只有很少量的装机投运。现在德国已成为世界上最大的风电市场，而且德国的装机也是世界上最大的。1980 年以来，风力发电进入了另一个大发展的时期，在世界各国都进入了实际应用阶段。截止到 2008 年 12 月底，全球总装机容量已经超过了 121GW。总装机量前五的国家分别是美国 (25.17GW)，德国 (23.90GW)，西班(16.75GW)，中国 (12.21GW)和印度 (6.45GW)。欧洲一些国家的风力发电装机容量已经占据了相当的比例，例如德国、西班牙、丹麦、荷兰等国已经具有了长
8、期运行50kW、100kW、 200kW、500kW、1.5MW 乃至 4MW 风力发电机的成功经验。随着风电装机量的增大，其配套设施，发电质量要求，控制系统和成本的要求都进一步提高，也促成了新一轮的风电技术发展高潮。2 风特性2.1 风形成的原因风是空气相对与地球表面的运动， 主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气做水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹， 即垂直与等压线5从高压向低压吹。另外，地球在不停的自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转， 南半球向左偏转，所以地球大气运动
9、除受气压梯度力外，还要受地转偏向力（科里奥利力）的影响。具体到某一特定地区， 自然风的形成还要受气象条件如季节、洋流，地表特征如海拔、地形和地面粗糙度等多种因素的影响。2.2 近地面风特性风电场内的风特性指的是近地面大气边界层最底层100m 以下气流的流动情况。用风速的大小、方向和湍流强度等反映风特性的特征量描述。一般可分为平均风特性和脉动风特性来进行研究。平均风特性平均风特性包括：平均风速、平均风向、风速廓线和风频曲线等。一般来说，这类数据由常年的气象数据记录得出。2.2.1 平均风向。风向指风的方向， 一般用16个方位来表示。根据气象台站提供的记录数据，按月，季节、年来统计风向变化的平均值
10、，来判断某一地区的风向变化情况， 下面以我国某一沿海城市的测风数据为例绘制出风向玫瑰图加以说明。其中，各方位辐射线的长度代表风向频度， 即不同方位上记录的次数占全月总记录次数的百分比。从图中不难看出：此地秋冬季节盛行东北风，而春节有两个主风向：东北和东南。夏季风向变化较大主要是西南和东南方向范围内变化。2.2.2 平均风速。风速是指单位时间内空气在水平方向上移动的距离， 平均风速是指在某时距内，空间某点上各瞬时风速的平均值。其值的大小与时距的选取有很大的关系。由范德豪芬的实验可知，周期在10min 到1h 范围内功率频谱曲线比较平坦， 平均风速时距取在此范围内可忽略湍流引起的天气变化， 我国规
11、范规定的时距为10min。平均风速随时间和空间变化，但具有一定的统计规律，如日、月、季节变化规律。平均风速的日变化规律最为显著。除去天气变化因素的影响， 秋季最大风速出现在上午10 点到12 点之间， 冬季最大风速大多数出现在午后。两者最小风速出现在下午18 点到20 点之间。产生这种变化的原因是由于太阳辐射的日变化而导致的地面热力不均造成的。不同地区，不同季节因太阳辐射条件不同会有所不同。2.3 脉动风特性6脉动风具有随机性, 随时间和空间随机地变化。包括：脉动风速、脉动系数、风向变化、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风功率谱和空间相关系数等。2.3.1 脉动风速。脉动风速指的是某时刻t，空间某
12、点上的瞬时风速与平均风速的差值。其表达式为V(t)=V(t)-V (1)脉动风速的变化情况可由气象台站的统计数据得出。2.3.2 湍流强度。湍流强度反应的是风速随时间和空间的变化程度，反应脉动风的相对强度，脉动风速受地表特征和温度层结构及地表粗糙度和高度的影响强烈。3 风力发电机组类型、结构组成、工作原理根据风力发电机的运行特征，风力发电机可分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机和变速风力发电机。3.1 恒速风力发电机恒速风力发电机系统如图1所示，采用了笼型异步发电机，发电机通过变压器直接接入电网。因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，所以通常称之为恒速风力发电机。并网运行时，
13、异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场，这恶化了电网的功率因数，易使电网无功容量不足，影响电压的稳定性。为此，一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高，比较适合风力发电这种特殊场合，在风力发电发展的初期，笼型异步发电机得到了广泛的应用，有效地促进了风电产业的兴起。随着风力发电应用的深入，恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步图 1 笼型恒速发电机系统7显现出来，主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上l一5内运行，输人的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限，将进入不稳定运行区。因此，在多数场合需将
14、2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合用，以充分利用中低风速的风能资源。另外，风速的波动使风力机的气动转矩随之波动，因为发电机转速不变，风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力。而且，由于风力机的速度不能调节，不能从空气中捕获最大风能，效率较低。齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性，影响了系统效率，增加了噪声。3.2 有限变速风力发电机有限变速风力发电机系统如图2所示，发电机采用绕线式异步发电机。绕线式异步发电机转子外接可变电阻，其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率，使发电机的转差率可增大至10，实现有限变速运行，提高输出功率
15、。同时，采用变桨距调节及转子电流控制，以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。然而，由于外接电阻消耗了大量能量，电机效率降低了。有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。3.3 变速风力发电机3.3.1有刷双馈异步发电机由双馈异步发电机(Doubly fed induction generator，DFIG)构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，如图3所示。流过转子回路的功率是双馈发电机的转速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。一般来说，转差率为同步速附近30左右，因此，与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30左右，这大大
16、降低了变换器的体积和重量。采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，图 2 绕线式有限变速发电机系统8使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之问的刚性连接为柔性连接。相对于绕线式发电机，双馈发电机的转子能量没有被消耗掉，而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通。变换器可以提供无功补偿，平滑并网电流正是DFIG具有上述优点，目前大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式，例如Vestas，Gamesa，GE，Nordex等公司都有此类产品。但其控制系统也相对复杂，尤其是双向变换器的DFIG励磁
17、控制技术和双向并网发电控制技术，对于DFIG系统而言，是至关重要的难点之一。双馈发电机系统具有的缺点：存在多级齿轮箱及滑环、电刷，不可避免地带来摩擦损耗，增大了维护量及噪声等；在电网故障瞬间，骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施，增大了软硬件投入，而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷。3.3.2电励磁同步发电机电励磁同步发电机(Electrically excited synchroBOLLS generator，EESG)变速恒频直驱风力发电系统如图4所示，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流，发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电，经整流逆变后变成恒压恒频的电能输
18、入电网。通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要。在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。图 3 馈式变速恒频风力发电机系统9采取直驱方式，发电机运行在低速状态，其电磁转矩相对较大，同时发电机极对数较多，意味着发电机的体积也较大。但由于省去了齿轮箱，系统的效率和可靠性都得到了提高。变换器为全功率变换器，在整个调速范围能使并网电流平滑，具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。该系统主要缺点是系统成本较高，功率变换器损耗较大。3.3.3 永磁同步发电机永磁同步发电机(Permanent magnet synchron
19、ous generator，PMSG)变速恒频直驱风力发电系统结构如图 5 所示，它采用的电机是永磁发电机，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点。在定子侧采用全功率变换器，实现变速恒频控制。系统省去了齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本。所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大，成本较高，但其运行维护成本却得到了降低。采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点，因此具有越来越大的吸引力。目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统，如Enercon，W
20、inWind 等公司。该系统的主要缺点是永磁材料价格较高，且在高温下易被去磁，功率变换器容量与发电机容量相同，变换器成本较高。随着风机单机容量的增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于图 4 电励磁同步发电机直驱风力发电系统图 5 磁同步发电机直驱风力发电系统10是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生。但是，低速多极发电机重量和体积均大幅增加。为此，采用折中理念的半直驱布局在大型风力发电系统中得到了应用，如图6所示。与直驱永磁同步发电系统不同是，半直驱永磁同步风力发电系统在风力机和PMSG之间增加了单级齿轮箱，综合了DFIG和直驱PMSG系统的优点。与DGI
21、G系统相比，减小了机械损耗；与直驱PMSG系统相比，提高了发电机转速，减小了电机体积。采用全功率变换器，平滑了并网电流，电网故障穿越能力得到提高。4 风力发电场及投资在进行风力发电机安装场地选址时，首先应该考虑当地的能源市场的供求情况、负载的性质和每昼夜负载的动态变化；在此基础上，再根据风能资源的情况选择有利的场地，以获得尽可能多的发电量。另外，也应考虑风力发电机安装和运输方面的情况，以尽可能降低风力发电成本。因此，如何选择有利的气象条件，对获得风力发电机组最佳气动性能和最好的经济效益有着重要意义。4.1风电场宏观选址程序第一阶段：参照国家风能资源分布区划，首先在风能资源丰富地区内候选风能资源区，每一个候选区应具备以下特点：有丰富的风能资源，在经济上有开发利用的可行性；有足够面积，可以安装一定规模的风力发电机组；具备良好的地形、地貌，风况品位高。第二阶段：将候选风能资源区再进行筛选，以确认其中有开发前景的场址。在这个阶段，非气象学因素，比如交通、通讯、联网、土地投资等因素对该场址的取舍起着关键作用。第三阶段：对准备开发建设的场址进行具体分析，做好以下工作：一是进行现场测风，取得足够的精确数据。二是确保风能资源特性与待选风力发电机图 6 级齿轮箱驱动永磁同步发电系统
