風(fēng)力發(fā)電概念及基本特征

第二章風(fēng)力發(fā)電概念及基本特征一、風(fēng)力發(fā)電概念風(fēng)能是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差異在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動，即形成風(fēng)。風(fēng)能資源決定于風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時(shí)數(shù)。風(fēng)能密度是單位迎風(fēng)面積可獲得的風(fēng)的功率，與風(fēng)速的三次方和空氣密度成正比關(guān)系。風(fēng)能資源受地形的影響較大，世界風(fēng)能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶，如美國的加利福尼亞州沿岸和北歐一些國家，中國的東南沿海、內(nèi)蒙古、新疆和甘肅一帶風(fēng)能資源也很豐富。中國東南沿海及附近島嶼的風(fēng)能密度可達(dá)300W/m2以上，3-20米/秒的風(fēng)速年累計(jì)超過6000小時(shí)。內(nèi)陸風(fēng)能資源最好的區(qū)域是沿內(nèi)蒙古至新疆一帶，風(fēng)能密度也在200-300W/m2，3-20米/秒風(fēng)速年累計(jì)5000-6000小時(shí)。風(fēng)力發(fā)電是指利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。在風(fēng)能的各種利用形式中，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。二、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（一）風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是集空氣動力、電機(jī)制造、液壓傳動和計(jì)算機(jī)自動控制為一體的綜合性技術(shù)。大致由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：槳葉、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架控制設(shè)備、電纜、地面支撐設(shè)備、各子系統(tǒng)連接設(shè)備。風(fēng)輪是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，它由氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為2—3個(gè)葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機(jī)。上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)艙由高大的搭架舉起。由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機(jī)艙始終對風(fēng)。其中風(fēng)電機(jī)組的整體設(shè)計(jì)、葉片的材料和加工技術(shù)、自動化控制系統(tǒng)、液壓和傳感技術(shù)是風(fēng)機(jī)制造的關(guān)鍵。風(fēng)機(jī)是基本的風(fēng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備，按主軸裝置形式大致可分兩大類：垂直軸風(fēng)力機(jī)（轉(zhuǎn)軸與來流方向垂直）、水平軸風(fēng)力機(jī)（轉(zhuǎn)軸與來流方向平行）。目前較常用的大型機(jī)組為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要有定槳距失速調(diào)節(jié)型和變槳距調(diào)節(jié)型兩大類。圖表1:風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成圖資料來源：銀聯(lián)信整理（二）風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電系統(tǒng)的最主要的部分。機(jī)組占風(fēng)電場初始投資的比例非常大，一般為60%-70%。這也是國家強(qiáng)調(diào)盡快使得風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化的原因。在控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)方面廣泛用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅可以有效地改善并提高風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平，而且對于增強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備的保護(hù)功能和控制功能也有重大作用。目前，市場份額最大的風(fēng)電機(jī)組主要分兩類，一類是定槳距失速調(diào)節(jié)型，另一類是變槳距調(diào)節(jié)型，上述兩類風(fēng)電機(jī)組都采用異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速基本上是固定的。1．定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定槳距是指葉片被固定安裝在輪轂上，其槳距角（葉片上某一點(diǎn)的弦線與轉(zhuǎn)子平面間的夾角）固定不變，失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性（當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)，氣流的攻角增大到失速條件、使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，以達(dá)到限制轉(zhuǎn)速和輸出功率的目的）。這種技術(shù)是丹麥風(fēng)電制造技術(shù)的核心，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)簡單可靠，控制系統(tǒng)可以大大簡化，其缺點(diǎn)是葉片重量大（與變槳距風(fēng)機(jī)葉片比較），輪轂、塔架等部件受力增大。這種風(fēng)電機(jī)基本上都采用了鼠籠型轉(zhuǎn)子，有一部分機(jī)組為了提高低風(fēng)速時(shí)段的發(fā)電效率，采用了變極技術(shù)。2．變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術(shù)改變其槳距角的大小。其調(diào)節(jié)方法分為三個(gè)階段：第一階段為開機(jī)階段，當(dāng)風(fēng)電機(jī)達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，計(jì)算機(jī)命令調(diào)節(jié)槳距角，直到風(fēng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；第二階段當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持在零位置不變；第三階段當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)即投入運(yùn)行，當(dāng)輸出功率變化時(shí)及時(shí)調(diào)槳距角的大小，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，使發(fā)電機(jī)的輸出功率基本保持不變。變槳距調(diào)節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是：槳葉受力較小，槳葉可以做的比較輕巧。由于槳距角可以隨風(fēng)速的大小而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的捕獲風(fēng)能，多發(fā)電力，又可以在高風(fēng)速時(shí)段保持輸出功率平穩(wěn)，不致引起異步發(fā)電機(jī)的過載，還能在風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)通過順槳（葉片的幾何攻角趨于零升力的狀態(tài)）防止對風(fēng)力機(jī)的損壞，這是MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率相對較高。風(fēng)的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)使風(fēng)電機(jī)的出力變化很大，這樣機(jī)組的動態(tài)負(fù)荷增加，對電網(wǎng)的沖擊增大。為此，可通過增大異步發(fā)電機(jī)允許滑差率的辦法加以解決。鼠籠型異步發(fā)電機(jī)允許的滑差率為s=-l%?-5%。而繞線式異步發(fā)電機(jī)允許的滑差率為S=-1%?T0%,滑差率的增大相當(dāng)于在定、轉(zhuǎn)子間增加了一個(gè)彈性環(huán)節(jié)，對于減少功率波動，提高供電質(zhì)量是非常有利的。以上兩種異步發(fā)電機(jī)，盡管帶一定滑差運(yùn)行，從切入風(fēng)速（3-4m/s）到切出風(fēng)速（25m/s）,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化最大可達(dá)10%，如增速齒輪的變速比為60：1,則實(shí)際運(yùn)行中滑差S是很小的，因而葉片轉(zhuǎn)速變化范圍也是很小的，看上去風(fēng)機(jī)葉片似乎是在“恒速”旋轉(zhuǎn)，故通常又稱這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)為恒速風(fēng)電機(jī)。3．變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)變速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電的過程中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨風(fēng)速而變化，然后通過適當(dāng)?shù)目刂拼胧┦蛊浒l(fā)出的電能變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的電能送入電力系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過旋轉(zhuǎn)葉片及發(fā)電機(jī)把風(fēng)能變?yōu)榻涣麟娔埽ㄆ漕l率隨風(fēng)速而變化），通過整流裝置將交流電變?yōu)橹绷麟?，再通過逆變裝置將直流電變?yōu)楹泐l（工頻）交流電能，最后通過升壓變壓器，送入電力系統(tǒng)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)：（1） 風(fēng)力機(jī)可以最大限度的捕獲風(fēng)能，因而發(fā)電量較恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)大。（2） 較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，以適應(yīng)因風(fēng)速變化引起的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。（3） 采用一定的控制策略可以靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有、無功功率。（4） 可抑制諧波，減少損耗，提高效率。其主要問題是由于增加了交直交變換裝置，大大增加了設(shè)備費(fèi)用。4．交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率f2，可使定子頻率f1恒定，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1時(shí)，即n〈n1，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng)n>n1時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量流向逆向；當(dāng)n=n1時(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。由此可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，若控制f2相應(yīng)變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低這種采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器的容量外，還可實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。缺點(diǎn)是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷。除了風(fēng)電場、風(fēng)電機(jī)組制造商外，和風(fēng)電行業(yè)相關(guān)的還有配套廠家、風(fēng)機(jī)維護(hù)廠家、風(fēng)能研究機(jī)構(gòu)、協(xié)會制造廠等。（三）風(fēng)電廠系統(tǒng)風(fēng)電廠設(shè)備包括風(fēng)電機(jī)組、輔助設(shè)備和其它配套設(shè)施。由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，風(fēng)電機(jī)組又常年在野外運(yùn)行，承受極為復(fù)雜惡劣的交變載荷，目前風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行壽命按20年設(shè)計(jì)，要求能經(jīng)受住60m/s的暴風(fēng)雨襲擊，代表機(jī)組可靠性的可利用率要達(dá)到0.95以上，并能夠無人值班運(yùn)行。而且由于風(fēng)的能量密度小，需要龐大的機(jī)體，風(fēng)輪直徑和塔架高度早已超過50m。綜上所述，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組材質(zhì)要求高，設(shè)計(jì)和制造難度較大。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括以下三個(gè)部分：首先，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、塔架、控制器等。其次，輔助設(shè)備，即通用的電力和控制設(shè)備，包括輸變電設(shè)備及線路，通訊控制系統(tǒng)等。最后，其它配套設(shè)施包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及輔助設(shè)備的基礎(chǔ)、廠房、道路等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和輔助設(shè)備的零部件在國內(nèi)各專門廠家生產(chǎn)，然后通過鐵路和公路運(yùn)輸運(yùn)送到風(fēng)電場，并在現(xiàn)場進(jìn)行總裝和吊裝，平均運(yùn)輸距離2400KM。電廠配電設(shè)施建設(shè)中建筑材料一部分來源于當(dāng)?shù)?，如沙、水泥等，另一部分來自于國?nèi)其它廠家，如鋼、鐵、鋁、玻璃等，平均運(yùn)輸距離100KM。三、風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素近十年來，全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)獲得了超常發(fā)展，這取決于支撐風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)條件和三個(gè)驅(qū)動因素。一個(gè)條件就是全球存在豐富的風(fēng)力資源，三個(gè)驅(qū)動因素分別是全球?qū)Νh(huán)境問題日益重視、國際油價(jià)的持續(xù)高企和風(fēng)電技術(shù)日益成熟。（一）風(fēng)電發(fā)展不存在資源瓶頸風(fēng)能是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能，太陽對地球的輻射能約有2%轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能。世界氣象組織估計(jì)全球的風(fēng)能約為2.74X109MW，其中可利用的風(fēng)能為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍,相當(dāng)于10800億噸標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的能量，約是全世界目前能源消費(fèi)量的100倍。目前，已經(jīng)開發(fā)的風(fēng)能僅占全球風(fēng)能資源微不足道的一小部分。世界電力需求預(yù)計(jì)到2020年會上升到每年25.578萬億千瓦時(shí)，如果50%的風(fēng)能資源被利用，則可滿足世界電力需求。就我國而言，風(fēng)力資源列世界第三排在俄羅斯和美國之后。根據(jù)最新風(fēng)能資源評估，全國陸地可利用風(fēng)能資源3億千瓦，加上近岸海域可利用風(fēng)能資源，共計(jì)約10億千瓦。（二） 環(huán)境問題日益嚴(yán)重推動各國政府扶持清潔新能源的發(fā)展目前，國際社會日益感覺到環(huán)境污染和全球氣候變暖問題的嚴(yán)重性，紛紛采取措施試圖遏制環(huán)境問題的惡化，措施之一就是扶持清潔新能源的發(fā)展。風(fēng)電是一種可大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的清潔新能源。從國際經(jīng)驗(yàn)來看，政府的激勵(lì)政策在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的作用舉足輕重。這些政策措施包括各種形式的補(bǔ)貼、價(jià)格優(yōu)惠、稅收減免、貼息或低息貸款等。高強(qiáng)度的激勵(lì)機(jī)制是克服發(fā)展障礙，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性措施之一。目前中國的激勵(lì)本國風(fēng)電發(fā)展的政策措施主要有：風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金補(bǔ)助、國產(chǎn)化率70%的要求、風(fēng)電全額上網(wǎng)、電價(jià)分?jǐn)偤拓?cái)稅上扶持這些措施對激發(fā)國內(nèi)風(fēng)電投資熱情，扶持本土風(fēng)電機(jī)組制造業(yè)起到重要作用。（三） 高油價(jià)迫使各國尋求可再生的替代能源從2003年以來，國際油價(jià)持續(xù)攀升，至2007年底已經(jīng)數(shù)次逼近100美元大關(guān)，國際油價(jià)持續(xù)走高帶動天然氣、煤炭等化石能源的價(jià)格同步走高。化石能源的價(jià)格維持高位使替代的新能源如風(fēng)能發(fā)電、核能發(fā)電和太陽能發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上可行，這些因素導(dǎo)致了全球包括風(fēng)電的新能源投資熱潮（四）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益成熟化石等一次性能源的特點(diǎn)如環(huán)境成本增加、不能再生等決定了成本將不斷上漲；而隨著技術(shù)成熟和規(guī)模效應(yīng)的發(fā)揮，風(fēng)電、核電等新能源發(fā)電的成本將進(jìn)一