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 53×106 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 0.43×104 亿 kWh， 2020 年风电装机 12.45 亿 KW， 风电电量 3.05×104 亿 kWh， 占当时世界总电消费量 25.58×104 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v3(2—1) A R2(2—2) 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