风能与风力发电（共7篇）
风能与风力发电 篇1
风能是一种可再生的清洁能源, 不仅对环境无污染, 而且对生态没有破坏作用。风力发电的迅速发展, 既减少了对石油、煤炭等化石能源的依赖和环境污染, 又能够创造就业岗位以及促进地区经济增长。风力发电是现代社会成熟的、效率最为显著的能源转换技术之一, 具有无可比拟的优势。
1 取之不尽、用之不竭的风力资源
风能是空气在流动的过程中所产生的能量, 确切地说, 风能来自于太阳能。太阳的辐射穿越地球的大气层到达地球表面, 因地表高低不平和各种差异导致照射受热不均, 地球表面各处的温度也不尽相同, 从而产生温差, 温差产生压力差, 风就这样形成了。自然界中的风能资源十分丰富且分布广泛, 对风能的开发、利用是解决能源危机的有效途径。据世界气象组织估计, 全球可利用的风能总资源大约为全部水能资源的10倍, 即200亿千瓦。我国国土面积的1/5具有相对丰富的风能资源, 据估算, 我国风能资源的经济可开发量约在10亿千瓦左右。
2 全球风电的发展状况
随着全球经济的快速发展, 对能源的需求也越来越大, 各国都在面对能源紧缺的压力, 原始能源的成本太高, 且对生态环境破坏极大, 因此风力发电越来越受到重视。近年来, 各国对风电的投资比重加大, 风电技术得到进一步完善与发展, 应用规模及所占发电行业的比例逐年增大。我国的风电事业增长较快, 基本保持每年翻一番的增速;美国也实现了快速发展, 风电装机总容量增长了1 130万千瓦, 同比增长25%;欧盟的装机容量达到1 182万千瓦, 同比增长23%。
3 风力发电的特点
风力发电从其动力资源、风电转换系统及其设备、系统运行特性到电功率输出、从技术到经济方面都不同于常规发电。与常规发电相比, 风电既有突出的优点, 又有明显的不足。
3.1 风力发电的优点
第一, 风能资源储量丰富。如加大对风能的开发与利用, 将来有可能取代火力发电, 并且可以满足部分或大部分对电力需求大的国家。
第二, 风能是可再生资源。目前, 地球上可利用的常规能源如煤炭、石油等日益匮乏, 若干年后就会枯竭, 但是风能却是可再生资源, 可以无限利用。
第三, 清洁无污染。与火力发电相比, 风力发电不产生二氧化碳等污染气体, 且降低全球的二氧化碳排放量, 使温室效应得到有效控制, 有利于全球生态环境的保护。
第四, 投资少, 回报快。一户可配套微型风电装置, 一村可兴建小型风电装置, 如果是大型的风电场, 可以由国家、集体或个体企业负责合股建造, 几年内即可收回成本。
第五, 施工周期短。安装一台就可以投产一台, 三个月就可以运输安装单台风力机, 一年内就可以建造10MW级的风电场。
3.2 风力发电的缺点
其一, 波动性和易变性。风速具有波动性和易变性, 并且难以准确地预测。因此, 风电机组的输出功率也具有不稳定性。
其二, 原动力不可控。风力发电是以自然风为前提, 而自然风的风速、风向等都不可控, 给风能的吸收和输出带来较大影响。
其三, 风能不能直接大量储存。电能储存技术尚不够完善, 必须及时使用, 大型风力发电机的输出电能更是无法存储, 必须与大电网相接, 并网运行, 只有那些小型的风力发电机可以采用蓄电池储电方式。
其四, 不宜安装在居民区。在风电机组运行时会产生机械噪声和电磁噪声, 在建造时要充分考虑是否与周围环境相协调等因素。
4 风力发电的趋势
A.风力发电机组的单机容量不断增加。风电机组的单机容量随着风力发电技术的发展而不断增加。目前, 国内风电市场的主流机型已经达到1.5~2MW级, 并且将来还会不断增大, 利用率也会相应地提高。
B.定桨距向变桨距发展。风能的稳定性较差, 在风速风向变化时叶片的攻角也会相应地发生变化, 机组的传动转矩产生震荡现象, 输出功率和发电效率产生明显波动, 这样会降低电能的质量并对电网的稳定性产生严重影响。近年来, 风力发电技术不断提高, 变桨距调节技术成为主流, 其叶片的安装角随着风速的随机变化而改变, 从而在可变的风速范围内有效地保持良好的空气动力学特性, 使风电机组的效率提高, 而且当风速大于额定风速时, 也可使其输出平稳的功率。
C.智能化控制技术的广泛应用。风电制造商和有关部门将智能化控制技术运用到风力发电中, 逐步实现了风电机组的最优运行和控制规律, 不断尝试减小疲劳载荷, 并且努力避免在极限载荷状态下运行风电机组, 实现将其与整机设计技术有效地结合起来, 这些技术将逐渐成为风电控制技术的首要发展方向。
D.直驱式和全功率变流技术得到迅速发展。为了更大限度地减少因齿轮箱的问题而对机组产生的影响, 无齿轮箱采用直驱方式, 这样不但提高了系统运行的可靠性和使用寿命, 而且维护成本也相对减少, 为进一步迈向市场奠定了坚实的基础。
摘要：本研究对风能资源以及风能的发展现状进行论述, 并介绍国内外风力发电的发展状况及未来的发展趋势, 详细分析了风力发电的优缺点, 并指出风能作为一种可再生的清洁能源和替代能源, 其发展前景十分广泛。
关键词：风力发电,风能,能源
风能与风力发电 篇2
很流行，我国也在西部地区大力提倡。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种特别好的发电方式风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。
1、2、火力发电的工作原理视频与讲解
水力发电的工作原理视频与讲解：水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水
三峡大坝 的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。科学家们以此水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等，精心搭配以达到 最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。
在河流高处建立水库提高蓄水位，在较低的下游
3、太阳能发电的工作原理视频与讲解：
光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。
4、柴油发动机的工作原理视频与讲解
5、汽车发动机的工作原理视频与讲解
6、新能源汽车的工作原理视频与讲解
7、火力发电与汽柴油对环境的污染，柴静的视频
8、我们要怎样才能环保：
1、走路
2、骑自行车
3、骑电动车、4、坐公交车
5、劝说父母出行少开私家车
6、做到随手关灯的好习惯
9、收集一下本人的工作范畴：讲解一下中国南车的业务范围：高铁、火车、风力发电、公交车并带一段视频
10、提问：哪个发电能源最环保：
11、电的来源：火力发电、风力发电、水力发电、核电、石油（柴油机）发电
12、水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且
13、水力：大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。
14、火电：火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧将排出二氧化碳和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境
核电：核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害；2011年3月11日13时46分，日本福岛发生9.0级地震，引发震惊国际的福岛核电站事故，造成核电站附近30公里成为无人区；方圆5公里的海洋资源将受到不同程度的影响或是海洋生物变异它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。使核能转变成热能。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。核反应堆
核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核燃料以实现大规模可核反应堆工作原理图
15、太阳能发电：太阳能照射的能量分布密度小，约100 W/m2；
年发电时数较低，平均1300 h；
不能连续发电，受季节、昼夜以及阴晴等气象状况影响大； 精准预测系统发电量比较困难；
光伏系统的造价还比较高，系统成本40000～60000元/kW。
16、风力发电：
17、风能为洁净的能量来源。内蒙古草原上的风力发电机
风能设施日趋进步，大量生产降低成本，在适当地点，风力发电成本已低于发电机。
风能设施多为不立体化设施，可保护陆地和生态。
风力发电是可再生能源，很环保
18、优点19、1.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染。
20、2.[2]。
21、3.核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途。
22、4.核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座1000百万瓦的核能电厂一年只需30公吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送。
23、5.核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法为稳定。
24、缺点25、1.核能电厂会产生高低阶放射性废料，或者是使福岛核电站用过之核燃料，虽然所占体积不大，但因具有放射线，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰。
26、2.核能发电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境裏，故核能电厂的热污染较严重。
27、3.核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高。
28、4.核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转。
29、5.兴建核电厂较易引发政治歧见纷争。
30、6.核电厂的反应器内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害。
31、缺点
风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类，如美国堪萨斯州的松鸡在风车出现之后已渐渐消失。目前的解决方案是离岸发电，离岸发电价格较高但效率也高。
在一些地区、风力发电的经济性不足：许多地区的风力有间歇性，更糟糕的情况是如台湾等地在电力需求较高的夏季及白日、是风力较少的时间；必须等待压缩空气等储能技术发展。
风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以生产比较多的能源。
进行风力发电时，风力发电机会发出庞大的噪音，所以要找一些空旷的地方来兴建。
风能与风力发电 篇3
可再生的绿色新能源开发是世界与我国最重要和急需解决的任务之一,风力发电是其中最接近实用和推广的一种,已引起人们极大关注。
风力涡轮机的输出功率是风速、转速和桨叶倾角的三维非线性函数。在桨叶倾角β固定为最小值条件下,输出功率P/PN与涡轮机转速n/nN和风速v的关系示于图1。从图1中看出,对应于每个特定的风速v,都有一个最大输出功率点,风速越高,最大值点对应的转速越高。如果能随风速变化改变转速,使得在所有风速下都工作于最大工作点,则发出电能最多,否则发电效能将降低,因此功率>1 MW的风电机组都采用变速发电,以期捕获最大风能。桨叶倾角β控制只在高风速时投入工作,用来限制最大功率输出和最高转速。
实现最大风能捕获任务的控制方法有两种:转速控制和功率控制。转速控制系统的给定量是从风速v和P/ PN =f(n/nN,v)曲线最大点算出的转速给定n*=f(v),反馈量是发电机实际转速n,通过控制使n跟随其给定n* 变化。功率控制系统的给定量是从发电机实际转速n和P/ PN =f(n/nN ,v)曲线最大点算出的功率给定P*=f(n)关系,反馈量是从输出电压和电流算出的风力发电实际输出功率P,通过控制使功率P跟随其给定P*变化。
转速控制较直接、好理解,特别容易被做过电动机调速的人们接受。前一段时间笔者看了许多有关最大风能捕获的研究报告和论文,其中不少都基于转速控制,有的还把如何改善调速性能作为研究目标。很遗憾,实际的最大风能捕获控制大多不用转速控制,而是采用功率控制,本文探讨其原因。第2节分析转速控制的问题,第3节介绍功率控制的工作原理,最后给出一个实际的双馈风力发电机的控制框图,供参考。
2 转速控制的问题
转速控制的核心是转速给定n*计算和转速调节器ASR,它的简化框图如图2所示。
从风速测量仪来的风速信号v,经n*计算环节,根据涡轮机特性算出其最佳转速值,作为调速系统的转速给定n*,送至转速调节器ASR的输入,它的反馈信号是发电机实际转速n,来自编码器。ASR的输出是发电机的转矩给定,电机在发电运行时其转矩方向与旋转方向相反,通常定义旋转方向为正,所以转矩给定应为负值,标以-T*G(T*G本身为正值),并设置ASR的正限幅=0,以防止电机进入电动状态,它的负限幅=-T*G max 。图2中的转矩控制块包含从转矩给定到电机转矩电流给定的计算及电流控制两部分,由于常用发电机有永磁同步机和双馈异步机两类,它们的控制框图不同,但都能实现转矩控制,所以图2用一个转矩控制块来简化。转矩控制块中还有无功电流给定的计算和控制,由于它与转速控制无关,所以也不画出。借助转矩控制块的控制作用,发电机实际转矩TG等于其给定T*G。TW是风力通过涡轮机产生的风动转矩,TW-TG是发电机G的加速转矩,它的转速为
式中:τG为涡轮机和发电机惯性时间常数。
风力涡轮机特性及风速从v3增至v2再降回v3过程如图3所示。该过程中各变量的波形如图4所示。
假设初始时,风速稳定于v3,位于图3中A1点。在t=t1时,风速快速增至v2,工作点由A1移到A2,转速给定n*和风动转矩TW相应快速增加。由于涡轮机和发电机惯性时间常数τG很大,实际转速n跟不上其给定变化,n<n*,调节器ASR输出向正方向移动,转矩给定T*G 数值减小。ASR通常釆用比例-积分(PI)调节,由于τG大,为减小超调ASR需设置较大的比例系数,它的输出很快达到正限幅值T*G= 0,实际转矩TG也降至0,相应发电机输出功率P也为0。在TW-TG的作用下,涡轮机和发电机以较大加速度加速,随n增大图3中的工作点沿v2曲线从A2向A3移动。到t=t2时,转速n=n*,工作点移动到A3,ASR输出退出正限幅向负移动,T*G和TG增至TG=TW,加速结束,处于新稳定工作点,功率P增至A3点的功率值(新风速下的最大功率值)。在工作点从A2向A3移动期间,风动功率在增加,但由于转速也在增加,功率等于转速×转矩,所以转矩TW变化不大,在图4中没画出它的变化。
在t=t3时,风速快速从v2降回v3,图3中的工作点由A3移到A4。t3～t4是降速过程,工作点沿v3曲线从A4向A1移动,各变量的变化情况与增速过程相反。在这期间ASR的输出增至负限幅,TG=TG.max,相应发电机输出功率P也增大,处于高位(P曲线顶部向下斜的原因是:P等于TG和n的乘积,这期间TG不变,而n在降低,所以P也随之减小)。
从图4看出:
1)在加减速期间功率P的变化与期望相反:风速加大时,人们期望随转速n增大P随之增加,而现在是在n增大期间P=0,损失的这部分能量变成了机械动能;风速降低时,人们期望随转速n减小P随之下降,而现在是在n减小期间P不降反升,多出来的这部分能量来自机械动能。只有在到达稳定点后,转速控制才能实现最大风能捕获要求。风速是一个极不稳定的变量,常以阵风形式出现,一会强一会弱,经常处于动态,很少有稳态,导致输出功率P不停的在零和大值间波动,对电网冲击大。
2)在加速和减速期间转矩TG分别为0和TG.max,由于风速极不稳定,导致机械不断的受到从零到最大值的转矩冲击,对机械结构危害甚大。
总之,转速控制放大了风速波动带来的功率和转矩冲击,对电网和机械的安全运行十分有害。
3 功率控制的工作原理
功率控制的核心是发电机功率给定P*计算和功率调节器APR,它的简化框图如图5所示,没有转速给定和转速调节器。
涡轮机特性及风速从v3增至v2再降回v3过程仍如图3所示。该过程中各变量的波形如图6所示。
连接图3中各风速下的最大功率点,得一条最大功率曲线P*=f(n),根据它和电机实际转速n来计算功率给定量P* (不涉及风速v),送至功率调节器APR的输入,它的反馈信号是拫据发电机三相电压和电流瞬时值算出的功率实际值P。APR的输出是发电机的转矩给定-T*G,随后的转矩控制块和发电机G块与转速控制(图2)相同。
初始时,风速稳定于v3,位于图3中A1点。在t=t1时,风速快速增至v2,工作点由A1移到A2,相应风动功率及转矩TW增至A2点的值。由于惯性时间常数τG大,电机转速来不及变化,n仍为A1点的值,因功率给定根据n计算,故功率和转矩给定及它们的实际值(P和TG) 也不变,仍维持A1点的值。这时TW>TG ,电机开始缓慢加速。随n上升,工作点沿V2曲线从A2向A3移动,功率给定P* 沿P*=f(n)曲线随之缓慢加大,经APR后转矩给定、功率P和转矩实际值TG也缓慢增加。到t=t2时,工作点移动到A3,功率P等于风动功率,转矩TG =TW,停止加速,稳定工作于A3点,这时功率P等于风速=v2时的最大功率值,从而实现最大风能捕获。
在t=t3时,风速快速从v2降回v3,图3中的工作点由A3移到A4。t3～t4是降速过程,工作点沿v3曲线从A4向A1移动,各变量的变化情况与增速过程相反。
从图6看出,借助于涡轮机和发电机的大惯性,在风速不断快速变化时,发电机的功率和转矩波动被缓和,对电网和机械的安全运行有利。这是大量实际系统采用功率控制的原因。
4 应用实例
为了帮助读者更详细的了解实际风电机组的最大风能捕获控制系统,在图7中给出德国SEG公司的双馈异步风力发电机控制系统框图,从图7中可以清楚看到它基于功率控制。
图7中:PG set,QG set,PG,QG为有功和无功功率给定及实际值。
5 结论
风电机组采用变速发电可以捕获更多风能。有两种最大风能捕获控制策略——转速控制和功率控制。风速是一个不断快速变化的信号,转速控制系统根据它来控制转速会放大发电机功率和转速冲击,对电网和机械的安全运行有害。功率控制系统根据电机实际转速来控制发电机功率,借助于机组的大惯性,能在风速不断快速变化时缓和功率和转矩波动,对电网和机械的安全运行有利。基于上述原因,大量实际系统都采用功率控制。
摘要：有两种最大风能捕获控制策略:转速控制和功率控制。转速控制较直接、好理解,容易被做过电动机调速的人们接受。但是,大量实际系统都采用功率控制。分析了转速控制的问题及介绍功率控制的工作原理。最后给出一个实用的双馈风力发电机的控制框图,供参考。
关键词：最大风能捕获,转速控制,功率控制,功率和转矩冲击
参考文献
风能与风力发电 篇4
开关磁阻发电机 (SRG) 具有结构简单、成本低、控制灵活、容错能力高等优良特性[1], 在风力发电领域显示出良好的发展前景[2]。
文献[3]研究了SRG风力发电系统最大风能追踪的控制策略, 通过仿真验证了在风速变动情况下通过控制发电机输出功率可以调节电磁转矩和转速, 追踪最大风能。文献[4]以非线性SRG仿真模型为基础, 采用转速反馈控制方式实现了任意风速下的最大风能追踪。文献[5-6]采用功率扰动法, 其中文献[6]提出了一种采用变步长的功率扰动法实现最大风能追踪, 但是扰动量的设计比较困难, 设计不当会影响系统的响应速度, 甚至产生振荡。
本研究设计一套SRG风力发电系统的实验平台, 利用直流电动机对风力机的输出特性进行模拟, 并且采用转速反馈方案对SRG发电系统进行最大风能跟踪 (Maximum Power Point Tracking, MPPT) 控制, 在实验室环境下实现SRG风力发电系统的MPPT控制。
1 SRG风力发电系统
SRG风力发电系统主要由风力机、SRG、功率变换器和控制电路4个部分构成, 在实验室条件下, 风力机采用直流电动机进行模拟, 其系统结构如图1所示。
1.1 SRG工作原理
SRG是风力发电系统中机电能量转换的核心环节, 其运行分为励磁和发电两个阶段, 通过控制绕组相电流可调节SRG的输出功率。
SRG发电运行典型相电流波形如图2所示。励磁阶段, 电源给电机绕组励磁, 绕组电流上升, 电能转换为磁场储能。发电阶段, 绕组相电流通过续流二极管向母线回馈能量, 机械能以磁场储能为媒介转换为电能输出。在母线电压u和电机角速度ω恒定情况下, SRG输出功率的大小与相电流在励磁、发电区域的幅值和宽度相关, 关断时刻励磁电流越大, 发电区间绕组相电流上升越多, 输出功率越大。
θon, θoff—励磁区间的导通角和关断角
1.2 风力机的特性
风力机作为捕捉风能并转化为机械能的关键部件, 有其自身的输出特性。根据贝兹理论, 风力机从风中捕获的Pm为[7,8]:
风力机输出机械转矩Tm为:
式中:ρ—空气密度;v—风速;S—风轮扫风面积;Cp—风力机的风能利用系数, 与桨距角β和叶尖速比λ有关;CT—风力机的转矩系数, CT=CP/λ。其中:叶尖速比λ=ωrR/v, ωr—叶片旋转角速度, R—风轮半径。
风力机在不同风速下的输出功率曲线如图3所示。
在桨距角β一定时, 存在最佳叶尖速度比λopt, 使得Cp达到极大值Cpmax, 此时风力机运行在最佳角速度ωopt, 输出此风速下的最大功率Pmax:
2 基于直流电机的风力机模拟
通过控制直流电机的电枢电流可直接控制其电磁转矩, 控制简单, 抗干扰能力强, 适用于小型风力机的模拟。
2.1 直流机的特性
直流电机的稳态数学模型为[9]:
式中:Ce—电动势常数;Ct—转矩常数;Ce=Ct;Φ—主磁通;Tde—电磁转矩;ωm—转子角速度;Ra—电枢电阻;ea—绕组反电势;udcm—电枢端电压。
若忽略各种损耗, 直流电机输出机械功率Pdo等于电磁功率Pe, 机械转矩Tdo等于电磁转矩Tde:
直流电动机运行特性曲线如图4所示。电枢端电压udcm对直流电动机输出功率的影响与风速v对风力机输出功率的作用相似, 因而改变udcm可以不同风速下风力机的输出功率/转矩特性。
2.2 风力机模拟控制
本研究采用转矩控制方案, 通过控制idcm可直接调节Tdo, 实现风力机转矩特性的模拟, 具有良好的动态性能。
采用转矩控制方案进行风力机特性模拟的控制框图如图5所示。具体过程如下:
(1) 根据模拟风速v、风力机角速度ωr和风力机的转矩特性计算出风力机的输出转矩Td。其中, ωr=ωm/Hn, Hn—齿轮变速箱的变比。
(2) 根据iref=Td/Ctφ计算出直流电机的电流参考值iref。
(3) 通过电流PI调节器控制IGBT导通的占空比, 从而调节直流电机的电流idcm, 控制转矩输出。
3 SRG最大风能追踪控制
为了获得最佳风能捕获效果, SRG发电系统需要在风速改变时调整风力机转速, 保持最佳叶尖速比, 使风力机工作在最佳功率曲线, 捕获相应风速下的最大风能, 实现最大风能追踪 (Maximum Power Point Tracking, MPPT) 。
目前风力发电系统中使用的MPPT控制方案主要分为风速跟踪控制、转速反馈控制、功率扰动控制3种。本研究采用转速反馈控制方案, 该方案利用风力机的转速检测代替风速检测, 只需要知道其叶尖比λ和风机的利用系数Cp, 即可保证风力机运行在最大功率点附近, 系统简单可靠, 适用于各类风力发电系统[10,11]。
基于转速反馈方案的最大风能追踪示意图如图6所示, 实线是不同风速下风力机输出功率特性曲线, 虚线是风力机的最佳功率曲线Pmax-ωr。以Pmax-ωr为界, 风力机的所有运行状态可以分为3个区域:Pmax左侧区域、Pmax区域和Pmax右侧区域。假设此时风速为v3, 风力机运行在左侧区的A点, 则其最大风能追踪过程如下:
(1) 根据风力机A点的角速度ωa和风力机最大输出功率计算公式 (4) , 得到最佳角速度为ωa的理论最大输出功率B点作为SRG发电系统的参考功率Pref。若忽略发电系统损耗, Pref小于SRG的发电功率Psrg。
(2) 通过对SRG发电系统进行闭环调节, 发电功率会减小至参考值Pref, 由于机械时间常数较大, 可认为在SRG的短暂调节过程中电机的角速度还未发生变化。
(3) 此时, SRG的发电功率Psrg=Pref=PB, 小于风力机A点的输出功率PA, 风力机的角速度会升高, 工作点沿着曲线AC向C点移动。SRG的参考功率也会相应增大, Pref沿着BC相C点移动。
(4) 直至风力机输出功率与SRG发电功率在C点达到平衡, 即Psrg=Pref=PC, 系统稳定工作在C点, 风力机输出风速v3下的最大功率。
而当风力机运行在右侧区, 如E点时, 其最大风能追踪过程同左侧区类似。
根据以上MPPT控制方案得到的SRG发电系统最大风能追踪的控制系统框如图7所示。
基于转速反馈的MPPT采用功率外环加电流内环的双环控制结构。根据位置传感器信号计算得到风力机的实际角速度ωr, 通过功率环中的MPPT模块得到此角速度下最大输出功率作为SRG功率参考值Pref。Pref与SRG实际发电功率Psrg的误差信号经过功率PI调节器得到SRG相电流考值iref, 其中Psrg是通过检测直流母线电压udc和电流idc, 相乘得到。电流内环采用带滞环的CCC控制, 计算电流参考值iref与三相电流采样值ia、ib、ic之间的误差ierr, 当ierr高出滞环宽度时, 功率管导通, 反之功率管关断。这样通过直接控制相电流的大小可以调节SRG输出功率和电磁转矩, 进而调节风力机和发电机的角速度, 跟踪最大风能。
4 实验
为了对上述控制系统进行验证, 本研究搭建了一套以TI公司的TMS320F2812为控制芯片的SRG风力发电系统实验平台, 包括基于直流电机的风力机模拟和SRG发电系统最大风能追踪两个模块, 主要实验设备参数。
该实验平台适用于1 k W级别的三相开关磁阻发电机风力发电实验测试。
4.1 风力机特性的模拟实验
本次实验模拟了v1、v2两种风速运行下的运行情况, v1
可以看出模拟系统的输出特性与风力机特性基本吻合, 模拟系统的输出功率会随不同风速而改变, 在同一风速下模拟系统的输出功率和转矩也随电机角速度变化而变化, 而且存在一个最佳的运行角速度wopt使得风力机的输出功率最大。
4.2 SRG发电系统的最大风能追踪实验
实验过程中, 本研究利用基于直流电动机的风力机模拟系统拖动发电机运行, SRG发电系统采用转速反馈控制方案, 通过功率闭环调节电机转矩和角速度以追踪最大风能。
SRG发电系统追踪最大风能的转速变化曲线如图9所示。原动机模拟风力机在风速v1、v2下的运行特性, 模拟数据如图9所示。当风速从v1变至v2时, 系统在MPPT作用下经过1.2 s重新追踪至最大功率点, 此时转速稳定在769 r/min。当风速从v2变至v1时, 系统经过1 s重新追踪至最大功率点, 此时转速稳定在723 r/min。可见在变风速条件下, SRG发电系统转速稳定在最佳转速4%范围内, 最大风能追踪精度较好, 符合设计目标。
5 结束语
本研究设计了一套完整的SRG风力发电系统实验平台, 原动机采用直流电动机模拟风力机在风速变化时的运行特性, 为SRG风力发电系统的控制研究创造了条件。在此基础上, 设计了SRG发电系统的最大风能追踪控制方案, 并通过实验验证了最大风能追踪的可行性, 为进一步深入研究SRG风力发电系统的控制技术提供了必要的基础。
本文引用格式:
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风能与风力发电 篇5
风能是一种清洁的可再生能源,风能资源储量丰富,中国每年可供开发的风能资源初步估算就有1 TW·h。发展风力发电可以有效缓解当今社会日益关注的能源和环境问题。目前使用鼠笼式异步发电机(SCIG)的风电场都是按照在50 Hz频率下的恒速恒频(CSCF)方式运行。这种方式的优点是:鲁棒、便宜、电气损耗小;缺点是齿轮箱变比大,气动效率低,当风速偏离额定风速时风能利用系数低[1,2,3]。文献[4]研究了SCIG的变速恒频(VSCF)运行方式,其定子通过矩阵变换器(MC)与电网连接,通过对MC的控制可以实现SCIG在不同风速下都运行在最优风能利用系数状态下;但其额定频率仍为50 Hz,齿轮箱变比大,降低了气动效率;机组较笨重,故障率高。
分频输电[5]技术是近年来提出的一种新型输电方式。其基本思想是水电机组转速很低,适合发出频率很低的电能;而输送频率很低的电能时,其线路阻抗与频率成比例下降,因此可大幅度提高线路的输送容量。将分频输电技术应用于风力发电中的分频风电系统具有以下显著优势:风力发电机组(包括风力机和发电机)转速很低,采用分频异步发电机,降低发电机频率可以简化增速齿轮箱结构和发电机形式,降低造价;风电机组转速可以根据风速变化,跟踪最优风能利用系数。文献[6]介绍了风电经分频装置接入系统,显示了分频输电技术在风力发电技术中的良好应用前景;若能计及风电场的尾流效应,将使得计算结果更加准确。
针对现状,本文将分频输电技术应用于风电的优点与异步风力发电技术相结合,并利用分频输电技术中交—交变频器低频侧输出频率可调的特点,提出了异步风力发电系统的一种新型运行方式——在分频频率下的变速变频(VSVF)方式以及该方式的最优控制方法。
1 异步风电系统结构
VSVF运行方式是将异步风电机群发出的分频电能汇集到汇流母线,通过交—交变频器将其变为频率50 Hz的电能接入电网。其结构如图1所示。
异步风电机群发出的分频电能可以通过频率变化来提高风能利用系数,并捕获最优风能。
1.1 风力机的风能吸收模型
风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备。按贝兹理论,风力机从风中吸收的功率为:
式中:ρ为空气密度;v为风速;S为风力机扫掠面积;Cp为风力机的风能利用系数,是叶尖速比λ和桨距角β的函数,λ=ωmR/v,ωm为风力机转速,R为风力机半径。
桨距角β=0时的风能利用系数表达式[7]为:
由式(2)可知,随着风速v的变化,只要确保尖速比λ维持在10.5,就可以使Cp取得最优值Cpmax。以上就是本文风能最优捕获的基本思路:在不同的风速v下,确保风力机转速满足ωm=10.5v/R。
1.2 异步发电机模型
在以转子磁链定向的磁通—转矩坐标系下,异步发电机模型可用如下方程表示:
式中:r1和r2分别为定子和转子电阻;Ls=l1σ+Lm,Lr=l2σ+Lm,l1σ和l2σ分别为定、转子漏感,Lm为互感;σ=1-L
若将式(3)中的ωs
由式(5)可知,在转子磁链Ψr定向且Ψr为常数的条件下,通过调整定子侧电压uM1和uT1,可实现对Ψr和TE的解耦控制。控制Ψr,可使其满足Ψr为常数的条件;控制TE,由式(4)可知,可实现对异步发电机转速ωr的控制。ωr和风力机转速ωm是线性关系,有ωr=Nωm,N为齿轮箱变比。
2 VSVF异步风电系统控制方式
根据风力机的风能吸收特性,提出了如下控制策略:将按照转子磁链定向的矢量控制技术[8]应用于异步风力发电机的转子转速控制,控制异步风力发电机的转速满足最大风能捕获的最优转速。根据式(5)可得VSVF异步风电系统最优风能捕获控制策略的逻辑流程如图2所示。
图2所示的逻辑过程如下:在任意时刻,测量并计算异步发电机的ωr,Ψr,TE;根据风速计算ωr.ref。将上述4项值送入控制器,分别通过AΨR,ASR,ATR进行调节。其中AΨR通过比较Ψr.ref与Ψr,并对其差值进行PI调节,输出端电压磁链分量指令值U*M;ASR通过比较ω*r 与ωr,并对其差值进行PI调节,输出电磁转矩指令值T*E;ATR通过比较T*E 与TE,并对其差值进行PI调节,输出端电压的转矩分量指令值U*T。U*M 和U*T 通过坐标变换为U*a,U*b,U*c,从控制器输出到交—交变频器。
本文采用余弦交点法[9]来控制交—交变频器,可使其输出到异步发电机的三相电压Ua,Ub,Uc 瞬时值接近指令值U*a,U*b,U*c。
3 考虑尾流效应对运行的影响
美国加州风电场的运行经验表明,尾流造成损失的典型值是10%;根据地形地貌、机组间的距离和风的湍流强度不同,尾流损失最小是2%,最大可达30%[10]。因此需要考虑尾流效应的影响。
3.1 尾流模型
在风电场中,风电机组排列在不同位置上,由于尾流效应影响,每台风电机组受到的风速不同。本文仅考虑平坦地形尾流模型[11,12]。设X为沿风速方向离开风电机组的距离,则位于X处的风速为:
式中:Rr为风电机组的转子半径;v0和vX分别为吹向风电机组的风速(自然风速)和X处吹离风电机组的风速;CT为风电机组的推力系数;k为尾流下降系数。
3.2 尾流对风能利用系数的影响
在异步风力发电系统VSVF运行方式下,整个风电场发出的变频电能通过一台共同的交—交变频器接入工频系统;本文中的最优转速跟踪是以风电场中的第1排风电机组为控制对象。因此,在额定风速下,第1排风电机组的转速可以通过矢量控制技术确保运行于最优转速;由于尾流效应的影响,后排风电机组受到的风速小于第1排的风速,其运行环境不同于第1排风电机组。图3介绍了在对第1排风电机组实现最优转速控制的同时,后排风电机组在尾流效应的影响下,其实际转速及实际风能利用系数的情况。
由于尾流效应的影响,v2=(1-d)v1(d为风速下降系数),v2<v1,因此第2排风电机组所受到的风能小于第1排受到的风能;但2排风电机组的定子频率相同,都为fv1。根据异步电机的特性,相同定子频率下,第2排风机吸收的风能小于第1排,因此,第2排的转子转速ωrv2小于ωrv1;同时,2排风电机组均处于发电状态,可得ωrv2>fv1。根据式(2)可得出c点对应的风能利用系数Cpc范围在0.441 2与0.440 5之间,因此,在按照本文对第1排风电机组的最优转速控制策略的控制下,第2排风电机组的风能利用系数处于“次最优值”,所获得的最大风能效果仍较理想。
4 仿真结果对比与分析
下文以使用异步发电机的风电场在VSVF方式下运行为例,对上文所述的控制方法以及尾流效应的影响进行了计算分析,并与其在CSCF方式下的运行进行了比较。
风电场有24台风电机组,排列成3行8列。每台风电机组参数相同。在平行于风速的方向上,相邻2台风电机组之间的轴向距离为10倍的风力机叶片直径。
商用SCIG在低转速区效率不高,本文所用的SCIG进行了适合低速运行的优化设计,其参数为:额定容量1.5 MW,额定线电压0.69 kV,额定频率16.7 Hz;转动惯量J=3 s;极对数为2;定子电阻r1和转子电阻r2分别为0.005 4和0.006 07;定子漏感l1σ和转子漏感l2σ分别为0.102和0.11,互感lm=4.362,以上阻抗值都是标幺值。无功补偿电容按照额定风速时风电场出力的30%进行补偿。风机参数为:风机半径R=29.7 m,塔高65 m,空气密度1.225 kg/m3。风力机和异步发电机之间的增速齿轮箱变比N=11.755。
本文采用仿真软件PSCAD/EMTDC[13]进行计算。为了精确描述风速随机性和间歇性的特点,通常用基本风、阵风、渐变风和随机风4种成分的风速来模拟[14]。其中基本风、阵风、渐变风的风速分别为8 m/s,2 m/s,2 m/s;阵风持续时间为25 s～55 s,渐变风持续时间为25 s～35 s或55 s～75 s; 随机风表面粗糙度0.004,扰动范围600 m。
图4所示为风电场风速、转速及输出频率图。图4(a)中,Vwind为模拟的自然风速;Vwind_2和Vwind_3为根据尾流效应计算得出的经过第2排和第3排的风速;Vn为风力机的额定风速。自然风速的方向垂直于每排风力机,并且和每列平行。所以,吹过每排风力机的风速相同;后排风力机受到的风速要低于前排风速,经计算得到风速下降系数d=0.974 1。图4(b)中Wr_set是风速为Vwind时对应的异步发电机转子转速的最优值,Wr_set=10.5Nv/Rr;Wr为第1排异步发电机转子转速的实际值;根据仿真结果,Wr与Wr_set之间误差在-0.387 rad～0.787 rad之间。图4(c)中,f为VSVF风电场的机端发出频率,当风速在额定风速以下时,其变化趋势与自然风速Vwind一致。
图5是不同风速下风电场中3排风力机风能利用系数的比较。
图5中,Cp_1_vsvf,Cp_2_vsvf和Cp_3_vsvf分别为3排风力机风能利用系数;参照图4(a)中自然风速和额定风速的比较关系可知:在额定风速以下,Cp_1_vsvf>Cp_2_vsvf>Cp_3_vsvf。这是由于尾流效应的影响以及最优化转速跟踪是以第1排风力发电机的转子转速为控制目标,所以第1排的转速处于最优转速时,第2排、第3排运转在次优转速;第1排的风能利用系数最优时,第2排和第3排的是次优。在额定风速以上,第1排风力机的风能利用系数从最优值0.441 2下降,而第2排和第3排则先从次优值上升到最优值0.441 2,然后再下降。这是因为在额定风速以上,定子频率f固定,第2排、第3排异步发电机组的转子转速将从次优转速上升,一直到最优转速,此时,异步发电机发出额定功率。
图6所示为相同风电场在相同风速条件下,在CSCF和VSVF运行方式下3排风力机的风能利用系数比较。
由图6可知,额定风速以下,风速偏离额定风速越大,CSCF方式下风能利用系数就越低,而VSVF方式下则维持在最优或次优值。图7是2种方式下风电场的风能利用系数及其捕获的风能。
图7(a)中的Cp_vsvf和Cp_cscf是2种运行方式下3排风力机的综合风能利用系数。以Cp_vsvf为例:
式中:Cp_ij_vsvf为位置在i排j列风力机的风能利用系数;Pij为吹向i排j列风力机的风具有的风能。
图7(b)中的Pvsvf和Pcscf是2种方式下风力机从风中捕获的风能。由图7(a)可知,额定风速以下,对应不同风速,Cp_vsvf比Cp_cscf提高幅度为0～290%,其中,风速偏离额定风速越远,提高幅度越大;由图7(b)可知,对应于不同风速,Pvsvf比Pcscf提高的最大值为6.4 MW,这一值占到了风电场36 MW额定容量的17.78%。
5 结语
在考虑尾流效应的条件下,应用PSCAD/EMTDC建立了异步风电系统的动态仿真模型,并提出了在低频频率下以转子磁链定向的矢量控制技术应用于异步风力发电机转子转速的控制策略。在相同的风速条件和尾流效应的影响下,对异步风电系统在CSCF和VSVF这2种不同运行方式下,风电机组的风能利用系数和风能捕获性能进行了对比仿真研究。仿真结果表明,在额定风速以下,VSVF方式通过控制风电机组的转速,使其在不同风速下都能获得最佳风能利用系数,实现最优风能捕获;与CSCF方式相比具有更优的风能捕获特性。
浅析风能发电的现状与发展趋势 篇6
关键词：风能发电,研究方向,企业对策
21世纪是可再生能源的世纪, 由于风能非常丰富、价格非常便宜、能源不会枯竭, 又可以在很大范围内取得、非常干净、没有污染, 不会对气候造成影响。风电一直是世界上增长最快的能源, 在过去10年间, 世界风能发电厂以每年30%的增长速度在发展。由于风力发电开发方面有明显优势, 因此世界各国都争相投资、研究和开发新型风力发电设备。
一、国外风能发电产业现状
近30年来, 国际上在风能的利用方面, 无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风能发电技术日臻完善, 风能发电机单机额定功率最大已经到5MW, 叶轮直径达到126m。
今天, 欧洲的风电已经能够满足4000万人生活的需要。欧洲风能协会预计2020年欧洲会有近两亿人完全使用风电, 占欧洲人口的一半。德国的风电设备制造业已经取代了汽车制造业和造船业, 成为德国第一大钢材用户, 近日德国制定了一个新的风电发展长远规划, 设定到2025年风电至少占总用量的25%, 到2050年占总用量的50%。丹麦已经成功地用风电来满足国内的电力需求, 过去一直提倡核能运用的法国, 也开始制定长远规划来发展风能发电。
二、国内风能发电的现状
在国内, 长期以来, 人们以风电电价高于人电电价为由, 一直忽视风电作为清洁能源对于能源短缺和环境保护的意义, 忽视了风电作为一项高新技术的巨大产业前景, 更忽视了对于促进边远地区经济发展所能带来的巨大作用。
在政策上, 一是缺乏风电发展目标和可实行的战略规划;二是缺乏有效的经济激励政策和强有力的体制保障;三是缺乏鼓励风机国产化的政策措施;四是缺乏有效的投融资体制;五是中国的电网公司垄断性很强, 缺乏政府指导下的风电采购政策, 民营企业投资的“风电上网”还存在体制性障碍;六是缺乏强有力的宣传, 公众对可再生资源的认识不足。
其次, 在技术上, 一是目前还没有中国风力资源的全面监测分析报告, 大规模商业化风力发电缺乏科学性风场评估的可行性论证支持;二是风力资源发电时段比较集中, 存在风电的不稳定性对电网的冲击, 解决电力峰谷巨大落差还是难题;三是中国风力资源主要集中在内蒙古、西北地区, 以及沿海等地区, 存在风电和电网的连接以及储能问题, 大量风电输送到电力需求企业面临困难;四是季风气候对风力发电上存在影响;五是我国风机设备制造水平较低, 已经成为国际主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于研制阶段, 大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。
根据国家气象科学院的估算, 我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿k W, 实际可开发量为2.53亿k W海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。内蒙古实际可开发量0.618亿k W, 西藏实际可开发量0.408亿k W, 新疆实际可开发量0.343亿k W, 青海实际可开发量0.242亿k W, 黑龙江实际可开发量0.172亿k W。
目前, 中国除台湾省外累计风电机组1864台, 装机容量126.6万k W, 风电场62个。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制;1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制;1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化;1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化;近海风电场建设关键技术的研究;近海风电机组安装及维护专用设备的研制;大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。“十一五”末, 我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。
三、我国风能发电的发展趋势及企业对策
风能发电的发展趋势, 一是风电电价快速下降, 巳日趋接近燃煤发电成本, 经济效益凸现。二是建设工期短, 见效快, 火电、水电的建设工期需要用年来计算, 而在有风场数据的前提下, 风电项目只需要以周、月来计算。三是遏制温室效应发展, 大力发展风能可以大幅度削减造成温室效应的二氧化碳, 缓解气候变暖的状况, 能够有效地遏制沙尘暴灾害, 抑制荒漠化的发展。四是边远农村独立供电, 开发风力发电这样的分散供电系统, 可以较好地满足这些地区发展对能源的要求。五是风场也成旅游项目, 风电场还能带动当地经济发展, 比如内蒙古风电场虽然不大, 但场面很壮观, 已发展成为旅游区。
在国内, 企业要积极跟进世界先进技术, 不断推进技术进步, 降低成本, 建立高效的销售体系, 在质量、价格和服务方面形成自己的核心竞争力, 在技术、研发、管理及生产效率上达到一流水平。加快研发技术转化和应用, 抓住市场的真正需求, 快速将适销对路的新技术产品投放市场, 才能使公司有更快的发展。不断以创新技术和创新产品来满足日新月异的市场变化需求。建立和完善企业人才引进、使用、报酬等制度, 尤其要高度重视研发团队的培养和企业科技能力建设。在各个环节上制定严密有效的事先防范和事后防范措施, 建立完善的企业风险管理流程和预警处理机制, 及时有效地转移、降低或化解风险。
综上所述, 随着我国市场经济体制的不断深入、风能发电产业法律法规的不断完善, 将面临更加激烈的国际竞争市场, 风能发电企业只有制定和实施正确的发展策略及目标, 及时调整产品结构、优化资源配置, 推动企业的产品创新, 提高企业的市场竞争力, 才能在未来的风能发电市场竞争中占据主动地位, 获得长足发展。
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风能与风力发电 篇7
随着全球经济的不断发展, 人类对能源的需求量在急剧地增加。与此同时, 全球范围内常规能源供应持续紧张, 环境污染问题日益突出, 这些因素促使世界各国大力发展新能源。在众多新能源中, 风电脱颖而出, 发展迅猛。截止2012年底, 风电全球累计装机容量达到282.5 GW, 增长幅度为20%, 在新能源发电中位居第一[1]。
风力发电发展迅速、前景乐观, 但是风力发电受到风力大小和方向的影响, 表现出很大的随机性和间歇性, 电网内必须配备更多的旋转备用容量, 相应经济上会有所损失。为了能够消除由于大规模开发风电所带来的对电网稳定性不良的影响, 国内外提出了多种能源互补系统, 如风电-太阳能发电互补系统[2,3], 风电-水电互补系统[4,5], 风电-燃气轮机发电互补系统[6,7]等。风电与其他能源形成各种发电系统可广泛应用于生产生活中, 实现低碳、节能的理念。
世界各国和地区因其风能资源状况、政府政策的不同, 以及风电技术发展程度的差异, 使得风电与其它能源互补系统呈现多元化发展趋势。本文主要针对新疆、内蒙古、美国和欧洲的风能与其他能源互补发电系统的工程案例进行总结, 为解决风能互补发电系统的工程问题提供参考和借鉴。
2 国内风能与其他能源互补发电系统案例
我国在风能发展方面起步较晚, 但近年来受国家政策支持, 发展迅速。目前我国风能与其他能源互补发电系统主要以离网型用户和示范工程为主。下面以新疆和内蒙古两地风能互补发电系统工程为例介绍我国在风电互补领域取得的成绩。
2.1 新疆风能与其他能源互补发电系统
新疆的风能资源非常丰富, 在全疆范围内有9大风区, 风能蕴藏量达9 100亿k W·h/年, 具备大规模开发的资源条件[7]。但目前新疆风能的发展遭遇到了风电场出力波动瓶颈, 亟待风能互补系统的支撑和保障。
2.1.1 风能-太阳能互补发电系统
根据国家气象局的分类, 新疆地处太阳能资源丰富的二类地区。全年日照时数为3 000~3 200h。在每平方米面积上一年内接受的太阳能辐射总量为5 852~6680 MJ, 相当于200~225 kg标准煤燃烧后发出的热量[8]。考虑到太阳能和风能在时间上有着很好的互补性, 将风力发电装置和光伏发电装置组合成风光复合发电系统, 为路灯等用电装置提供能源。实践证明风能-太阳能互补发电系统在资源配置、技术方案和性能价格等方面都是较为合理的电源系统[9]。
目前, 风能-太阳能互补发电系统主要应用于小型发电设备。2011年, 新疆农垦科学院机械装备研究生引进上海法诺格风能科技有限公司一套1k W小型风光互补发电系统和一套300W风光互补路灯系统, 进行试验示范。1k W风光互补发电系统安装在新疆农垦科学院办公室, 给LED显示屏和控制电脑供电;300W风光互补路灯系统安装在兵团六师共青团农场, 用于泵站照明。该系统的发电机采用了“超越离合器叶轮风力机技术”, 能够在1.8 m/s的2级轻风下启动, 并可在3~5m/s的3级微风下实现持续发电。经试验验证, 引进1k W和300 W微风发电机组工作可靠、性能稳定, 能够实现“轻风启动, 微风发电”, 风能利用率较高[10]。此外, 风能-太阳能互补发电系统对于地处边远无法进行市电供电的通信和采油基地站点来说无疑是一个可行而较为可靠的供电方案[11,12]。
由于风光互补发电系统的相关产品效率相对较低, 缺乏足够的市场竞争力, 仍作为补充能源应用于偏远地区[13]。但风光互补系统优越性明显[14], 到21世纪中叶, 该系统发电形式将在能源的消费结构中占有相当大的份额, 具有十分广阔的发展前景。
2.1.2 风能-水能互补发电系统
阿勒泰地区是新疆水利资源丰富地区之一。全地区6条大河水能理论蕴藏量为452万k W, 近期可开发103万k W, 目前已建成大小电站十余座, 总装机5.29万k W, 占近期开发容量的5.1%。受气候条件影响, 水利资源的季节性十分明显, 冬夏季流量相差较大。同时, 该区西部额尔齐斯河谷是新疆九大风区之一, 风能理论蕴藏量为780亿k W时/年, 估算可装风机750万k W, 年发电量210亿k W时, 约相当目前全地区总发电量的100倍。该区风资源具有冬春季大, 夏秋季小的明显季节变化特点。每年10月到来年4月的枯水期, 风能可提供可观的能源供给。这表明在该地区只要以适当比例的水能和风能组合成互补系统, 并由足够水库容量为储能水段, 就可以实现稳定、可靠的电力供应。
于午铭[15]等人通过分析在布尔津县记录的风电机组并联运行的有关数据及曲线, 发现即使风电容量超过电网容量50%的情况下, 对小电网而言, 风能-水能互补系统仍具有静态及动态稳定性。计算表明:当该地区风电装机达到2万k W, 并且实现水能-风能统一调度时, 整个冬季的保证稳定出力可达3.4万k W (未计入火电, 下同) ;如果风电装机达到5万k W, 则冬春季保证出力可达5.8万k W;夏秋季仅靠水电可满足系统用电需要。由此可见, 在阿勒泰地区构建风能-水能互补系统, 技术上可靠合理。此外, 晁勤[4]等人还应用高级计算机语言编制的程序对布尔津县风电水电联网系统进行了潮流计算, 进一步确认了方案的正确性及可行性。
2.1.3 风能-燃气轮机互补发电系统
达坂城作为新疆九大风区之一, 在现代风力发电机最常用的48~78 m高程处, 年平均风速可以达到7.8m/s和8.4 m/s, 有效风功率密度大于800 W/m2, 年可利用小时数7 600 h[16]。
包能胜等人对达坂城风能-燃气轮机互补发电系统做了较为完整的分析评估, 包括系统发电特性分析[6]、发电成本分析[17]和系统结构与容量配比分析[18]。包能胜等人详细分析了采用大型风电场与燃气轮机组成的互补发电系统的总电力输出特性, 并基于互补发电系统的基本原理, 推导了互补系统发电特性参数的计算公式。此外, 基于当前的技术条件和价格, 包能胜等人还计算了风电场子系统和燃气轮机电站子系统各自的折旧成本、燃料成本和运行维护成本, 得到了整个发电系统发电成本的计算方法, 为在新疆地区实现这种互补发电系统提供了经济基础。最后, 为了使得整个互补系统输出一个稳定的处理, 彻底解决由于来流风速的随机性和波动性, 包能胜等人建议总装机容量为120MW的风电场配置2台40 MW的燃气轮机来补偿风电场负荷的波动是比较合适的方案。
丰富的天然气资源、丰富的风能资源、本地企业良好的风电国产化机组使得风电和燃气轮机组合成的互补发电系统在当前新疆大规模开发风能中是一种比较好的选择方案。
2.2 内蒙古风能与其他能源互补发电系统
内蒙古自治区地域辽阔, 风能资源丰富。全区风能总储量1.052TW, 技术可开发量约300GW, 约占全国风能资源储量的40%, 居全国首位。全区年平均风速3.2m/s, 年平均风能功率密度100~200 W/m2, 年平均可利用小时数约4 000~7 800h, 年最长连续无有效风速小时数小于100 h。内蒙古自治区可开发的大型风电场主要集中在风能资源丰富区和较丰富区, 主要分布在阿拉善盟、巴彦淖尔市、包头市、乌兰察布市、锡林郭勒盟以及赤峰市北部等地区, 平均风速5.0~6.5 m/s, 开发总面积约500 900 km2, 风能资源总储量700 GW, 适合开发建设百万k W风电基地[19]。
2.2.1 风能-太阳能互补发电系统
内蒙古不仅有储量巨大的风力资源, 太阳能资源也很丰富。内蒙古海拔较高, 日照充足, 干旱少云, 光辐射强, 日照时数也较多。辐射量为每平方米4 800~6 400MJ, 年日照时数为2 600~3 200小时, 是全国的高值地区之一。全区年总辐射量在每平方米5 500 MJ以上的太阳能丰富地区和年总辐射量在每平方米5 000~5500 MJ之间的太阳能较丰富地区所占面积为72万km2, 约占全区总面积的61%。丰富的太阳能资源造就了内蒙古风能-太阳能互补发电系统的迅猛发展。
佟小林[20]等人选择全区1991~2006年辐射资料和1977~2006年风资料进行分析, 将风能资源分为春夏强冬秋弱型、春季强夏秋冬弱型、春季强夏季弱型、春季强冬季弱型和冬季强夏季弱型。从互补性强弱来看, 冬强夏弱型为互补性最强;春强夏弱型较强;春季强夏秋冬弱型互补性一般;春季强夏季弱型较差;春强冬弱型无互补性。与新疆相似, 目前内蒙古风光互补发电系统主要应用于小型发电装置, 苏尼特右旗安装的一套离网型户用风光互补系统匹配性能良好, 设计合理[21,22,23];鄂尔多斯新能源产业示范区和发电产业区建立了风电、光伏发电容量配置比例为5∶1的并网型风光互补系统[24];锡林郭勒盟在农牧区推广移动式风光互补系统, 发电效率高、结构简单、携带方便, 是较为理想的小功率发电设备[25,26];包头市垃圾填埋场将风光互补发电系统运用用户照明用电上, 节能环保[27];阿拉善盟利用了风光互补发电系统为通信基站供电, 建设过程中结合了太阳能、风能设计、施工和使用过程的经验, 快捷便利[28,29]。除了上述的小型风光互补系统外, 二连浩特计划完成一项城市供电示范项目, 赵毅峰[30]等人对该项目工程建设条件、工程建设方案、环境影响及保护、财务和社会效益等方面进行分析, 为公司的投资提供建议。
风光互补发电系统的很重要的一点就是要保证用户的用电稳定性, 同时又不能使发电成本过高。白学敏[31]等人针对白云鄂博地区的资源状态和当地典型牧户的用电需求进行了用电负荷计算, 并进行了风能和太阳能发电量以及蓄电池容量的匹配计算, 为合理优化清洁能源发电提供参考依据。李文慧[32]等人也提出了用户的用电负荷情况需和资源条件进行系统容量配置的观点, 并归纳了收集数据、调查负荷状况的特征、确定供电份额、计算蓄电池容量、确定系统结构和编制投资预算及发电成本等风光互补发电系统优化设计步骤。
风光互补发电系统的应用前景广阔, 经过世界各国多年的实践经验证明风光互补的应用方向, 不应以联网发电为主, 而是以民用为主, 比如照明、家庭、工厂、大厦的独立电影, 其中照明将是风光互补发电系统在未来城市、乡村道路照明系统应用的发展方向。
2.2.2 风能-抽水蓄能互补发电系统
新疆巴彦淖尔地区水资源丰富。地表水来源于内陆河水系和过境水系。内陆河水系分布在阴山以北地区, 多属季节性河流, 流域面积3.1万km2, 多年平均径流量1.1亿m3。过境水系主要是黄河水, 年均过境流量316亿m3[19]。
抽水蓄能电站就是为了解决电网负荷高峰和低谷时的供需矛盾而产生的一种储能方法, 其效益包括静态经济效益和动态经济效益。风能-抽水储能互补发电系统可以平滑风电场输出的有功功率, 有利于整个电网系统安全稳定运行。在国外已有较为成熟的风电-抽水蓄能电站联合运行经验, 抽水蓄能电站长期被认为是风电联合配套运行的理想装置。
3 国外风能与其他能源互补发电系统案例
目前国内除了风光互补系统的应用相对成熟外, 其余的系统仍处于研发阶段, 而一些发达国家在理论研究和工程实践上都取得了阶段性成果, 例如2013年日本将在日本海海岸建成第一座风能-潮流能互补发电系统[33], 美国学者设计出了一款名为HYPORA的软件用于计算互补系统的能源配置、发电成本等[34]。下面以美国和欧洲两地风能互补发电系统工程为例介绍国外在风电互补领域取得的进展。
3.1 美国风能与其他能源互补发电系统
美国中部地区, 地处广袤的北美大草原, 地势平坦开阔, 其年平均风速均在7 m/s以上, 风资源蕴藏量巨大, 开发价值很大。美国十分重视风能的开发利用, 每个州均有一个运行的风能发电项目或者与风能相关的制造工厂[35]。目前美国已经完成了约900个风电项目, 装机容量达到60 000 MW, 能够满足1 000万户家庭的生活用电需求[36]。
3.1.1 风能-太阳能互补发电系统
2012年, 美国德克萨斯州的风能已经占到了其发电总量的7.4%, 不可避免的出现了电网负荷调节困难的问题。潘汉德尔作为该州风电比重最大的地区, 尤其需要考虑通过多种能源的互补来实现风电的平稳出力。由于该地区太阳能资源也较为丰富, 所以风能-太阳能互补发电系统成为了首选方案。
针对潘汉德尔现有的风电厂运行状况, Brian[37]等人通过经济性分析发现67 MW风电场配置33 MW光伏电场是最优的实施方案, 但实际上该系统1 MWh的发电成本为108~129美元 (不考虑补贴) , 远高于只配置风电场时的64美元。该系统在2004年运行期间, 借助于光伏电场6h的热能储存很好的保证了电网负荷的稳定, 在一定程度上弥补了两种发电方式的差价。由于Brian等人在计算生产成本时并未考虑政府补贴, 所以实际所需的发电成本更低, 这也是风能-太阳能互补系统能够大力推广的必要条件之一。此外, Reichling[38]等人通过对一座位于明尼苏达地区的风光互补发电厂的运行状况进行建模, 发现目前风光互补发电系统相对于单纯的风电厂并没有价格优势, 但随着两种发电技术的不断耦合和完善, 不久后风光互补发电系统的发电成本有可能低于风电厂。
3.1.2 风能-柴油机互补发电系统
2008年, 阿拉斯加州议会通过了一项在偏远地区大力发展风能-柴油机互补发电系统的议案, 至2013年12月, 超过34亿美元的资金将用于该州30个乡镇风能互补发电系统的建设。为了保证建设方案的正常执行, Ginny[39]等人分析了技术、社会、资金等因素对该议案实施的影响效果, 最终发现技术是决定该议案能否达到预期目标的最主要因素。
3.1.3 风能-潮汐能互补发电系统
美国加利福尼亚州北部具有丰富的潮汐能[40], 潮汐发电作为该地的特色发电项目已形成一定规模。Eric[41]等人以国家浮标数据中心提供的风力和潮汐测量数据为基础建立了风能-潮汐能互补发电系统运行模型。通过分析模型, Eric等人发现两种能源均具有可观的利用价值, 其中风力发电能够为电网提供30%~50%的电量, 而潮汐发电量也占到了22%~29%。如果将风能与潮汐能互补, 则该系统全年仅有100 h无电输出, 远低于单独采用风力发电的1 000h和单独采用潮汐发电的200 h, 可见两种能源具有很好的互补性。
3.2 欧洲风能与其他能源互补发电系统
欧洲是世界风能利用最发达的地区, 其风资源非常丰富。欧洲沿海地区风资源最为丰富, 主要包括英国和冰岛沿海、西班牙、法国、德国和挪威的大西洋沿海, 以及波罗的海沿海地区, 其年平均风速可达9 m/s以上。整个欧洲大陆, 除了伊比利亚半岛中部、意大利北部、罗马尼亚和保加利亚等部分东南欧地区以及土耳其地区以外 (该区域风速较小, 在4~6 m/s以下) , 其他大部分地区的风速都较大, 基本在6~7 m/s以上[42]。
3.2.1 风能-太阳能互补发电系统
Corsica是法国最大岛屿, 据统计, 该岛太阳日均辐射能为4.5 k W·h/m2, 平均风速为3 m/s以上。Diaf[43]等人对该岛5个地区的多种风光互补系统的建设方案进行对比分析, 发现项目所需经费很大程度上取决于当地的能源品质, 而装机容量比例需重点考虑有效风能总量。Diaf等人还发现如果增加系统中互补能源的种类, 例如添加传统的发电机都能有效的减少能源超负荷的现象。
西班牙Extremadura大学的工业工程学院外装有由一台Rutland-913风力发电机和两块Helio H-45太阳能板组成的风光互补发电系统。Calderón[44]等人测量了该互补系统在运行过程中的太阳辐射和风速大小, 并进行了能量守恒分析, 发现该系统风能转换为电能的效率为9.71%, 而太阳能的转换率仅为2.24%, 所以通常情况下风光互补发电系统中风能的容量比例大些。
3.2.2 风能-燃气轮机互补发电系统
风电场在欧洲国家的兴起使得采用燃气轮机作为大型风电场的互补成为现实。据报道, 2004年6月, E-clipse Energy宣布将在英国英格兰郡Cumbria距离Walney岛以西10 km的海上风气互补项目 (Wind and Gas To Wire) -Ormonde项目。项目已经开始工程设计和建设阶段。项目已经开始工程设计和建设阶段。项目总装机容量210 MW, 其中风力发电装机108 MW, 由30台3.6 MW风力机组成。燃气轮机93 MW, 由3台31 MW的燃气轮机组成, 总投资估计1.6亿英镑。从国外的项目上看, 风力发电的容量与燃气轮机的容量比例大约是3∶2, 也就是风力发电占59%的容量, 燃气轮机占41%的容量, 并且项目中的燃气轮机都由功率为40 MW左右的小型燃气轮机组成, 这样的容量比例方法肯定是开发商依据当地的风能资源分布优化的结果[45]。
3.2.3 风能-氢能互补发电系统
2008年, 西班牙风能发电量超过水能, 达到27 000GW·h, 已经能够满足全国10%以上的电力需求, 但风能利用的不可调性表现得更为明显, 严重影响了电网的稳定运行。Martín[46]等人研究了一个装机容量为48.8MW的风电场, 其多余的18.4%电量被用于电解槽产氢, 每年约产生13 GW·h的氢能。通过技术性和经济性分析, Martín等人发现虽然现有的互补系统能够带来一定的经济效益, 但系统的进一步推广仍需依赖于氢气生产技术的不断进步和完善。此外, Tao Zhou[47]等人对氢气产生过程进行模拟时通过引入流量、压力等控制器解决了电解槽运行参数控制问题, 保证了风能与氢能互补发电系统高效产氢, 为该系统的工程应用提供了可能。
3.2.4 风能-生物能互补发电系统
Navarro[48]等人通过对工程测量数据进行模拟尝试为40 MW的风电场配置生物气化电厂来稳定出力, 结果表明风能与生物能互补发电系统是可行的, 但为了提高系统的经济效益, 生物气化电厂的原料需种植在风电场附近甚至风电场内。
4 结语
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