风能发电设计

风能发电设计（精选9篇）

风能发电设计 篇1

火力发电会对环境产生十分严重的影响。随着我国的社会的进步, 人们的环保意识逐渐的增强, 出现了风力发电技术, 并且随着科学的进不进以及不断的专研, 我国的风能发电技术也在不断的进步, 逐渐的得到了推广, 风能发电对环境起到了很好的保护作用。我国的风能发电技术具有了一定的基础, 但是对于一些关键技术依然是依赖于国外进口技术。因此, 现阶段我国必须要加强对风能发电技术的研究, 从而来加强风能发电的效率以及改善发电的质量。

1 风电设备制造技术

现今我国制约风电技术发展的一个重要的因素, 便是对于风电设备投资的成本比较的高, 并且风力具有很强的变化性因此在很大的程度上, 风电设备很难保证长期稳定发电。因此降低风电设备成本来说主要在两方面入手, 分别是风电设备的制造以及风力发电的效率这两方面。以下是简单的解释:

1.1 柔性结构

至今为止, 风力发电塔架的结构主要是采用刚性的结构, 这样很大程度上会消耗大量的成本。但是如果利用轻型柔韧性比较高的结构, 将会在很大的程度上降低成本。近年来, 大量的研究人员都研究出了两叶片、下风向结构的柔韧性比较高的风电电机设计。虽然这种柔性结构具有很低的成本, 但是却存在一些问题, 就是在塔架的结构以及计算方面具有很强的困难。

1.2 新型的风力发电机组

可以利用低速运行的发电机组与相应的风力机相互匹配, 这样会有效的提高风力机的发电效率, 主要是因为在一定程度上省去了高速的传动的装置。另外可以减轻系统的重量, 从而降低噪声以及机械设备之间的磨损, 这样有效的降低了成本。现今的风力发电具有低速运行的特点, 这一特征决定了发电机组的结构十分特殊, 普遍的发电机组都是永磁同步的发电机组, 这种发电机组的直径很大, 会影响到空气动力特性。因此, 可以利用垂直于轴结构的风电机组, 将多种发电机组安置到地面的基座之上, 这样可以有效的突破了空间上的限制, 并且在安装调试时候也是十分的容易, 很大程度上实现了无齿轮转动。但是这种方式会逐渐的降低齿轮转动系统的刚性, 从而产生影响。所以, 永磁电机的功率比较的差, 必须要利用一些措施来进行处理, 这样会增大成本, 因此不适合风电机组的使用。

另外一种则是双馈发电机, 这种发电机最大的优势就是可以实现最大风能的捕获, 并且可以调节风电系统的功率。其主要的特征就是利用循环变流器进行电压的分配, 并且进行相应的控制, 并且可以利用变流器的变频来改变电流的大小, 这样在无齿轮转动方面具有一定的优势, 但是这种方式却限制了这种风力电机组的实际应用。现今研究人员主要是研究新型结构的双馈电机的结构, 并且以变流器控制电流为主要的研究点, 将风电机组利用柔性结构使其改变, 并且对风力进行的变化的计算进行控制, 从而来增强风力发电机的工作效率。

1.3 风电机组大型化

为了提高风力发电机对于风能的利用效率以及占地的使用效率, 可以扩大风电机组, 风电机组的大型化可以有效的降低风电机单位功率的造价, 国外对于风力发电机组的研制取得了很大的成果, 在其增大容量的同时也降低了成本, 同时, 大型化风电机组可以有效的降低维修以及运行的成本。

2 风电运行成本降低设计

对于风电机组运行成本的降低, 主要是通过提高运行管理技术水平, 以及增强其效率来降低成本。为了提高风力发电能力, 可以利用计算机进行相应的监控处理。另外, 利用新型材料来进行风电机叶片的设计, 使其能够更加的符合空气的动力特征, 从而来提高风力发电机的风速范围以及风能的利用效率。在风力发电机调节运动方式时, 系统在高风速的情况下, 可以储存能量, 并且系统在低风速时候加速转动, 从而来弥补风速的不足, 同时也会降低风力发电机尾部的冲击力, 增强了使用的寿命。对于调速的方式, 主要是利用变桨距方式以及变速方式进行调整。前者主要是利用液压机构来对变桨距角进行调节, 以此来改变作用在叶片上的空气的动力转矩, 但是这种方式在制造起来十分的复杂, 并且会增大成本, 因此仅仅适用于一些中型或是大型的发电机组。根据空气动力变化无常, 现今主要是利用风力电机的静态空气动力特征, 放弃一些风能, 来保证变桨距的精确性。

3 风力机设计与制造

依据相关学者的科学定理来推论, 风力机在运转的时候, 可以通过风能的流动量来提供大约60%的空气功率。但是在现阶段的风力机的工作效能来看, 当叶片处于静止的条件下所提供的空气动力为40%左右, 而在其风向和空气不稳定通过时产生的干扰, 其最终的效能也难以达到预期的极限。所以从某种角度来看, 风力机的设计与改进还有一定的突破空间。但是对于风力机的设计上是有一定的困难性, 比如空气在机器的通过率和风向的不稳定的变化会促使风力机叶片工作时出现复杂性的局面。而水平轴风力机是其较为常见的旋转流体机。在其风力机的设计中, 都会充分的考虑到空气运动时所产生的工作效率和机器叶片运动时的结构。对于风力机设计而言, 这就要从最为基础的理论与实际入手, 深入的专研风力机的结构与实际运用, 尤其是机器对于空气运动时所转化的电能的最佳数值。对于在设计中出现的风能失速效应时, 所产生的变化, 可以依据空气运动效能和机器旋转时产生的物理能的转化过程中的数值, 再与风力机叶片静止时和在高速旋转时所需要的能耗, 来推算出风力机在不同的运动时的影响因子, 从而进行更好的改进与修复。但是, 对于这一种设计上的计算而言, 还存在着一定的误差, 对于现阶段的理论设计还是存在了一定的约束性, 还有待于更好的去探究。

在对于风力机的研发过程中, 要充分的考虑到叶片的设计。可以说叶片是整个风力机中最为重要的一个环节, 它的设计将有关于风力机发电的效率以及风力机的使用寿命。在这其中, 空气运动的过程中对于叶片的作用力是非常重要的。但是在设计过程中, 因为很多的原因和条件上的约束, 设计人员很难找到其通用的方法来计算空气运动对于叶片的作用力, 而常用的方法是以空气运动学与物理学来计算其所受到的压力和产生的效能。风力机叶片的设计要依靠于最前沿的运算软件, 因为在这一过程中要充分的计算到空气运动时所产生的能量和叶片在承载风能时的承受力, 而且还要考虑到整个风力机结构的合理性。在上个世纪九十年代, 发达国家就开始研发这方面的计算软件了, 其主要的课题就是精确或者优化其空气运动时在叶片上转化的物理能的计算, 这就更好的实现其科技技术的支撑。

在风力机设计时要考虑到噪声这一点, 当风力 (下转第101页) 机工作的时候出现噪音的时候, 就说明机器有不良的摩擦和不稳定的接触或者是因为空气运动时所产生的声音。所以在设计的过程中就要寻找噪音的源头来加以改良。针对于后者而言, 最为有效的, 是依据于空气声学原理结合最为前沿的叶片制作和最新的消声材料的选择与应用。这样将风力机的工作时所产生的噪声减少到最小的程度。在对风力机的设计的过程中, 也要考虑到其外观和自身的美感, 这样的设计将是很有特色的, 同时也可以为当地环境产生出一种融入环境的视觉感受。

4 结语

现今随着科学技术的发展, 人们对于风力发电的研究也逐渐的加大了力度, 同时也取得了很大的成果, 风力发电已经逐渐的成为了人们未来的主要能源, 可以增强人们的环境保护意识。但是对于风力发电机的研究仍然要继续, 在技术以及以及理论上都要进行开拓研究。只有这样, 才能够增强我国风电产业的进步。

摘要：风能为洁净的能量来源, 风能发电可以大量降低电能生产成本, 在适当地点, 风力发电成本已低于发电机。与发达国家相比, 中国风能的开发利用还相当落后, 不但发展速度缓慢而且技术创新性不是太强, 远没有形成先进化规模。随着科技的进步, 近年来, 我国的风力发电技术也在不断的发展进步, 国内风电装机的国产化以及发电的规模不断扩展, 风电成本越来越低。本文主要对风能发电的设计进行了全面的研究。

关键词：风能发电,设计,探究

参考文献

[1]薛桁, 朱瑞兆, 杨振斌等.中国风能资源贮量估算[J].太阳能学报, 2011.

[2]王承煦, 张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社, 2013.

[3]陈永祥, 方征.中国风电发展现状趋势及建议[J].科技综述, 2011.

浅论现代风能发电的利与弊 篇2

关键词 风能发电 电压波动 系统影响 风电规划 风电问题

纵观世界范围，能源形势不容乐观，煤炭资源日渐匮乏，以目前的消耗速度来看支撑不到2050年；石油资源价格不断飙升，世界范围内的是有争夺愈来愈烈；环境污染问题又不容忽视成为了全球各国普遍关注的问题。电能作为一种清洁可再生的二次能源受到了普遍的青睐，但是电能的产生对一次能源的消耗量相当巨大，因此寻找一种清洁的一次能源来发电就逐渐受到了普遍的关注。风能发电也就应运而生。但是风能发电也存在这一些难以解决的问题，如风电并网对系统的影响以及风力发电的规划是摆在眼前的现实问题。

一、风能发电优势突出

（一） 风能发电对于环保贡献巨大

风能资源量大质优，风力发电优势突出，世界性范围内风电发展迅速。到达地球2%的太阳能可转化成风能，以此来计，风能总量比水能更大，有人算过，只需地面风力的1% ，就能满足全球发电能量需要。而且风能发电对环境无任何破坏，只要修建必要的采风发电装置即可，不像水能发电那样需要修建大坝蓄水发电，必然会对环境做出一些不可自恢复的改变，会影响当地的生态发展和原始的自然景观，有时甚至会影响到原住民的生活。对于由发电而引起的温室气体排放问题来说，燃煤火电最严重，燃油火电次之，核电较少，风电最少。核电虽然和风电的温室气体排风量差不多，相比火电小了两个数量级，但是核电的污染问题目前还没办法解决，因此风力发电有着得天独厚的优势。从经济角度衡量，风力发电优势更加巨大，可谓一本万利，只需前期建设裁缝发电设备和后期的较少的维护费用即可，并不需要像火电核电那样无限期的投入日渐高昂的成本。此外火电核电等热电设备还必须耐受高温高压，风电则没此多余的担心。

（二）风力发电在世界范围发展迅速

由于意识到风力发电的巨大优势，世界各国都开始竞相发展风力发电。世界性的风电发展以前所未有的速度进行着，全世界的风电在1999年已经达到了10000MW，而更值得惊奇的是这个数字在2000年的时候就已经翻了一番达到了20000MW以上，2005年的时候又超过了30000MW。风电发展主要以欧洲为主，占到了风电总量的2/3，北美占到了1/5，亚洲是1/8。德国作为风电第一大国，风力发电总量是15688MW，占全国发电量的6.2%，占世界风电总量的33%。

由于风电的发展使德国的温室气体排放量大为减少，2004年德国新建1200多台发电用风车，装机容量超过2000MW，居世界首位。而目前相对风电量最大的是丹麦，目前的风电总量已经超过了全国发电总量的10%，丹麦规划到2030年，风力发电将占总发电装机的50 %。我国的风电事业发展也较为迅速，已从1997年排列在世界第十位而跃居到现在的第八位，预计今后还将有更大的进步。我国的风力资源相当丰富，居世界首位，因此发展潜力十分巨大。目前开发还很不足，主要在内蒙、新疆和沿海一些地区，但是还没有形成真正的规模，有待于進一步的开发和探索。

二、风力发电问题不容忽视

在风力发电巨大优势面前也不能盲目的乐观，由毕竟风力发电所带来的问题还没有十分完美的解决，好有待继续研究和努力。

（一）风力发电并网

风力发电并网后会对系统产生不小的影响，会影响到系统的电压波动和电能质量，还会造成谐波污染。其中由风电并网所引起的电压波动和闪变是风电并网的主要负面影响。电压波动为一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化，闪变是人对灯光照度波动的主观视感。虽然现在风力发电机组大都采用软并网方式，但是启动时仍会产生较大的冲击电流，使得风电机组输出的功率不稳定，进而会导致电压的波动和闪变。电压的波动和闪变会使电灯闪烁，电视机画面不稳定，电动机转速变化严重影响到工业产品的质量，在某些特殊行业电压不稳会使一些精密的仪器出现测量错误，严重时还会引发重大事故。除了电压问题，风电并网还会引入谐波污染。变速风机需通过整流和逆变装置接入系统，由于风速并不能稳定在一个特定值，因此会造成大量的谐波污染。虽然谐波污染对风电并网有较大影响，但与电压波动相比就显得小多了。

（二）风电对电网功率和暂态稳定性的影响

风力发电由于风速变化莫测，使得风电上网功率也随之不断振荡，当风电的扰动频率接近系统固有的振荡频率时，就会引起大幅度的功率振荡，并且振荡的幅度会随着扰动的幅度而变化。扰动幅度不仅与风电扰动有关，也与系统本身的参数有关，因此可考虑从两方面着手减少扰动对电网的强迫功率振荡。风电并网不仅会对系统产生强迫的功率振荡，还会对系统的暂态稳定性产生影响。当然这种影响在风电装机容量较小时显得微不足道，但是当一旦风电在系统中占有比较多的份额时，这种影响就不容忽视了，否则当并网的风电突然变化时，系统有可能由于振荡过大而不能保持暂态稳定而失去稳定，出现电力系统大的崩溃。总之如果并网的风电份额较高而系统较脆弱时，并网产生的负面影响是十分巨大的。

三、电池储能的应用

风能作为清洁能源大力发展以来，风电的问题也越来越受到电力工作人员的关注。但是风能作为一种间歇性能源，加之风能资源的预测准确度并不能完全符合电力系统对电能质量的要求，寻求新途径新思路解决风电对系统的影响也自然成了许多电力行业工作人员的目标。采用静止无功补偿器可快速补偿无功功率，维持风力发电电源接入点电压的稳定，但不能调节风电场输出的有功功率。而采用电池储能系统可以较好的解决这一问题，及可以保证上网电压的稳定，又可以补偿有功功率，不会对系统产生不利的影响。可以选择由蓄电池组、整流装置和逆变装置组成的柔性交流输电系统作为储能系统。

四、结论

风能与风力发电 篇3

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。

风能发电设计 篇4

2010年12月3日，在可再生能源学会召开的关于风电发展问题新闻通气会上，大家听到一组令人欢欣鼓舞的数据：2010年，中国的风电装机容量在1500万至1700万千瓦之间，累计装机容量将超过4000万千瓦，比上年增长约55%，跃居世界第一。

这绝对是一个足以令人欢欣鼓舞的成绩。当气候问题被地球人前所未有地关注时，中国在清洁能源领域斩获风能发电装机容量桂冠。

然而，中国能源网CEO、能源专家韩晓平却并非想象中的雀跃。他内心里甚至谨慎大于兴奋，紧张多于放松。

从陆上到海上飞速发展的风力发电规模

2009年9月，胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上就已经明确表示，中国争取到2020年，非化石能源占一次能源消费的比例达到15%。同年，温家宝总理在哥本哈根气候变化大会上向全世界郑重宣布，到2020年，我国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降40%-45%。为完成减排目标，实现我国在哥本哈根会议上的减排承诺，新能源和可再生能源产业开发利用，会是我国未来要重点开发的能源。

目前，国家“新兴能源产业发展规划”已初定规划，从2011年至2020年将累计直接增加投资高达5万亿元，而将重点发展的新能源为核电、水电、风能、太阳能和生物质能。

国家“十二五”规划内容出台，更为风力发电的前景进行了更详细的规划，即“预计2020年装机容量可达到1.2亿至1.5亿千瓦”。

韩晓平曾任国家能源领导小组办公室和国家发改委相关课题组成员，参与过很多重大能源项目的论证，而对新能源项目的发展则保持着职业的关注。他同样见证着风力发电在中国的飞速发展——

2007年11月，中海油在渤海湾的风能发电站安装完毕，这是中国第一个真正建在海上的风能发电站。中国在国际风电产业发展的新领域——海上发电实现零突破。

截至2009年，中国的风电装机容量，已连续五年实现100%的增长。

……

“海上风能发电站的建立意义重大。”韩晓平解释，根据国家发改委此前提出了新的风电发展目标，到2020年全国达到2000万千瓦的风电装机容量。而中国风能发电的飞速发展，目前陆地上的风机总数已经趋于饱和，海上风电场已逐渐成为发展的重点。

从风力资源分布来看，初步估计我国海上风力资源能够达到10亿千瓦，是陆地上的3倍多，并且海上的风力品质更优，可以达到3000到3500小时/年，而陆地上每年发电只能达到2000到2500小时/年。从长远来看，海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，预示着海上风电将成为一个迅速发展的市场。

装机容量不等于发电量

五年时间，从世界第十到世界第一，中国风电产业的发展速度可谓惊人。从西北新疆大漠荒原到东部辽宁边陲，从北部内蒙古风能丰富的草原到中国辽阔的海域，象征风力发电的白色风车如雨后春笋，不断地出现在全国各个有风的地方。

有报告曾称中国风电的春天即将到来，而在似乎扑面的春风中看到这样乍暖还寒的景象，中国风电企业在发展过程中是否的确蜂拥而至而缺少必要考量？

新疆最先出了问题。

新疆达坂城风区被称为“中国风谷”。新疆也是中国最早开发风能的地区之一，但仍并未显著提高新能源发电的比例，近年来的发展还遇到瓶颈。这行是靠天吃饭。风太大也不行，风太小也不行，尽管达坂城风区是新疆风力最大、最稳定的地区之一，但风力发电还是只占了总发电量的近2%。而且所发的电都直接进新疆城市的电网中，新疆主要还是靠火电。

反倒内蒙和沿海地区如吉林、辽宁、黑龙江等地，情况更好些。但总体上看，风电所占比例还不到10%。

韩晓平对此的解释是，由于风电是不稳定和不确定的新能源，也不能储存，而且从事风电场的国企把风电场的规模越做越大，使效益进一步摊薄分散，以致中国的风能发展没有预期中的理想。

还有一个说法值得关注：目前中国风力发电装机容量居世界第一位，现在很多地方上马的新能源项目在接受考核时也只是查看装机容量，并不是实际发电量。

两者之间的差距并非一星半点。因此就新能源发展起步阶段来看，很多项目由于安全、实际需要等种种原因并不能按装机容量发电。

韩晓平又举出另外一个案例，甘肃中电酒泉风力发电公司投资兴建后，运营效果一直不如意，2008年的时候，不仅一分未赚反而亏损1711万元人民币。亏损的原因就是发电量没有达到预期目标，“电网出于安全考虑时不时要限电，而所谓的安全考虑则是由于线网的承载能力比较低，风电的不稳定性对电网会有伤害，严重情况下甚至会导致网络坍塌。所以，风场须无条件接受调度指令，该关时就得关。”规划和实际相背离的现象终将导致问题出现，而直接倒霉的就是那些没有经过有效评估和规划就匆匆上马的新能源企业。

当一个又一个企业看到新能源的光明前景飞奔而至时，韩晓平想到的更多的则是，不问未来的前景是否真的光明。装机容量不等于发电量，供大于需的时候，真正的能源问题尚未解决，能源泡沫却翻涌而至，反倒浇灭投资者对于清洁能源的一腔热情。

作为中国企业投资协会金融委员会副秘书长、中国能源研究会能效投资委员会副秘书长，面对喜人的成绩，韩晓平仍然难以抚平思虑。

问计风电有序发展

按照国家中期设计，到2020年，全国風电开发建设规模有望超过一亿千瓦。重点依托“三北”及江苏沿海风能资源丰富区，以“建设大基地、融入大电网”的方式进行规划和布局。初步计划在河北、内蒙古、吉林、甘肃、新疆、江苏等省份建设10多个百万千瓦级风电基地和7个千万千瓦级风电基地，形成若干个“风电三峡”，风电在局部地区电力供应中达到较高比例。

韩晓平说：“在风电领域，中国的研究力量并不弱。从国家层面看，无论是材料学还是空气动力学，我们的研发实力都非常强，而且现在我们的精力和资金也正在向这个方向转移。”中国在风能方面还是有优势的，比较研究目前世界上五大风电强国，中国的风力资源量接近于美国，大大超过印度、德国和西班牙。

在各国竞相发展新能源技术的情况下，谁能在新能源战略竞争中取得优势，谁就可以在下一场产业革命中充当世界科技创新的“领跑者”、经济发展的“火车头”以及新国际标准的制定者。保持这种国际政治经济地位对一个国家的意义，不是单纯用节省了多少能源开销可以计算的。

有实力，关键是利用。

近两年，政府已开始有意控制风电发展速度。2009年8月，国务院常务会议上，风电设备成为产能过剩的六大行业之一。各方关于尽快出台风电并网标准的呼声四起，“这个标准应该是政府主导，而不是一个企业主导”，因为国家主导可兼顾各方面的利益，避免企业主导时出现偏颇。

但韩晓平认为，中国风电行业当今发展的“怪象”并非出台风电并网标准即可解决的，“有标准是好事，但问题核心不在标准，如果电网无法消纳风电，有标准依然没有用。”他称，“中国风电目前受到央企体制与行业发展模式的双重束缚，除了上述央企‘游戏规则’影响外，风电高度集中的发展模式也不可取。”他建议，需要更多的民营企业加入进来，代替央企建设风电，才能从本质上彻底杜绝中国风电的“不计成本”。

身为专家，韩晓平希望大家在看到光环的同时，也怀揣忧患，再深思而前行。

责任编辑 李燕丹

浅析风能发电的现状与发展趋势 篇5

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。

参考文献

[1]李德孚:2005年小型风力发电行业现状与发展[J].中国风能, 2006, (2) :9～11

[2]贺德馨:2020年中国的科学和技术发展研究[J].科技和产业, 2004, 4 (1) :36

风能发电设计 篇6

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

风能发电设计 篇7

关键词：风力发电,现状,感应式风力发电机,模型,发展建议

引言

近年来, 由于经济危机和能源危机的产生引发了对于清洁能源和可再生能源利用的新需求, 如地热、核能、太阳能、风能、海洋和生物能, 而风力发电是近期内技术成熟、具有大规模发展潜力的可再生能源技术, 同时也是现代社会成熟的最具效率的能源技术之一。

据能源机构预测, 正常情况下, 从2002～2030年, 全球电力需求将翻一番, 同期能源供应领域的投资将增加60% (见图1) 。

1 新疆风能现状

针对新疆本土的情况, 风能发电相对于其他的发电方式具有其自身的优势。新疆地理位置离海洋遥远, 水资源匮乏, 冬季结冰期较长, 故发展水电的局限性比较大。新疆从西北到东南依次有九大风区, 包括达坂城风区, 阿拉山口风区、十三间房风区, 额尔齐斯河河谷风区、哈密东南部风区、三塘湖—淖毛湖风区、吐鲁番小草湖风区、塔城老风口风区、罗布泊风区。总面积约在15万km2, 年风能蕴藏量约8000亿kWh, 可装机储量约在2000万kW以上, 新疆全年可以提供的电量理论上估计将有6771亿kW。

表1所示为新疆九大风区开发量的统计数据。

km2

综上可见, 在目前新能源日新月异的条件下, 新疆作为一个风能储量大区开发利用风能是完全必要的。

风力发电可以带来很多显而易见的优势, 能够满足能源上的供应、改善以煤炭为主的能源结构、减少温室气体的排放、能够促进新疆地区经济的发展, 特别是比较偏远地区的农牧经济的发展。目前, 新疆大多数风电场主要风力发电机机型是鼠笼式感应风力发电机 (一般的感应式风力发电机) 、双馈感应风力发电机和直驱永磁风力发电机, 例如达坂城一场主要是金凤600kW、金凤750kW 和金凤1200kW (直驱) 、二场主要为Bonus, Vestas, Nord tank, 三场主要有金风750kW 和金风1500kW (直驱) 。

2 新疆风力机机型选择

鼠笼感应电机的风力发电机结构图如图2所示。双馈感应风力发电机结构图如图3所示。

直驱永磁风力发电机结构图如图4所示。

鼠笼式风力发电机都在兆瓦级以下, 双馈感应和直驱永磁风力发电机都是在兆瓦级以上。考虑到风力发电机在风电场中的分布造成的尾流影响等, 兆瓦级的机型应该更能充分而有效地利用风能, 所以在未来的风电场建设中选用兆瓦级的变速恒频风力发电机更能合理的利用风能, 其发电量和发电质量都具有优越性 (见表2) 。

由表2可知, 永磁直驱的设备总价高于双馈机组5%。

因双馈感应风力发电机和直驱永磁风力发电机接入电网以后, 当风速变化时对电网电压影响很小, 而双馈的造价比直驱永磁便宜, 故未来趋势下用双馈感应电机机型更具有优越性。

万元

3 新疆风电场建造的隐患

1) 风电场风能资源评估不准确。现有的风能资源评估技术不够完善, 还有很多方面的欠缺, 风力发电场的选址需要综合考虑拟建风电场的年平均风速、地质条件、交通运输及并网的条件。例如新疆电力公司加快了风电场配套并网工程的建设, 共投资5.369亿元, 建设输电线路657.95km, 为风电上网创造了有利条件。目前, 全网规划建设风电容量已超过全国发电装机容量的10%, 并网风电容量最大发电负荷占全网最大负荷的8%。

2) 新疆电网总容量偏小, 电网建设和电力需求峰值不一致。预计2011年迎峰度夏季新疆电网最大用电负荷将达到1230万kW, 同比增长30.3%。每年用电负荷高峰出现在7月中旬, 2010年最高用电负荷达923万kW。当地7月份的风速比较小, 也就是说风电场的出力比较小, 但同时每年7月份正是电网负荷最大的时期。风电场的出力和电网负荷需求完全相反, 当用户负荷需求大时, 风电场却无法输出相对应的电力。据统计预计到2011年末, 全疆并网风电容量将超过200万kWh, 上网电量超过50亿kWh。预计到2015年, 新疆电网装机容量将达到6490万kWh, 其中风电装机1050万kW, 可以外送风电功率820万kW, 外送风电电量200亿kWh以上。

3) 风力机的设计技术还不够完善, 包括更高的塔架和更大的风力机及适当的间距以捕获更高风速的能量, 随着这些风力机变得更大, 塔架变得更高而带来了不断增长的设计上的困难。高塔架是有益的, 但是塔架高度应根据当地法规、地形及周围机组的限制进行优化。而最优间距为, 在顺风向上间距为8～12倍风轮直径, 在垂直风向上2～4倍风轮直径。另一个体现的就是应对疲劳, 风电场的年平均风度范围在5～11m/s不断地变化, 极端的瞬时狂风甚至可高达70m/s, 风力机在技术上必然要满足不断地交变载荷。

4) 风速波动频繁, 给并网风电带来了巨大的压力。风速具有随机性, 不可预测, 机组的发电能力将随着风速的波动而随时变化, 这种情况显著地影响了电网的运行。从正常情况下来讲, 一方面希望各个风电场能够分别安装在不同的地区, 这样能够消除一部分风速波动带来的的影响;另一方面希望能够从技术上采取更主动的措施, 从根本上消除风速波动对电网的不利影响。但同时为了降低风电成本, 新疆现在的风电场规划的机组都集中安装在一个区域内, 这就导致系统的整个出力受到风速波动的影响更大。

4 新疆风能利用的建议

1) 查清资源, 加强前期审查工作。

中国气象局负责指导完成的《全国风能资源评估》及《全国风能资源分布图》可用于指导风电场宏观选址。可根据现有的各种数据和地形地貌, 利用计算机模拟技术按照国际上通用的指标从宏观上进行评估, 在其基础上进行GIS技术结合交通运输、施工安装、工程地质、电网等条件, 对潜在风电场址按照经济性指标进行评价, 可作为制定风电场发展规划的依据。

2) 技术水平, 人员和机构的准备。

风电产业的发展, 必然要依靠人员和技术, 所以需要建立若干个培训中心、技术研发中心、设计与开发中心、检测、制造、系统集成等, 加大扶持力度形成一个完整的产业链, 这是至关重要的。加强风电科技研发, 支持产业技术创新, 以国家风力发电工程技术中心为背景, 结合新疆本地的情况, 加大科研投入, 建立相关的基金项目, 支持风电产业科技技术创新, 同时也可积极引进国内外研究开发的人才和先进的管理理念。

3) 在技术上削弱风速波动的影响。

风速波动带来的塔架振动和由此而来的疲劳周期, 可以通过适当的调整桨叶的迎风面积和风翼的阻力来削弱。当风速大的时候, 将桨叶长度和宽度适当地缩小, 使得受力面积缩小, 风电机组的发电量会降低到合适的容量。相反在风速较低的月份, 可增加桨叶的长度和宽度, 使得受力面积也相应的增大, 就可以通过增速机将旋转速度提升, 从而增加发电量, 多余的电量可用蓄电池储存, 在无风期间使用。这些需在设计的过程中避开塔架、风轮和机舱同风速波动频率的所有谐振点, 而在所有的振动模式下, 两簇谐振频率必须保持足够的裕量。

5 结语

我国陆地上可开发利用的风能资源约为6～10亿kW, 而新疆风能资源位居全国第二位, 拥有巨大的开发潜能, 随着新疆电网不断的发展, 风力发电在新疆有着不可估量的未来。新疆地域较为寒冷, 能源结构以火电为主, 可再生能源在能源结构中的比例较低, 更好地优化利用可再生能源已成为新疆今后能源发展当务之急。

参考文献

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风能发电设计 篇8

随着改革开放的不断深入, 我国经济得到了快速发展。在经过长时间的快速发展之后, 我国传统的高污染和高能耗的粗放型经济增长模式所带来的环境污染情况也开始凸显出来, 面对这样的情况, 低污染、低能耗以及低排放的低碳经济发展模式开始被大家所重视。我国现在正处在高速的城市化进程和工业化进程当中, 面对这样的一种发展模式, 消耗大量的能源和资源也是不可避免的, 那么未来经济要发展就需要比较大的能源需求以及温室气体排放的空间。而如果采用传统的发电方式的则不能够很好的满足发展的需要, 所以人们开始更加的关注风能发电。

1 国外风能发电的现状分析

最近几十年, 国外在风能的利用和开发方面, 不管是在应用研究方面还是在理论研究方面都取得了很大的进步。风能发电的技术也开始慢慢的完善, 风能发电机组的单机额定功率最大已经可以达到5MW, 而且风机叶轮的直径也能够达到126m。到现在, 欧洲采用风能发电已经能够满足4000万人的日常生活用电需要, 随着科学技术的不断发展, 也许再过几年, 欧洲采用风能发电基本上就能够满足整个欧洲一半人口的日常生活需要。在德国, 风能设备的制造业也已经取代了造船业和汽车制造业, 成为了德国第一大钢材用户。而且很多国家都开始对风能发电制定比较长远的规划。

2 我国风能发电的现状分析

2.1 我国风能发电的相关政策。

在我国, 现在风能发电是主要的一项替代能源的技术。在改善能源结构、气候季节的变化以及能源安全问题的解决等方面风能发电都具有非常重要的作用, 所以我国也专门制定出了一些政策来对风能发电进行大力的扶持, 主要的政策就包括了财税优惠、全额并网以及电费分摊等, 而上网电价也只是通过最开始的完全竞争向现在的特许招标模式过渡。

2.2 对风能发电场的具体情况进行分析。

只有不断的加强对风能发电场的建设, 才能够使风能成为补充能够促进其规模和效应的充分发挥。我国现在的风电场有大大小小近百家, 主要就分布在东南沿海地区以及三北地区, 其中内蒙古以及三北地区的辽、吉、黑东北三省的风能分布是最密集的。国家能源局在2008年的时候开始计划建设6个千万千瓦级的风电基地。这几个风电基地主要就规划在我国的甘肃、河北、新疆、江苏以及内蒙古等风能资源比较丰富的地区, 而在这一系列的风电基地建设项目当中, 建设效率比较高的就是甘肃省的酒泉风电基地, 现在都已经开始进入到了实施阶段。而同时在新疆的哈密东南部以及北部的三塘胡一淖毛湖地区的风电基地建设项目也完成了规划, 已经完成了施工阶段的工作, 很快就可以开始并网发电。从近海风电方面来讲的话, 我国在2009年的时候就已经有了比较大的突破, 在江苏以及山东部分沿海地区, 相关的一些企业投入了少量的样机来对检验风机性能以及提高安装技术进行了比较有效的探索。在我国海上风电项目招标工作顺利进行的时候, 也就表明了我国的风能发电场规模已经开始进入到了大规模的示范阶段。

2.3 我国风能发电现在存在的一些问题分析。

首先就是我国在对资源进行合理的评价、电网状况、调查的前期工作以及选择风电场地址等方面还存在很多的不足。因为在将来加入到电网当中的风电就会越来越多, 所以在调查风电资源以及评价风电资源的时候应该要更加的深入和准确。在整理风能资料的时候, 应该要将各个方面的因素影响到充分的考虑到。其次就是因为风电具有不连续性和不稳定性, 所以风电所占的比例对整个电网的影响也会不断的增加, 对于电网系统在运行的过程当中可能会遇到的各种麻烦的可能性也就会增大。从我国风电发展的现状来看, 不管是在经济方面还是在技术方面都会使电网在规划、管理以及运行方面面临很大的挑战。第三点就是风力能源和经济的发展以及电网的规范缺乏一定的协调性。从而上面的一些分析当中可以发现, 我国现在风电场主要还是分布在新疆、甘肃以及内蒙古等一些地区, 而这些地区的经济都不是很发达, 风电场的规模比较的小, 而且这些地方需要的用电负荷也不是很大, 这也就说明我国的主要风力资源地区对于风电的容纳能力比较的低, 最终会对当地的风电发展造成一定的制约。最后就是风能电网建设比较滞后。现在风力发电在进行电网调度的时候最严重的问题就是对气候比较的依赖, 当有风的时候才能够正常的发电, 而如果没有风的时候就没有办法。我国风电项目的建设规模在不断的扩大, 但是电网的建设速度也不能够很好的满足风电电能的消纳要求, 在风电的发展过程当中有电难输成为了一个大问题。

3 风能发电的未来发展趋势分析

风能是一种可再生资源, 充分利用风能促进我国能源可持续发展战略实施。合理的使用风能不仅能够很好的改善环境问题, 而且还能够使能源短缺的问题在一定程度得到缓解。除此之外风能在调整能源结构的过程当中也起着非常重要的作用。

风电在未来的发展过程当中主要的趋势就是, 首先是风电设备价格的下降从而使风电上网电价下降, 会逐渐的接近燃煤发电的成本, 这样经济效益就能够很好的凸显出来。其次就是项目的建设时间会缩短, 见效也比较快, 水电和火电的项目建设周期是需要用年来计算, 但是在有风场数据的前提下, 风电建设的项目则可以用月或者是周来进行计算。第三点就是能够很好的控制温室效应的发展, 加快发展风能的速度, 能够很好的减少造成温室效应的二氧化碳, 使得气候变暖的情况能够得到很好的缓解, 对于沙尘暴灾害也能够有效的遏制, 阻止沙漠化的发展。第四点就是对于那些边缘的山村也能够独立供电, 风能发电是比较分散的供电系统, 这样就能够很好的满足这些地区对于能源的要求。第五点就是风能发电场也能够变成旅游项目, 这样风能发电场就能够很好的带动当地的经济发展。

在风电规模不断扩大的情况下, 我国的各项经济指标也会相应的提高, 这样就会使得风电企业的竞争力以及企业的盈利能力都会有比较大的进步。国内企业应该要积极的跟进世界上比较先进的技术, 推动企业的技术进步和发展, 降低企业的成本, 建立起比较高效的销售体系, 在服务、价格以及质量方面形成企业的核心竞争力, 在技术、管理、研发以及生产效率方面都能够达到世界一流水平。在到了2030年的时候, 大部分的水资源有可能就会被开发完, 到那个时候可能就会引来大规模的海上风电开发, 同时东电西送也有可能实现。

4 结束语

虽然风能发电的前景比较好, 但是在我国风能发电依然还存在很多的挑战。我国的风能发电产业化起步比较晚, 大型的风电场在并网技术方面还存在很多的缺陷, 而在运行管理方面也没有足够的经验。除此之外, 虽然我国的风能资源相对比较丰富, 但是现在所掌握到的分布资料以及储量也只是一个粗略的估计, 对于风能发电的开发和利用要求还是不能够很好的满足。所以我国对风能发电的开发和利用还有很长的路要走。

摘要：因为风能具有可再生、无污染以及蕴量比较大等一些优点, 所以国际电力的发展趋势就是利用和发展风能等一些可再生资源, 在未来的发展过程当中, 风能发电肯定会具有更加广阔的前景。本文主要就对风能发电的现状以及未来的发展趋势进行了探究和分析。

关键词：风能发电,现状,发展趋势,分析,可再生资源

参考文献

[1]吕靖峰.我国风能产业发展及政策研究[D].中央民族大学, 2013.

[2]王成富.风力发电研究现状及发展趋势探讨[J].低碳世界, 2013, 20:63-64.

风能发电设计 篇9

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:

刘恒, 潘再平.SRG风力发电系统最大风能追踪控制研究[J].机电工程, 2014, 31 (9) :1196-1200.

LIU Heng, PAN Zai-ping.MPPT control for wind power generation system using switched reluctance generator[J].Journal of Mechanical&Electrical Engineer-ing, 2014, 31 (9) :1196-1200.

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