1、天津工业大学电气工程与自动化学院电工电能新技术讲座（论文）题目：风力发电技术班 级 电气 1003 姓 名 学 号 指导教师 论文成绩 2013年 04 月 22 日摘要风能是自然产生的取之不尽、用之不不竭而又不会产生任何污染的可再生资源。它因空气流动做功而提供给人类的一种可利用的能量，因此被人们广泛应用。由于科学水平的进步，和风能自身清洁、环保的特点，风能被应用到发电行业。早在很久以前它就被人们称为“蓝天白煤”。人类对于风能的利用始于很久以前，最早可追溯到公元前 3000年，可以说人类对于风能的利用与关注从那时就开始了，而真正将风能用于发电是在 19世纪。丹麦建成了世界上第一个风力发电装置。
2、但在其后的一段时间，世界处在对煤、石油的开采的满足下，加上技术的不成熟，风能发电并没有得到及时的发展。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运动形成风。据估计到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 2.74109MW，其中可利用的风能为 2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10倍。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。目前，国内学者对大型风力发电的研究已日趋成熟，
3、但对于实验室风力发电机的研制还是比较欠缺的。本次毕业设计的重点是拟设计简易的风力发电实验仪，该设备能让学生容易了解风力发电的原理，以及大致测算出影响风力发电的各个因素，方便以后的大学物理实验教学，同时在制作和测试过程中对出现的一些现象进行深刻的思考，具有很强的实用性和趣味性。在研制的过程中，同时对风能的转化功率，风速等影响发电的因素，进行测量，并与理论进行对比，进而得出影响效率的因素。关键词：风 风能发电 风力发电机 能源危机 转换形式 在不断持续的能源紧张中，不少人想到了新能源利用。利用洁净的能源（可再生能源）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
4、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运动形成风。据估计到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 2.74109MW，其中可利用的风能为 2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10倍。 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风能资源区，风能密度为 200W/
5、M2300W/M2，大于 6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。长期以来，由于风电电价高于火电电价，作为清洁能源的风电对于解决能源短缺和环境保护问题的意义长期得不到应有的重视。事实上，风电作为一项高新技术，具有着巨大的产业前景。而它作为新兴能源，更对促进边远地区经济发展有着巨大的作用。在电力紧张、能源紧缺的情况接踵而至的今天，我国应该重新认识风能的利用问题。 首先，风力发电的潜力体现为风电电价的快速下降。截止到目前，风电电价正在快速下降，甚至已日趋接近燃煤发电的成本，经济效益开始凸现。数据显示，风力发电能力每增加一倍，其成本就下降 15。纵观近几年，风电增长一直保持在 30
6、以上，因而成本也正随之不断下降。目前，中国风电成本约在 0.5元以上，随着中国风力发电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。此外，风电外部成本几乎为零，甚至低于核电成本。据初步测算，如果将内部成本和外部成本同时计入成本，风电将是当前世界上最经济、最洁净的能源。其次，风电的潜力体现于风能资源的丰富性。据初步统计、中国陆地 10米和海面 15米可供开发的风力资源在几亿千瓦以上，相当于可开发水能资源（3.9 亿千瓦）的 2.5倍。而 50米风力资源还会增大一倍。根据现有技术，地面 50100 米的风力资源都可开发利用。2003 年，我国发电装机容量为 3.85亿千瓦，专家认为，中国单靠风力发
7、电就能将现有的电力生产翻一番。此外，风电技术正日臻成熟。随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟。更大型、性能更好的机组的已开发并投人生产试运行，可利用的风速要求还会降低。风电产业要全面健康可持续发展，需要解决的问题很多，但依靠科技进步来推动风电产业是摆在我们面前的现实课题。首先，需建立以企业为主体、市场为导向、产学研技术结合的创新体系。对开展试点的企业应对其研发机构，研发人员，研发资金，研发项目，专利申请，产品品牌，能力建设等方面提出具体要求和量化的指标。第二，正确处理技术引进和技术创新的关系。采用自主研究开发和引进消化国外技术相结合的方式，是实现提高竞争能力的较好途径。第三，加强风电创新能
8、力建设，建立风电公共技术服务平台，共同对资源进行整合、共享、完善和提高，通过建立共享机制和管理程序逐步做到资源有效利用。第四，加速风电技术人才培养。目前已有一些高等院校准备设置风能专业或者风能专业方向，开设风能课程培养本科生和研究生。除了学校培养人才外，企业也应将人才培养和建立一支高素质的队伍放在战略地位，特别需要建立激励机制和创造良好的环境，使技术队伍能够稳定地成长。其次就是风力发电机的要求了。恒速风力发电机, 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
9、滞后的无功功率以产生旋转磁场, 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. 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 1% 5% 内运行, 输入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
10、别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用, 以充分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.有限变速风力发电机, 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
11、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. 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。电励磁同步发电机(Electr ically excited synchro2nous generator, EESG)变速恒频直驱风力发电系统如图 6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
12、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.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。风力发电机有很多种，都要根据具体情况而定。经济成本是制约风力发电技术推广的一个重要因素。 对于风电机组特别是大型发电机组来说, 其整个成本包括投资成本和运行成本.投资成本又分为风电机组成本、选址
13、和安装成本、包括银行信贷在内的融资成本以及项目初期的计划和施工等杂项费用. 运行成本也可以分为风电机组运行和维修成本、保险成本、土地成本及项目管理成本. 由此可见, 风电机组的成本问题涉及很多因素.目前, 全球建设风力发电的造价大约为1 000美元/kW, 我国风力发电的初始投资从1994年的约12 000元/kW降低到8 000 9 000元/kW. 这个费用约为煤电单位造价的2 2. 5倍, 但是考虑到生物质能发电成本是煤电的2. 5 3倍, 太阳能发电成本是煤电的11 18倍, 以及减少环保投入、降低能源损耗、舒缓运输压力等方面问题, 风力发电比其他新型发电方式的优势更多. 当前在风力发
14、电的商业市场上占统治地位的毫无疑问双馈感应发电机和多级增速齿轮概念. 但通过以上综合比较可以看出, 永磁直驱发电机有望逐渐成为大型风力发电机组的主流, 并与DFIG风力发电机组竞争. 尤其是针对海上风电场来说, 体积巨大的直接驱动风力发电机并不会明显增加运输和吊装方面的难度. 基于全功率变换器的变速风力发电系统能够更有效地处理例如低电压穿越等问题,另外, 海上风电场对风力发电机组的可靠性和可维护性要求更高, 因此直接驱动概念或将首先在海上风电场获得大规模的应用。在这里提出几条建议:1、加强智能电网建设、发电企业和电网公司规划沟通协调。智能电网通过数码技术提高电网的稳定性及效率，可以应用在所有相
15、关产业链，是新能源产业战略的核心之一。电网公司和发电企业必须要加强合作，探讨电网建设滞后和风力发电超前的问题。2、按照风电直供或者非并网解决风电并网难问题。3、加大对风机的技术研发的支持，解决风机制造企业的低技术重复建设问题，加大重组的推动。淘汰落后的产能。4、公司要积极通过与主要零部件供应商谈判等多种方式，适当降低公司的采购成本并争取取得较为宽松的付款方式。公司可以通过与供应商加强沟通，建立稳定持续的供货关系。未来的趋势是风机制造企业需要通过并购、或者自己建立一些关键零部件的生产企业，这样，就能够消除原材料供应对企业发展的掣肘。企业需要考虑在现在国家提倡行业企业做大做强，提高竞争力的前提下，
16、加快纵向一体化的步伐。5、积极引导风电企业在不同领域进行合理布局。风电开发要本着抓大不放小的原则。在大力发展大型风电场和大型风力机的同时，不要放弃小型风力机的开发。离网型小型风力机是解决高山、牧民用电的重要手段之一。尽管它不会产生较大的经济效益，但会带来较大的社会效益，对减少贫困、发展经济、和谐社会大有益处，在贫困以及边远山区仍然有着较广的发展前景。参考文献：1卢为平.风力发电基础.化学工业出版社，20112金风 1500kW风力发电机组介绍.金风公司产品资料，2008.3金风 1500kW风力发电机组运行维护手册介绍.金风公司产品资料，2008.4白公.维护电工技能手册M.北京：机械工业出版社，2007.5季田.基于单片机的浓缩风能型风力发电机调向控制系统M.中国机械工程 ，2003.6姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用M.机械工业出版社，2009.7张志英.风能与风力发电技术M.北京化学工业出版社，2010.8苏绍禹.风力发电机设计与运行维护M.中国电力出版社，2003.9尹炼.全国风力发电场培训教材风力发电M.中国电力出版社，2002.10倪玮.风力发电系统M.北京：机械工业出版社，2011.
