风力发电并网设计概要

第一章 绪论 风能是一种清洁的、 储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物 质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减 少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正 在日趋减少， 况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因 此风力发电正越来越引起人们的关注。[1] 1 风力发电概述 1.1 风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约 53106 亿 kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近 20 年来风电技术有 了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受一些美国 的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到 2～2.5 美分/kWh，此售价使得美 国家庭有 25的电力可以通过购买风电获得。 2004 年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力 12关于 2020 年风 电达到世界电力总量的 12的蓝图的报告， “风力 12”的蓝图展示出风力发电 已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势， 预计 2008～2012 年期间装机容量增长率为 20，以后到 2015 年期间为 15， 2017～2020 年期间为 10。其推算的结果 2010 年风电装机 1.98 亿 KW，风电电 量 0.43104 亿 kWh， 2020 年风电装机 12.45 亿 KW， 风电电量 3.05104 亿 kWh， 占当时世界总电消费量 25.58104 亿 kWh 的 11.9。[2] 世界风电发展有如下特点 （1）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转 换效率的方向发展。风机的单机容量已从 600KW 发展到 2000～5000KW,如德国在 北海和易北河口已批量安装了单机 5000KW 的风机,丹麦已批量建设了单机容量 2000～2200KW 的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材 料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈 电机的采用,使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。 最近,又发展了无齿 风机等,进一步提高了安全性和效率。 （2）风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美 国家，全世界风电机组供应商的前 10 位供应了世界新增装机容量的 90 以上的 份额，集中度比较高。近来，GE 风能（GE Wind Energy） 、德国 REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。 （3）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势， 且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例， 风电机组的造价和发电成本正逐年降 低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力 每增加一倍，成本就下降 15。 中国的风能资源十分丰富。根据全国 900 多个气象站的观测资料进行估计， 中国陆地风能资源总储量约 32.26 亿 KW，其中可开发的风能储量为 2.53 亿 KW， 而海上的风能储量有 7.5 亿 KW，总计为 10 亿 KW。我国的风电开发起步较晚，大 体分为三个阶段。 第一阶段是 1986～1990 年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是 项目规模小，单机容量小，最大单机 200KW，总装机容量 4.2 千 KW。 第二阶段是 1991～1995 年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建 5 个风 电场，安装风机 131 台，装机容量 3.3 万 KW，最大单机 500KW。 第三阶段是 1996 年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较 大， 发展速度较快， 平均年新增装机容量 6.18 万 KW， 最大单机容量达到 1300KW。 随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化 方向发展。 风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展， 成为将来能源供给的支柱产业。 1.2 风能发电的原理和特点 风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。 风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形， 在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮 箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的 变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。[3] 风力发电有如下特点 （1）可再生，且清洁无污染。 （2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 （3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。 风力发电的运行方式主要有两种一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达 的地区， 用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器 供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。 1.3 风力发电机分类及结构 风力机经过多年的发展和演变，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为两类 水平轴风力机和垂直轴风力机。 风力机风轮的旋转转轴与地面呈水平状态称为水 平轴风力机如图1-1；水平轴风力机主要由叶片、轮毂、机舱、塔架构成。常见 的风力机有由三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱 内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑其结构图如图1-2 图 1-1 水平轴风力机 图 1-2 水平轴风力机结构 风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向称为垂直轴风力机如图 1-3 图 1-3 垂直轴风力机 1.4风力机的气动原理 风力发电机组主要利用气动升力的风轮。 气动升力是由飞行器的机翼产生的一种 力，如图 1-4。 图 1-4 气动升力图 从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在 其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。在产生升力的同时 也产生阻力，风速也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动 1.5 风力机的功率 风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率 的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风 速增加一倍，风的功率便会增加 8 倍。 风轮从风中吸收的功率如下 P C p Av321 A R222 式中P 为输出功率， 径，v 为风速。 C p为风轮机的功率系数，ρ 为空气密度，R 为风轮半 众所周知， 如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的 空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于 1 2 风力发电并网相关问题 由于扮能的特殊性 ,与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别, 风能的随机性风能也就是随机的和不可控制的。风力机转动惯量大，风能密 度分布相对比较低 ,为了尽可能捕获较多的风能,风力机转动的叶片直径必 须做的很大 ,显然,巨大的转子叶片的直径 ,必然使得风力机具有较大的转动 惯量。为了有效的转换风能 ,风力机转子由于受到风能转换效率理论极限值 是的限制 ,叶尖速率比入不可能很大 ,风力机的转子转动的速度不会很高,与 发电机转动的速度