1、风力发电概况论文风 力 发 电 概 况 论 文引 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
2、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。“丹麦概念”“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
3、先驱。创新的200KW 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现代风力发电
4、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。大约在1985年，在加利福尼亚支持
5、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期运行50kW、100kW、 200kW、5
6、00kW、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，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力（科里奥利力）的影
7、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，来判断某一地区的风向变化情况， 下面以我国某一
8、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， 我国规范规定的时距为10min。平均风速随时间和空间变
9、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着。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 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，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值。其表达式为 V(
10、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，异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋
11、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。图1 笼型恒速发电机系统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2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合用，以充分
12、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。同时，采用变桨距调节及转子电流控制，以提高动态性
13、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。图2 绕线式有限变速发电机系统3.3 变速风力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，这大大降低了变换器的体积和重量。采用双馈发电方式，突破
14、了机电系统必须严格同步运行的传统观念，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。图3 馈式变速恒频风力发电机系统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励磁控制技术和双向并网发电控制技术，对于DFIG系统而
15、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。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
16、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4 电励磁同步发电机直驱风力发电系统采取直驱方式，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。永磁同步发电机(Permanent magnet synchronous 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
17、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，WinWind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
18、同，变换器成本较高。图5 磁同步发电机直驱风力发电系统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。图6 级齿轮箱驱动永磁同步发电系统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DGIG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
19、，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
20、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组设计的运行特性相匹配。三是进行场址的初步工程设计，确定开发建设费用。四是确定风力发电机组输出对电网系统的影响。五是评价场址建设、运行的经济效益。六是对社会效益的评价。4.2 风力发电机选址的原则在风能潜力普查的基础上，风力开发尽可能选取在风能资源丰富的地区。根据风能资源普
21、查的原则，首先进行宏观的、全国范围的风能资源普查，调查站点的网格尺度约为100km。这样我们可以首先做一风能资源的大体分布图，从风能区划图上再确定重点风能开发区。风电场应该选择风能丰富的开阔地、草原、山口、河谷等风速大而少障碍的地方，尽量躲开高山、森林、建筑物等对风形成紊流区的地方，最大限度的利用好风能。风能质量好的地区一般是指：年平均风速达6m/s以上，年平均有效风能功率密度大于300w/m2，风频分布好，可利用小时数高，比如风速为325m/s的、小时数在5000h以上的地区。避开灾害性地区。灾害性天气包括风暴（如台风、龙卷风等）、雷电、电线结冰、沙尘暴、大雪、盐雾等。但有时在选址时不可避免
22、要将风力发电机安装在上述地区，这时在设计与使用时必须考虑对风力发电机进行相应的保护。对于风力发电机的安装地点，除了要求风能资源好以外，还要有比较稳定的风向。所谓盛行风向就是出现频率最多的风向，这个我们可以通过风向玫瑰图来了解。有了稳定的盛行风向，在选址时就比较容易考虑地形的影响和确定风力发电机的布局。（1）风速日变化。低层风速的日变化可以分为大陆型和海上型两类。（2）风速季节变化。一年中各季各月风速大小不同。一般春冬风大，夏秋风小。风速的年变化曲线与年负载曲线变化趋势一致时，风况最为理想。4.2.4 风力发电机高度范围内风垂直切变要小 引起风的垂直切变的原因有热力因素也有动力因素。地面不同的粗
23、糙度会引起不同的风速廓线，这样就存在着相当大的垂直切变风速剖面，这种切变对于风力发电机的工作极为不利。因此，应尽量选择下垫面相一致的地点，使风的垂直切变尽可能小。4.2.5 湍流强度要小无规则的湍流给风力发电机带来难以预计的危害，一方面减小可利用的风能，另一方面也使风力发电机产生振动和受载不均匀，缩短风力发电机的寿命，严重时使叶片发生不应有的损坏。因此，在选址时应尽量避开粗糙的地表面或障碍物。可能的话使得风轮比附近的障碍物高出67m,离开障碍物的距离也应该是障碍物高度的510倍。4.3 风能资源的评估资源评估包括收集数据和分析数据。资源的评估要考虑到资源的质量和它的季节性以及每日的波动。如果没
24、有现成的数据则至少要在现场监测一到两年的数据，从而了解当地资源的大概情况。风能资源的评估方法可分为统计分析方法和数值模拟方法。我国目前主要采用基于气象站历史观测资料的统计分析方法和数值模拟方法对风能资源进行评估。在一个给定的地区内调查风能资源可划分为三种基本的风能资源评估的规模或阶段：（1）区域的初步识别这个过程是从一个相对大的区域中筛选合适的风能资源区域，筛选时基于气象站测风资料、地貌、被风吹得倾向一侧的树木和其他标志物等。在这个阶段可以选择合适的测风位置。（2）区域风能资源估算这个阶段要采用测风计划以表征一个指定区域或一组区域的风能资源，这些区域已经考虑要发展风电。在这个规模上测风最基本的
25、目标是：确定和验证该区域是否存在充足的风能资源，以支持进一步的具体场址调查；比较各区域以辨别相对发展潜力；获得代表性资料来估计选择的风电机组的性能及经济性；筛选潜在的风电机组安装场址。（3）微观选址 风能资源评估的第三步是微观选址。它用来为一台或更多风力发电机组定位，以使风电场的全部电力输出最大，风力发电机组排布最佳。选址一般分“初步布局设计”和“具体安装地址选择”两步进行。4.4 风力发电投资从统计数据看，全国风电上网电价比常规水电和火电厂高出许多，风电利用小时数约在2000至3000小时左右，风电单位千瓦平均造价已从10000元降到8000元左右，设备占75%左右，基础设施占20%，其他占
26、5%。风电成本约0.45-0.6元/千瓦时，另外风电场运行成本费用很低，一旦建成风电场就是一源源不断的造钱机器。规定风力发电企业的增值税征收减半。原电力部 1994 年就颁布了风力发电场并网管理的规定， 要求电网收购风电场的全部电量国家计委和科技部也在 1999 年联合发出通知要求“在电网容量许可的条件下电力部门必须全额收购风力发电” 但在实际执行过程中这些政策没有很好地贯彻由于国家没有对风电上网规定具体的管理措施对差价分摊绿色电价和税收补贴等敏感问题没有具体规定所以风电的高价只能在电力系统内部如风电场所在的地区电网消化而2003年开始实行的政府特许经营将使此状况得到一些改进2003年5月经国
27、务院批准财政部和国家税务总局联合下发文件规定对风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策2003年底国家发改委出台了关于风电特许权项目前期工作管理办法对风电项目所涉及的技术融资政策等都作了详尽的规定风电特许权使风电开发和利用由政府行为变成商业行为风电特许权在我国可再生能源开发历程中将是一个全新的尝试希望可以推动我国的风电事业向前迈进。 4.4.1 政策因素对风电电价的影响 （1）各种扶持政策对降低风电上网电价均有影响但作用的大小相差悬殊 （2）单一政策一般作用不大免进口零部件关税的作用较小降价幅度只有4% 增值税抵扣降价作用也只有4% 实施所得税2 免3 减半政策可使电价下降6% （3）复
28、合政策(即多种政策组合)有较强的降价作用尤其是免关税和免增值税及所得税优惠的作用更为明显其上网电价可下降到0.45 元/kWh 但实践证明优惠政策越多实施难度也越大因此需要进行合理权衡和选择。 综上所述风力发电场的投资是可靠的，保证了合理的利润。5 风力发电技术的发展趋势随着各国政策的倾斜和科技的不断进步,世界风力发电发展迅速,展现出了广阔的前景.未来数年世界风力发展的趋势如下： （1）风力发电从陆地向海面拓展 海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势.目前只有少数国家建立了海上风电场,但预计从2006 年开始,欧洲的海上风力发电将会大规模地起飞. （2）单机容量进一步
29、增大 自MW级风力机出现后,风力机的尺寸和发电机组的单机容量增长速度加快.截至2003年,商品化的风力机风轮直径达到120m,单机容量达到4.5MW.随着各项技术的成熟,更大容量的风力发电机组将从实验室走向工业应用. （3）新方案和新技术不断被采用 在功率调节方式上,变速恒频技术和变桨距调节技术将得到更多的应用;在发电机类型上,控制灵活的无刷双馈型感应发电机和设计简单的永磁发电机将成为风力发电 的新宠;在励磁电源上,随着电力电子技术的发展,新型变换器不断出现,变换器性能得到不断的改善;在控制技术上,计算机分布式控制技术和新的控制理论将进 一步得到应用;在驱动方式上,免齿轮箱的直接驱动技术将更加
30、吸引人们的注意. 目前从风轮到发电机的驱动方式主要有两种:通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步发电机, 简称为双馈式, 是目前市场上的主流产品; 风轮直接驱动同步发电机, 简称为直驱式。双馈式驱动方式中由于风力机和发电机之间变速齿轮箱的存在, 造成噪音大、机械磨损高的缺点。直驱式风力机可省去齿轮箱, 具有节约投资、减少传动链损失和停机时间、减少能量损失、降低发电成本和噪声、维护费用低、可靠性好等优点, 在市场上正在占有越来越大的份额。随着电力电子技术和计算机控制技术的不断进步,大型风力发电机使用直接驱动永磁发电机成为可能, 成为变速恒频风力发电的重要趋势之一。永磁直驱发电机变速恒频风力发电机系统，通
31、过网侧变换器能够方便地实现对输出功率因数的调整, 永磁直驱风力发电系统既可以向电网输送无功,也可以从电网吸收无功, 并且这种电机中没有转子绕组存在, 发电效率较高。我国现在也开始应用研究海上风电技术, 2007 年下半年底在渤海湾建设安装我国第一座海上风力发电站, 发电机采用的是1 500 kW 永磁直驱发电机组, 保持发电机输出频率恒定的方法变速恒频, 并成功并网发电。6 结语世界上许多国家都在积极建设大容量海上风力发电场。德国、英国、荷兰、比利时、丹麦等北海沿岸国家拥有得天独厚的海上风能资源。我国东南沿海及其岛屿也有这方面的优势，应积极开发。30005000kW级的风力发电设备开始成功地在欧洲推广，我们亦应急起直追，开展大型风力发电机的研制生产。我们要不断改进风力发电设备的制造技术，采取先进的设计方法，提高兆瓦级风车零部件利用效率和风车在低风速地区的运转效率。风力发电设备运转时，应尽可能保证电网的稳定性。对于较为理想的可变速风轮的风力发电设备以及采用永磁多极发电机的无齿传动系，也应积极开展研究，以期早日推广应用。
