网络教育学院《新能源发电》课程设计.docx

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1、大隹斑2大号网络教育学院新能源发电课程设计题 目： 风力发电技术学习中心：江西九江奥鹏学习中心层 次： 专升本专 业：电气工程及其自动化年 级： 2011年春季学 号：学 生： 渔华妹辅导教师：完成日期：2012年7月30日风力发电技术引言风是由于太阳照射到地球时地球表面各处受热不同产生温差所引起的大气 运动而形成的。到达地球的太阳能约有2%转化为风能,据估计全球风能储量约为 2. 74X 109MW,其中可开发利用量约为2X107MW,比全球可开发利用的水能总量 还要大10倍。风力发电是先将风能转换为机械能,再转换为电能,最终将电能输送至用户。风力 发电技术是一项多学科的、可持续发展的、绿色

2、环保的综合技术，目前的发展方 向是:风力发电机组重量更轻、结构更具柔性,直接驱动发电机（无齿轮箱）和变转 速运行,风能利用率越来越高,单机容量越来越大1我国风力发电发展的现状风力发电是新能源中技术最成熟的、最具规模开发条件和贸易化发展远景的 发电方式，目前其发电本钱已接近常规发电方式。中国的风能资源十分丰富。目 前，我国的并网型风机主要由国外厂家提供的，大型风机也只能依靠进口或者与 外商合作生产。在风机制造水平上，我国生产的最大风电机组功率为750千瓦， 国际主流机型兆瓦级风电设备在我国还处于研发阶段。但可以预计，随着兆瓦级 风电设备的国产化和成功应用推广，中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的

3、国 家之一。目前我国已经探明的风能储量约为3226GW,其中可利用风能约为253GW,主 要分布在西北、华北、东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。首先，我国对风能资源的普查、评价、规划管理严重滞后，资源分散，缺少 整合，没有形成全国统一的国家级风电产业研机机构，缺少对产业资源的集中和 整合。其次，造价高，火电平均4500元/kW,风电平均每8000-9000元/kW,平均 造价高于火电。火电平均电价0. 36元/千瓦时，风电平均电价为0. 56元/千瓦时, 在我国南方地区电价，还要略高于北方地区。影响电网并网发电的积极性。第三，目前市场和产业化基本上没有形成，风电机组和系统设计技术、设

4、备性能、效率以及技术工艺水平与欧洲相比存在很大差距。国产风电关键部件, 如液压系统、联合器、电控等可靠性差，技术不够成熟。2比较各种风力发电机的优缺点变速恒频风力发电机组利用变速恒频发电方式，风力机就可以改恒绎技术交流速运行为变速运行， 这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖 速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大 值，从而可比恒速运行获取更多的能量。尤其是这种变速机组可适应不同的风速 区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也部分被 风轮吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构 承受

5、过大的扭矩及应力，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转 变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风力机组运行更 加平稳和安全。风力发电机变速恒频控制方案一般有4种：（1）鼠笼式异步发电机变速恒频 风力发电系统；（2）交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统；（3）无刷双馈 发电机变速恒频风力发电系统；（4）永磁发电机变速恒频风力发电系统。2.1 恒速恒频风力发电机组目前，单机容量为600kW750kW的风电机组多采用恒速运行方式，这种机 组控制简单，可靠性好，大多采用制造简单，并网容易，励磁功率可直接从电网 中获得的笼型异步发电机。恒速风电机组主要有两种类型：定桨距失

6、速型和变桨 距风力机。定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸 收过大的风能，功率调节由风轮叶片来完成，对发电机的控制要求比较简单。这 种风力机的叶片结构复杂，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是通过风轮叶 片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率。由于采用的是笼型异步发电机，无 论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固 定，异步发电机转子的转速变化范围很小，转差率一般为3%5%,属于恒速恒频 风力发电机。2.2 离网型风力发电机组通常，离网型风力发电机组容量较小，均属小型发电机组。可按照发电容量的大 小进行分类，其大小从几百W至几十kW不等。自

7、上世纪80年代初开始，中国的 小型风力机制造产业，在政府的支持下，尤其是内蒙古自治区政府的大力扶植， 得到了引人瞩目的发展，十几万台小型风力发电机的生产和推广应用，为远离电 网的农牧民解决基本的生活用电，尤其是照明和收听电台广播，作出了不开磨灭 的贡献。据统计，在上世纪80年代初期，国内有近百家小型风力发电机制造企 业。随着改革开放的不断深化以及社会经济的发展，这些小型风力发电机制造企 业经过内部的调整和外部的整合，根据中国农村能源行业协会小型电源专委会的 统计，到目前为止，全国有23家小型风力发电机生产企业，2005年共生产小型 风力发电机32433台，装机容量为12020kW,产值8472

8、万元，利税为993万元。 国内生产的小型风力发电机，单机容量从60W到30kW不等。3风力发电控制技术控制风况预测技术风电输出功率预测是确保电网平衡风电波动，减少备用容量和经济运行的重 要技术保障。风电输出功率与风速大小有关，因此风电输出功率预测主要集中在 风况预测。风能不仅随季节变化，而且每年也有变化，原则上完全预测风况是不 大可能的。风况有效预测是国际风能界正在从事的一项具体工作。风况预测方法主要有 基于风况观测数据和气象模拟两种方法。利用风况观测数据方法预测风况时，主 要是利用线性或非线性风况预测模型来预测。而利用风况观测数据预测风况时可 能存在持续时间比较长。精度低等问题，所以不能只依

9、靠风来观测，进年来，随 着气象预报技术的发展和进步，利用气象模拟进行预测已经成为现实。利用气象 模拟进行预测风况的技术，目前已被用于风力发电的计划，实施和运用的每一阶 段。这种风况预测方法已经成为风力发电选址及制定风力发电系统稳定性的重要 工具。3.1 风力发电储存技术在风力发电系统中，应用蓄能技术是解决风能不稳定性和负荷峰谷比问题的 极为有效的措施，将富裕的风能储存起来，以满足负荷高峰时需求，同时风能存 储装置还能尽量减少存储一转换过程中的能量损失。目前，经济可行的风能储存 技术的研究在国内外理论界、工程界得到了越来越广泛的重视。下面将介绍比较 常用的风能储存方式。3. 2.1新型电池储能技

10、术由风能转换的电能采用电池来存储是风能存储方式中最简单的方法。在中小 型单独运行的风力发电机常需配备蓄电池储能，以应对风况、载荷的变化。目前 该存储方式主要有铅酸电池(Lead-Acid Battery)、钠硫电池(NaS Battery)、针L 电池全称为全钗氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery,缩写为VRB)、银 镉电池(Ni-Cd Batte ry)、锂离子电池(Li-ion Battery)等。3. 2. 2水利蓄能技术在水资源充足并有大容量高位水箱或水库的情况下，可用风能来驱动水泵， 从而构成一个水利蓄能系统。当风能过量时，风力机带动水泵把水从低水位抽到 高

11、水位。当风能减小或电网中的功率不足时，就可米取存储的水利势能。米用水 力涡轮发电机发电。3. 2. 3压缩空气蓄能技术压缩空气蓄能(CAES)是一种适用于缺水干旱地区风能储存的新型蓄能方式。 在电力负载较小时，将风力发电机组提供的多余电能通过电动机带动空气压缩 机，将空气压缩后储存到容量大、强度高的金属容器或地下岩盐矿内的岩洞或挖 掘的岩石洞或现存的矿洞内；在电力负荷达到高峰、风小或无风时再释放存储的 压缩空气作为动力，带动涡轮机实现发电。3. 2. 4飞轮蓄能技术飞轮蓄能是一种容量有限、存储时间较短、可适应于大容量发电机的蓄能方 式。在风力机与发电机之间安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能

12、。当风速 高时，风能以动能的形式储存于飞轮中；当风速低时，储存在飞轮中的动能即可 带动发电机发电。飞轮蓄能包括高速飞轮蓄能和超高速飞轮蓄能方式。超高速飞 轮蓄能的转速是高速飞轮的10倍以上，具有更好的蓄能能力，是今后研究的重 点。飞轮蓄能系统需附带必要设备来降低飞轮的风损失和轴承损失，可见对飞轮 和轴承等零部件的材料提出了更高的要求。3. 2. 5氢能存储技术氢能存储技术即电解水制氢储能技术，在电力负载减小时，将风力发电多余 下来的电能用来电解水，使氢和氧分离制备氢气，把氢作为燃料储存起来，需要 时再把氢和氧在燃料电池中进行反应产生电能。3.3 互补发电系统互补发电系统是风能和太阳能等两种或多

13、种以上能源组合起来的复合发电 系统。其作用是在弱风时，由太阳能等补充电力，这样两种或多种能源组合起来 得到的电力更稳定。也降低了发电成本。常见的互补发电系统有风光互补发电系 统、风水互补发电系统、风气互补发电系统、风柴互补发电系统、风能和生物能 互补发电系统等。下面针对我国的实际情况，分别介绍以上几种互补发电系统。3. 3.1风光互补发电系统我国地域辽阔，风能资源丰富，风能资源受地理位置、季风、地形等因素的 影响。我国属于季风气候区，一般冬季风大，太阳辐射小；夏季风小，太阳辐射 大。风能和太阳能正好可以相互补充利用，采用风光互补发电系统可以很好的克 服风能和太阳能提供能量的随机性和间歇性的缺点

14、，实现连续供电。风光互补发电系统特别适应于风能和太阳光资源丰富的地区，如：草原、海 岛、沙漠、山区、林场、渔排、渔船等地区；风光互补发电系统还可用于城市的 住宅小区和环境工程，如照明路灯、庭院、草坪、景观灯、广场、公园、公共设 施、广告牌等。4. 3.2风水互补发电系统风水互补发电系统是风能和水能相互结合的一种互补发电系统，当风电场对 电网的出力随机波动时，水电站可迅速调节发电机的出力，对风电场出力进行补 偿。另外，在资源分布上二者具有天然的时间互补性。在我国西藏、青海、新疆 和内蒙古等部分地区，夏秋季节风速较小，风电场的出力较低，而这时候正是雨 量充足的时候，水电站可以承担相应的负荷。到了冬

15、春季节，水库的水位较低， 水电站的出力不足，而这时风电场的风速较大，能够承担更多的负荷。5. 3.3风气互补发电系统风气互补发电系统即指风电燃气轮机发电的互补系统。通过具有快速启停和 快速负荷调节特性的燃气轮机电站来补偿风电场出力的波动，使得整个系统的出 力在一段时间内有稳定的输出的一种互补发电系统。目前，风气互补发电系统在 新疆已得到了较好的应用。6. 3.4风柴互补发电系统风柴互补发电系统指的是利用柴油发电机（内燃机）和风力发电机组成的互 补发电系统，主要是用于解决孤岛等偏僻地区的供电。7. 3.5风能和生物能互补发电系统风能和生物能互补发电系统是风能和生物能互相结合。发电的一种互补发电

16、系统。生物能和风能或者太阳能等其他可再生能源不同的是可以通过燃料形式储 存起来，与负载相对应，可以通过人为的改变发电量。利用风能和生物能互补发 电系统不仅可以提供稳定的电力输出，还可以避免地球温暖化，因此这种发电系 统是种非常有前景的互补发电系统。当然互补发电系统还可以有多种以上的能源组合起来，如：风一光一柴互补 发电系统、风能、太阳能和生物能互补发电系统等，这都是值得研究的互补发电 系统。3.4 风力发电设计制造技术风力发电技术中，风电机组设备和零部件设计制造技术是其中的关键。风电 机组研发着重在风电机组总体设计与仿真软件试验系统方面的研究，目前，已经 开发了风力发电机组总体设计eWind软

17、件应用系统，以进行风力发电机组设计的 分析、计算和校核验证。风电机组零部件的设计主要集中在叶轮的设计，而叶轮的关键则是叶片。叶 片的形状和大小要符合流体力学特性并根据强度计算后得到的结构设计制作，已 开展了先进翼型族的设计、实验与应用的研究。在翼型设计技术，数值模拟技术, 风洞实验技术，数据库建立，翼型数据三维修正及在叶片设计中的应用都取得了 较好的效果。但是，叶片制造过程中的智能化加工技术水平还有待于进一步提高。风力发电机组的发展趋向大型化，与之相伴大型叶片的开发制作也随之发 展。而叶片的大型化必须是在性能提高的同时尽量减少叶片重量，因此，在追求 性能的同时要注意叶片材料的选择。用于制造叶片

18、的材料必须强度高、重量轻， 并且在恶劣气象条件下物理、化学性能稳定。叶片的材料主要在铝合金、不锈钢、 木材、玻璃纤维树脂基复合材料、碳纤维树脂基复合材料等中选择。而大型风力 发电机组的叶片基本上采用玻璃纤维树脂基复合材料、碳纤维树脂基复合材料 等。目前，叶片设计与检测方面研究了 1.5MW风力机叶片的气动与结构设计，开 发设计适合我国风能资源和环境条件特点的大尺寸预弯式叶片。3.5 风力发电并网技术由于风能的不稳定性，中小型风力发电机一般采用直流发电系统并配合蓄能 器或与其他发电装置互补运行的方式，以满足离散区域的稳定供电需求；而大型 风力发电机大多采用直接或间接并网运行向外界输出电能。由于发

19、电机并网过程是一个瞬变过程，它受制于并网前的发电状况，影响并 网后发电机的运行和电网电能质量，在并网运行方式中主要解决的是并网控制和 功率调节问题。在大规模风电运行要求电网提高接纳风电承受能力的同时，电网 为了维持自身的稳定性，也向并网风电机提出了更高的技术要求。并网问题的根 源在于风能自然具有随机性及不可控性带来的风电出力的波动性。解决并网问题的可能方向主要在以下两方面：一是“非并网”风力发电系统 采用近距离直接利用，避免对电网的冲击。二是减少风电的波动性。在风电系统 方面，发展变桨变速式功率调节等驱动技术；在风电场方面。发展先进的整体控 制技术和输出功率短期预测技术；在系统集成方面，推动探

20、索研究风电储能系统 技术及风能与其他能源系统互补技术；在电网方面，发展智能电网，发展大规模 低电压穿越技术，使其具有适应所有电源种类和电能储存的方式。4风力发电未来展望随着科技的进步，人类对风能的认识不断深化，风力发电具有极大的潜力可 以部分满足剧增的全球能源需求。风电是目前成本最接近常规电力、发展前景最 大的可再生能源发电品种，受到世界各国的重视。我国的风力发电技术自20世 纪70年代起步，在大型风电机组的自主研发、风电机组及零部件的检错手段、 风电机组认证体系等方面都和世界先进国家还存在较大的差距，但是经过几个五 年计划的科技攻关，我国在风电机组整机及零部件制造技术、风电接入系统仿真 技术

21、、风电场选择及建设技术等方面都取得了长足的进步。我国为了推动并网风电的贸易化发展，2003年9月国家发改委明确提出我 国风电发展的规划目标：2005年全国风电装机容量达到100万千瓦，2010年全 国风电装机容量达到400万千瓦，2015年全国风电装机容量达到1000万千瓦， 2020年全国风电装机容量达到2000万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。这就 意味着在今后5年时间内，每年均匀装机容量需达到近60万千瓦，2010到2015 年，需达到近120万千瓦，2015到2020年，需达到近200万千瓦。可以预测， 中国即将成为世界风电发展最令人瞩目的国家之一。参考文献1田海姣，王铁龙，王颖。垂直轴风力发电机发展概述J。应用能源技术，2006, Ho2姚建刚，唐捷，李西泉，等.发电侧电力市场竞价交易模式的研究J.中国电机 工程学报，2004, 24(5)3杨志辉，刘有非，唐云，等.电力市场稳定性分析J.中国电机工程学报，2005, 25(2)： 1-5.