新能源 風利發(fā)電

網(wǎng)絡教育學院課 程 設 計 題 目： 學習中心： 層 次： 專升本 專 業(yè)： 電氣工程及自動化 年 級： 2012 年 春 季 學 號： 學 生： 輔導教師： 完成日期： 序言能源、環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，對可再生能源的開發(fā)利用，特別是對風能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。風電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展風電這一清潔能源已成為世界各國的戰(zhàn)略選擇。我國風能儲量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。近年來我國風電產(chǎn)業(yè)及技術水平發(fā)展迅猛，但同時也暴露出一些問題?？偨Y(jié)我國風電現(xiàn)狀及其技術發(fā)展，對進一步推動風電產(chǎn)業(yè)及技術的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的參考價值。第一章 風力發(fā)電發(fā)展的現(xiàn)狀2005年2月，我國國家立法機關通過了可再生能源法，明確指出風能、太陽能、水能、生物質(zhì)能及海洋能等為可再生能源，確立了可再生能源開發(fā)利用在能源發(fā)展中的優(yōu)先地位。2009年12月，我國政府向世界承諾到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%45%，把應對氣和變化納入經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃，大力發(fā)展包括風電在內(nèi)的可再生能源與核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右。隨著新能源產(chǎn)業(yè)成為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的出臺，風電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，有望成為我國國民經(jīng)濟增長的一個新亮點。我國自上世紀80年代中期引進55kW容量等級的風電機投入商業(yè)化運行開始，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，我國的風電市場已經(jīng)獲得了長足的發(fā)展。到2009年底，我國風電總裝機容量達到2601萬kW，位居世界第二，2009年新增裝機容量1300萬kW，占世界新增裝機容量的36%，居世界首位1,2?？梢钥闯觯覈L電產(chǎn)業(yè)正步入一個跨越式發(fā)展的階段，預計2010年我國累計裝機容量有望突破4000萬kW。第二章 比較各種風力發(fā)電機的優(yōu)缺點一、 當前風力發(fā)電機有兩種形式：1 水平軸風力發(fā)電機（大、中、小型） 水平軸風力發(fā)電機技術發(fā)展的比較快，在世界各地人們已經(jīng)很早就認識了，大型的水平軸風力發(fā)電機已經(jīng)可以做到3-5兆瓦，一般由國有大型企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，應用技術也趨于成熟。小型的水平軸風力發(fā)電機一般是一些小型民營企業(yè)生產(chǎn)，對研發(fā)生產(chǎn)的技術要求比較低，其技術水平也是參差不齊。小型水平軸風力發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速一般在500-800r/min，轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的噪音大，啟動風速一般在3-5m/s，由于轉(zhuǎn)速高，噪音大，故障頻繁，容易發(fā)生危險，不適宜在有人居住或經(jīng)過的地方安裝。2 垂直軸風力發(fā)電機（大、中、小型） 垂直軸風力發(fā)電機技術發(fā)展的較慢一些，因為垂直軸風力發(fā)電機對研發(fā)生產(chǎn)的技術要求比較高，尤其是對葉片和發(fā)電機的要求。近幾年垂直軸風力發(fā)電機的技術發(fā)展很快，尤其小型的垂直軸風力發(fā)電機已經(jīng)很成熟。小型的垂直軸風力發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速一般在60-200r/min，轉(zhuǎn)速低，產(chǎn)生的噪音很?。梢院雎圆挥嫞瑔语L速一般在1.6-4m/s。二、 參數(shù)對比：序號 性能 水平軸風力發(fā)電機 垂直軸風力發(fā)電機 1 發(fā)電效率 50-60% 70%以上 2 電磁干擾（碳刷） 有 無 3 對風轉(zhuǎn)向機構(gòu) 有 無 4 變速齒輪箱 10KW以上有 無 5 葉片旋轉(zhuǎn)空間 較大 較小 6 抗風能力 弱 強（可抗12-14級臺風） 7 噪音 5-60分貝 0-10分貝 8 啟動風速 高（2.5-5m/s） 低(1.5-3m/s) 9 地面投影對人影響 眩暈 無影響 10 故障率 高 低. 11 維修保養(yǎng) 復雜 簡單 12 轉(zhuǎn)速 高 低 13 對鳥類影響 大 小 14 電纜絞線問題 有 無 （或碳刷損壞問題） 15 發(fā)電曲線 凹陷 飽滿 第三章 介紹相關風力發(fā)電控制技術一、 現(xiàn)有風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各自特點小型發(fā)電直流混合系統(tǒng)小型發(fā)電交流混合系統(tǒng)A型：恒 速B型：有 限變速C型：變速含部分功率變頻器發(fā)電機類型優(yōu)點缺點雙繞組雙速異步發(fā)電機相對于單繞組單速型風力機，風能利用效率增高，適應風速變化范圍大，可靠性高造價成本高，具有齒輪箱，機械承受應力大，噪聲大，易出故障可變轉(zhuǎn)子電阻繞線式感應發(fā)電機相比恒速風力機風能利用率高，變槳距動作頻率減小，可靠性增高控制系統(tǒng)負載，機械承受應力較大，有齒輪箱，噪聲大雙饋式異步發(fā)電機機械承受應力小，獨立控制轉(zhuǎn)子勵磁電流解耦有功功率和無功功率，可以產(chǎn)生無功提供給定子電氣損耗大，有齒輪箱，價格昂貴，發(fā)電機要使用滑環(huán)，可靠性降低。在弱電網(wǎng)情況下，電壓會波動。繞線式同步發(fā)電機機械承受應力小，噪聲小，氣動效率高，不需要無功功率補償系統(tǒng)，頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高。電器損耗和變頻器容量大，成本較高。永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子不需要提供勵磁，效率比感應式電機高，無齒輪箱，噪聲及機械應力小，控制靈活電器損耗大，變頻器容量大，發(fā)電機體積大，勵磁不能調(diào)節(jié)，價格昂貴。二、 永磁同步發(fā)電機控制1. 工作原理： 風力機把捕獲的流動空氣的動能轉(zhuǎn)換為機械能。 直驅(qū)系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機把風力機傳遞的機械能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓隨風速變化而變化的不控電能。 變流器把不控的電能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓與電網(wǎng)同步的可控電能并饋入電網(wǎng)。2 控制模式： 監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行參數(shù)，對機組運行進行控制。 根據(jù)風速與風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。 控制基本目標：保證風力發(fā)電機組安全可靠運行; 獲取最大能量; 提供良好的電力質(zhì)量。三、 風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術1 風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術及對電力系統(tǒng)的影響 風力發(fā)電機并網(wǎng)的條件: 發(fā)電機輸出的電壓和電網(wǎng)電壓在幅值、頻率、相位上完全相同 并網(wǎng)時可能遇到的問題: 引起系統(tǒng)電壓下降，對電機和機械部件造成損壞；造成系統(tǒng)瓦解，威脅其它掛網(wǎng)機組的正常運行。2 同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術 同步發(fā)電機的優(yōu)點:既能提供有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定、電能質(zhì)量高。 在風力發(fā)電系統(tǒng)中的缺點： 并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難要求的精度；無功振蕩與失步問題，在重下尤為嚴重。 解決方法：在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用變頻裝置。3 異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術 異步風力發(fā)電機優(yōu)點: 對機組的調(diào)速精度要求不高；控制裝置簡單；不會產(chǎn)生振蕩和失步，運行穩(wěn)定。 并網(wǎng)時存在的問題：直接并網(wǎng)會產(chǎn)生沖擊電流會造成電壓大幅度下降；需要無功補償；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于下降，電流劇增而過載。第四章 對風力發(fā)電技術發(fā)展趨勢的展望一、 風力發(fā)電的技術發(fā)展風力發(fā)電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學、力學、材料學等多學科的綜合性高技術系統(tǒng)工程。目前在風能發(fā)電領域，研究難點和熱點主要集中在風電機組大型化、風力發(fā)電機組的先進控制策略和優(yōu)化技術等方面。1 風力發(fā)電機組機型及容量的發(fā)展現(xiàn)代風力發(fā)電技術面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢主要在于如何進一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作為提高風能利用率和發(fā)電效率的有效途徑，風力發(fā)電機單機容量不斷向大型化發(fā)展。從20世紀80年代中期的55kW容量等級的風電機組投入商業(yè)化運行開始，至1990年達到250kW，1997年突破1MW，1999年即達到2MW。進入21世紀，兆瓦級風力機逐漸成為國際風電市場上的主流產(chǎn)品。2004年德國Repower即研制出第一臺5MW風電機，Enercon開發(fā)出第二代直驅(qū)式6WM風電機，預計2013年單機容量將突破15MW1,3。從世界范圍來看，1.5MW-2MW的機型占世界機組容量的比例，已從2007年的63.7%飛速上升到80.4%；而在我國，2005年風電場新安裝的兆瓦級風電機組占當年新裝機容量的21.5%，而2009年比例已經(jīng)上升到86.86%4。這表明容量風電機組已經(jīng)成為我國風電市場上的主流產(chǎn)品。2 風力發(fā)電機組控制技術的發(fā)展控制技術是風力發(fā)電機組安全高效運行的關鍵技術，這是因為： 自然風速的大小和方向隨著大氣的氣壓、氣溫和濕度等的活動和風電場地形地貌等因素的隨機性和不可控性，這樣風力機所獲得的風能也是隨機和不可控的。 為使風能利用率更高，大型風力發(fā)電機組的葉片直徑大約在60m100m之間，因此風輪具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。 自動控制在風力發(fā)電機組的并網(wǎng)和脫網(wǎng)、輸入功率的優(yōu)化和限制、風輪的主動對風以及運行過程中故障的檢測和保護中都應得到很好的利用。 風力資源豐富的地區(qū)通常環(huán)境較為惡劣，在海島和邊遠的地區(qū)甚至海上，人們希望分散不均的風力發(fā)電機組能夠無人值班運行和遠程監(jiān)控。這就對風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)可靠性提出了很高的要求。3 風力發(fā)電機組控制策略的發(fā)展風能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源，由于風速、風向的隨機性變化，導致風力機葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風力機的空氣動力效率及輸入到傳動鏈的功率發(fā)生變化，影響了風電系統(tǒng)的發(fā)電效率并引起轉(zhuǎn)矩傳動鏈的振蕩，會對電能質(zhì)量及接入的電網(wǎng)產(chǎn)生影響，對于小電網(wǎng)甚至會影響其穩(wěn)定性。風力發(fā)電機組通常采用柔性部件，這有助于減小內(nèi)部的機械應力，但同時也會使風電系統(tǒng)的動態(tài)特性復雜化，且轉(zhuǎn)矩傳動模塊會有很大振蕩。目前，對風力發(fā)電機的控制策略研究根據(jù)控制器類型可分為兩大類：基于數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制方法和現(xiàn)代控制方法。傳統(tǒng)控制采用線性控制方法，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角，使葉尖速比保持最優(yōu)值，從而實現(xiàn)風能的最大捕獲。對于快速變化的風速，其調(diào)節(jié)相對滯后。同時基于某工作點的線性化模型的方法，對于工作范圍較寬、隨機擾動大、不確定因素多、非線性嚴重的風電系統(tǒng)并不適用。二、 存在的問題及展望盡管近年來我國風電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但同時也暴露出眾多的問題。首先，我國尚未完全掌握風電機組的核心設計及制造技術。在設計技術方面，我國不僅每年需支付大量的專利、生產(chǎn)許可及技術咨詢費用，在一些具有自主研發(fā)能力的風電企業(yè)中，其設計所需的應用軟件、數(shù)據(jù)庫和源代碼都需要從國外購買。在風機制造方面，風機控制系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)需要大量進口，同時，一些核心零部件如軸承、葉片和齒輪箱等與國外同類產(chǎn)品相比其質(zhì)量、壽命及可靠性尚有很大差距。其次，我國風電發(fā)展規(guī)劃與電網(wǎng)規(guī)劃不相協(xié)調(diào)，上網(wǎng)容量遠小于裝機容量。風電發(fā)展側(cè)重于資源規(guī)劃，風電場的建設往往沒有考慮當?shù)仉娋W(wǎng)的消納能力，從而造成裝機容量大，并網(wǎng)發(fā)電少的現(xiàn)狀。2009年新增裝機容量中1/3未能上網(wǎng)，送電難已經(jīng)成為制約風電發(fā)展的瓶頸。最后，我國風電的技術標準和規(guī)范不健全，包括風機制造、檢測、調(diào)試、關鍵零部件生產(chǎn)及電場入網(wǎng)等相關標準亟需建立和完善。因此，展望我國未來的風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須加強自主創(chuàng)新掌握核心技術；必須加大電網(wǎng)建設力度，合理規(guī)范風電開發(fā)；必須加大政策扶持力度，建立健全完善統(tǒng)一的風電標準規(guī)范體系。