1、风力发电概况论文,学院:信息工程学院姓名:XXXXXX,-2-,风力发电概况论文,引 言,在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新生能源的利用。利用（洁净的）能源（可再生资源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源，特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的。风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。太阳照射到地,-3-,风力发电概况论文,引 言,球表面，地球表面各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流对流运动形成风。据估计到
2、达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74*109MW，其中可利用的风能为2*107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10部。,-4-,风力发电概况论文,我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大的风能资源区，风能密度为200W/M2300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取的较大的经济效益。,引 言,-5-,风力发电概况论文,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认为是第一台自动运行的且用于
3、发电的风力机。 “丹麦概念”是三叶片的风机。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。,-6-,风力发电概况论文,1、风力发电技术的发展历史,1980-1981年开发的55KW风力发电机的出现是现代风力发电机工业和技术上的一个突破。 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)。,-7-,风力
4、发电概况论文,2、风特性,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。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。 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。,-8-,风力发电概况论文,2、风特性,2.1平均风向 风向指风的方向， 一般用16个方位来表示。 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。,-9-
5、,风力发电概况论文,2、风特性,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。,-10-,风力发电概况论文,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。,3、风力发电机组类型、结构、原理,-11-,风力发电概况论文,3、风力发电机组类型、结构、原理,图
6、1 笼型恒速发电机系统,-12-,风力发电概况论文,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，以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。,3、风力发电机组类型、结构、原理,-13-,风力发电概况论文,3、风力发电机组类型、结构、原理,图2 绕线式有限变速发电机系统,-14-,风力发电概况论文,3.3 变速风力发电机 3.3.1有刷双
7、馈异步发电机 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。,3、风力发电机组类型、结构、原理,-15-,风力发电概况论文,3、风力发电机组类型、结构、原理,图3 馈式变速恒频风力发电机系统,-16-,风力发电概况论文,双馈发电机系统的缺点：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。,3、风力发电机组类型、结构、原理,-17-,风力发电概况论文,
8、3.3.2电励磁同步发电机 电励磁同步发电机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。,3、风力发电机组类型、结构、原理,-18-,风力发电概况论文,3、风力发电机组类型、结构、原理,图4 电励磁同步发电机直驱风力发电系统,该系统主要缺点是系统成本较高，功率变换器损耗大。,-19-,风力发电概况论文,3.3.3永磁
9、同步发电机 永磁同步发电机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。 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同，变换器成本较高。,3、风力发电机组类型、结构、原理,-20-,风力发电概况论文,3、风力发电机组类型、结构、原理,图5 磁同步发电机直驱风力发电系统,-21-,风力发电概况论文,在进行风力发电机安装场地选址时，首先
10、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、风力发电场及投资,-22-,风力发电概况论文,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
11、。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、风力发电场及投资,-23-,风力发电概况论文,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组；具备良好的地形、地貌，风况品位高。,4、风力发电场及投资,-24-,风力发电概况论文,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
12、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、风力发电场及投资,-25-,风力发电概况论文,4.2 风力发电机选址的原则4.2.1、选择风能质量好的地区 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。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
13、的地方，最大限度的利用好风能。,4、风力发电场及投资,-26-,风力发电概况论文,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。4.2.2、要有稳定的盛行风向 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。,4、风力发电场及投资,-27-,风力发电概况论文,4.2.3、风速日变化和季节变化小 （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
14、变化曲线与年负载曲线变化趋势一致时，风况最为理想。,4、风力发电场及投资,-28-,风力发电概况论文,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、风力发电场及投资,-29-,风力发电概况论文,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
15、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、风力发电场及投资,-30-,风力发电概况论文,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。,4、风力发电场及投资,-31-,风力发电概况论文,在一个给定的地区内
16、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。,4、风力发电场及投资,-32-,风力发电概况论文,（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
17、装场址。,4、风力发电场及投资,-33-,风力发电概况论文,（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、风力发电场及投资,-34-,风力发电概况论文,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，
18、一旦建成风电场就是一源源不断的造钱机器。,4、风力发电场及投资,-35-,风力发电概况论文,4.4.1我国风电鼓励政策 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,4、风力发电场及投资,-36-,风力发电概况论文,的高价只能在电力系统内部；如风电场所在的地区，电网
19、消化从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、风力发电场及投资,-37-,风力发电概况论文,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
20、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%,4、风力发电场及投资,-38-,风力发电概况论文,（3）复合政策(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。,4、风力发电场及投资,-39-,风力发电概况论文,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：
21、（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.,5、风力发电技术的发展趋势,-40-,风力发电概况论文,（2）单机容量进一步增大 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。,5、风力发电
22、技术的发展趋势,-41-,风力发电概况论文,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吸引人们的注意。,5、风力发电技术的发展趋势,-42-,风力发电概况论文,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
23、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。,5、风力发电技术的发展趋势,-43-,风力发电概况论文,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
24、较高。,5、风力发电技术的发展趋势,-44-,风力发电概况论文,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。,5、风力发电技术的发展趋势,-45-,风力发电概况论文,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。3001500kW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。,结束语,-46-,风力发电概况论文,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。,结束语,
