基于風(fēng)能發(fā)電的考察與研究

摘 要 風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色能源發(fā)電技術(shù)在當(dāng)今社會中得到廣泛的應(yīng)用，但由于風(fēng)能存在天生的不穩(wěn)定性，使風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的電能不能大規(guī)模并網(wǎng)，為此我們提出了變速恒頻的發(fā)電方式，克服了風(fēng)力發(fā)電的上網(wǎng)瓶頸。

關(guān)鍵詞 變速恒頻；雙饋異步發(fā)電（DFIG）；直驅(qū)式發(fā)電機(jī)

中圖分類號 TM 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)061-0206-02

1 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

自1990年以來，風(fēng)力發(fā)電一直是世界上增長最快的可再生新能源。從1996年起，全球累計風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟B續(xù)11年增長速度超過20%，平均增長速度達(dá)到28.35%。2006年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量超過70 GW，增長25%，新增風(fēng)力發(fā)電設(shè)備價值約180億元?？梢?，作為一種取之不盡、用之不竭的新能源，風(fēng)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，地位日趨上升。目前，風(fēng)力機(jī)之最為美國CE公司的“超級暴風(fēng)機(jī)”，單機(jī)功率為7.3 MW，風(fēng)車直徑為112 m。

2 風(fēng)力發(fā)電簡介

太陽輻射到地球的熱能中有約2%被轉(zhuǎn)換為風(fēng)能，全球大氣中總的風(fēng)能量約為1014 MW。其中可被開發(fā)利用的風(fēng)能理論值約有3.5×109 MW，比世界上可利用的水能大10倍，相當(dāng)于1000-10000座100萬瓦量級的原子能發(fā)電站。

我們都知道，風(fēng)的方向不定、大小多變，風(fēng)速隨著高度的增加而提高，風(fēng)速沿高度的相對提高因地而異大致上可以用以下式子表示：

Vn=V1（Zn/Z1）a

式中：Vn-Zn高度處風(fēng)速（m/s）；

V1-Z1高度處風(fēng)速（m/s）；

a—風(fēng)切變指數(shù)。

a=ln（）/ln（Zn/Z1）

除此之外，風(fēng)除了隨高度變化而變化之外，還隨季節(jié)的變化而變化、隨日夜的變化、變化、隨地形的變化而變化。

在風(fēng)能的計算中，風(fēng)速頻率是一個恩重要的概念，風(fēng)速頻率是指一定時間內(nèi)某風(fēng)速時數(shù)占各風(fēng)速出現(xiàn)總時數(shù)的百分比。利用風(fēng)速頻率可以計算出某一地區(qū)單位面積上全年的風(fēng)能。

通常把風(fēng)吹來的地平方向定位風(fēng)的方向，在陸地上一般用16個方位來表示不同的方向。風(fēng)頻是指風(fēng)向的頻率，即在一定時間內(nèi)某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占各風(fēng)向出現(xiàn)次數(shù)的百分比。

在實際利用中，我們需要對風(fēng)進(jìn)行測量，以對風(fēng)力發(fā)電廠的效率進(jìn)行提高。具體測量方法如下“初步選定風(fēng)電場之后，要進(jìn)行1~2年風(fēng)的測定。測風(fēng)的主要目的是正確估計該地區(qū)可利用風(fēng)能的大小，為裝備風(fēng)力機(jī)提供風(fēng)能依據(jù)。風(fēng)的測量主要包括風(fēng)向測量和風(fēng)速測量兩項。測風(fēng)高度一般為10 m，30 m，50 m，70 m。從測量數(shù)據(jù)中整理出每分鐘（或者每小時）的平均速度和最多風(fēng)向，并選取日最大風(fēng)速（10 min平均）和極大風(fēng)速（瞬時）以及對應(yīng)的風(fēng)向和出現(xiàn)的時間。

對影響風(fēng)機(jī)出力和安全其它氣象數(shù)據(jù)（如氣溫、空氣密度、濕度、太陽輻射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊氣象情況（如臺風(fēng)、雷電、沙暴、鹽霧、冰凍期等）有測量和統(tǒng)計。

我國風(fēng)能資源可以分為四大區(qū)域：東部沿海及島嶼地區(qū)、三北（東北、華北、西北）地區(qū)、內(nèi)陸局部地區(qū)和海上風(fēng)能區(qū)。據(jù)中國氣象科學(xué)院預(yù)測，我國經(jīng)濟(jì)可開發(fā)風(fēng)能資源為：陸上約有2.53億千瓦時（年電量5000億千瓦時）；海上約有7.5億千瓦；合計約10億瓦。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1）風(fēng)力機(jī)。為了把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成所需要的機(jī)械能、電能、熱能等其他形式的能量的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置——風(fēng)力機(jī)。按照風(fēng)輪軸線可以分為水平軸式和垂直軸式，風(fēng)力發(fā)電所采用的風(fēng)力機(jī)98%以上為水平軸式。

2）發(fā)電機(jī)。可以分為獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。其中，獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電機(jī)主要有直流發(fā)電機(jī)，永磁式直流發(fā)電機(jī)，永磁式交流發(fā)電機(jī)，硅整流自勵式交流同步發(fā)電機(jī)等。并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)有感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)，同步發(fā)電機(jī)，新型同步發(fā)電機(jī)（多級永磁低速同步發(fā)電機(jī)、永磁高壓同步發(fā)電機(jī)），雙饋異步發(fā)電機(jī)，無刷雙饋異步發(fā)電機(jī)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)（SRG）。

3）調(diào)向機(jī)構(gòu)。用來調(diào)整風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與空氣流動方向相對位置的機(jī)構(gòu)。因為當(dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，也即是迎著風(fēng)向時，風(fēng)力機(jī)從流動的空氣中獲得的能量最大，因而風(fēng)力機(jī)的輸出最大。

4）控制系統(tǒng)。100 kW以上的中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及1 MW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組皆配有由微機(jī)或可編程控制器（PLC）組成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制、自檢和顯示功能。

5）塔架。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要通過塔架將其置于空中，以捕捉更多的風(fēng)能。

6）齒輪箱。將風(fēng)力機(jī)軸上的低速旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)輸出，以便與發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)速相匹配。

4 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)以及存在的問題

風(fēng)力發(fā)電具有很多優(yōu)點(diǎn)，具體如下。

1）沒有直接的污染物排放。風(fēng)力發(fā)電不涉及燃料的燃燒，因而不會釋放二氧化碳，不會形成酸雨，也不會造成水資源的

污染。

2）不需要水參與發(fā)電過程。風(fēng)力發(fā)電部涉及熱過程，因而不需要消耗水。這個優(yōu)點(diǎn)對于目前水資源短缺的嚴(yán)峻形勢來說顯得極其重要。

3）經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)前的技術(shù)條件下，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，可能是減少二氧化碳排放的最經(jīng)濟(jì)、最快速的方法。

風(fēng)力發(fā)電同時也存在一些問題：

4）并網(wǎng)瓶頸。由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致由風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的電能也不穩(wěn)定。不能大規(guī)模并網(wǎng)供用戶使用。

5）會對環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染。

6）會引起電磁干擾。風(fēng)力機(jī)會產(chǎn)生電磁場，對周圍的通訊設(shè)備造成電磁干擾。

此外，西方國家還比較關(guān)注大型的風(fēng)力機(jī)造成的視覺污染，以及由風(fēng)電場對土地的使用、對鳥類的影響等問題。

5 針對問題的解決方案——變速恒頻發(fā)電

1）變速恒頻發(fā)電的提出。

2）采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接，由電網(wǎng)輸送電能的方式，是克服風(fēng)的隨機(jī)想而帶來的儲能問題的最穩(wěn)妥易行的運(yùn)行方式，同時可以達(dá)到節(jié)約礦物燃料的穆密，10 kW以上直至MW級的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組皆可采用這種方式。按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以將并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為“恒速恒頻方式”和“變速恒頻方式”。其中，恒速恒頻方式即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動而變化，始終維持著恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定頻率的交流電，這種方式簡單可靠，目前應(yīng)用較為廣泛，但這種方式的系統(tǒng)要求剛性并網(wǎng)，對風(fēng)能的利用不充分；變速恒頻方式即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動作變速運(yùn)行，但仍然輸出恒定頻率的交流電。這種系統(tǒng)可看作是柔性并網(wǎng)，可以提高風(fēng)能的利用率，但將導(dǎo)致必須增加實現(xiàn)恒頻輸出的電力電子設(shè)備。

2）變速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。①系統(tǒng)效率高：變速運(yùn)轉(zhuǎn)可以最佳葉劍速比運(yùn)行，提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，與恒速運(yùn)動機(jī)組相比，年發(fā)電量可以提高10%以上；②能提高供電品質(zhì)：陣風(fēng)時風(fēng)輪轉(zhuǎn)速增加，把風(fēng)能余量儲存在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量中，風(fēng)速下降時候，再將風(fēng)輪動能緩慢釋放出來變?yōu)殡娔芩徒o電網(wǎng)，可減少對電網(wǎng)的沖擊；③簡化漿角調(diào)節(jié)：低于額定風(fēng)速時候，漿角固定；高于額定風(fēng)速時候，調(diào)節(jié)漿角限制輸出功率；④環(huán)保效果顯著：低風(fēng)速時候，風(fēng)輪機(jī)處于低速運(yùn)行狀態(tài)，使噪音降低，也不容易引起視覺疲勞。

3）變速恒頻運(yùn)行的實現(xiàn)方案。①雙饋式異步發(fā)電機(jī)+部分功率變頻器；②永磁同步發(fā)電機(jī)（直驅(qū)式）+全功率變頻 器；③其他類型，如開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、磁場調(diào)制型。

6 對風(fēng)力發(fā)電的展望

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前可再生能源利用中技術(shù)最成熟的、最具商業(yè)化發(fā)展前景的利用方式，也是本世紀(jì)末最具開發(fā)前景的新能源之一。合理利用風(fēng)能，既可以減少環(huán)境污染，又可減輕目前越來越大的能源短缺給人類帶來的壓力。

據(jù)估測，全球可利用的風(fēng)能資源約為200億千瓦，是可利用水力資源的10倍。如果利用1%的風(fēng)能能量，可產(chǎn)生世界現(xiàn)有發(fā)電總量8%--9%的點(diǎn)電量?！帮L(fēng)力12”、歐洲風(fēng)能聯(lián)合會（EWEA）、能源和發(fā)展論壇（FED）以及綠色和平組織（EWEA）于2002年聯(lián)合發(fā)表了一篇報告，以上述估計值作為基礎(chǔ)，指定了目標(biāo)：到2020年，風(fēng)力發(fā)電將占到全球發(fā)電總量的12%。風(fēng)電會向滿足世界20%電力需求的方向發(fā)展，相當(dāng)于今天的水電，有研究顯示到2040年大致可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。屆時創(chuàng)造179萬個就業(yè)機(jī)會，風(fēng)電成本下降40%，減少排放100多億噸二氧化碳。因此，在建設(shè)資源節(jié)約型社會的國度里，風(fēng)力發(fā)電已不再是無足輕重的補(bǔ)充能源，而是最具商業(yè)化發(fā)展前景的新興能源產(chǎn)業(yè)。

我國的風(fēng)力發(fā)電從20世紀(jì)80年代開始起步，到1995年以后逐步走向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的新階段。自2005年起，我國風(fēng)電規(guī)模連續(xù)三年實現(xiàn)翻倍的增長。即在這三年中，我國風(fēng)電新增裝機(jī)容量每年都增加超過100%，僅次于美國、西班牙，成為世界風(fēng)電快速增長的市場之一。

目前，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)成為風(fēng)電市場中的主流機(jī)型。2006年世界風(fēng)電市場統(tǒng)計報告表明，1997年以前兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的市場份額還不及10%，2001年則超過一半，2003年已達(dá)到70.5%，2006年高達(dá)76%。通過大型風(fēng)電場特許權(quán)招標(biāo)和引進(jìn)技術(shù)，我國國產(chǎn)1.5 mw級風(fēng)電機(jī)組已批量投入運(yùn)行，自主化率達(dá)到86%，降低了風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營成本。目前正在研究3 mw、5兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。我國沿海水深在2 m-10 m的海域面積很大，而且風(fēng)能資源很好，靠近我國東部主要用電負(fù)荷區(qū)域，適宜建設(shè)海上風(fēng)電場。

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