风力发电技术(3).ppt

风力发电技术,董正杰,1.风能资源及其主要应用方式,风能是非常重要并储量巨大的能源，它安全、清洁、充裕。优点是蕴量巨大，清洁无污染，可以再生，分布广泛。（1）风能资源的储量我国风能总量为32.26亿千瓦，10米高度层实际可开发量为2.53亿千瓦，风能资源十分丰富。（2）风能资源的分布1）风能资源丰富区东南沿海及其岛屿；2）风能资源较丰富区东北、华北和西北北部地区，含新疆阿拉山口地区和布尔津地区；3）风能资源可利用区黄河、长江中下游地区。,利用风能的优点和局限性,优点储藏量大无污染可再生分布广泛就地取材适应力强发展潜力大缺点能量密度低不稳定地区差异大,二.技术与应用,风力发电厂系统图,大型发电机组的分类,按传动机构分类齿轮箱升速型用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机；（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）直驱型直接连接低速风力机和低速发电机。（避免齿轮箱故障）按发电机分类异步型（1）笼型单速异步发电机；（2）笼型双速变极异步发电机；（3）绕线式双馈异步发电机；同步型（1）电励磁同步发电机；（2）永磁同步发电机。按并网方式分类并网型并入电网，可省却储能环节。离网型一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。,恒速风电机组,恒速风力发电机组一般采用异步发电机，控制风力发电机的转速不变，从而得到频率恒定的电能，目前风力发电的恒速一般依靠变速齿轮箱和可变桨距风轮来实现，但需增加无功补偿设备。普通感应发电机风机转速恒定从电网吸收无功,双馈绕线式风力发电机组,发电机采用绕线子感应发电机。定子接电网线或者直接接负载。在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。转子和电网之间需要有双向的能量流动，所以需要两个背靠背的四象限变流器。转子侧逆变器控制发电机，定子侧逆变器控制和电网的能量交换，转子则只处理转差能量。,双馈绕线式风力发电机组,MW级机型，目前世界最流行的机型发电机为双馈异步发电机，转速范围大，可在同步转速的30内运行风能利用率高发电机的定子直接与电网连接，转子经过变频器与电网连接变频器的功率为总功率的2030，变频器的功率损失小，价格便宜控制系统复杂整机价格比直驱式发电机组便宜30该机型已由被Repower、Dewind、GE、Nodex、Vestas等公司广泛采用,大型风力发电机的结构,大型风力发电机组由两大部分组成气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。,风力发电机组的结构,总体布局,机械共分三大部分,风力发电机组的结构,风轮集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。机舱机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。,,一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。,风力发电的关键技术,风力发电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。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。,风电机接入电网的形式,风电接入电网主要有两种方式分散接入、集中接入分散接入主要用于风电开发规模小、以就地消纳为主的情况。风电接入电压等级低，对系统运行影响较小。,,集中接入主要用于风电开发规模大、以异地消纳为主的情况。风电接入电压等级高，远距离输送，对系统运行影响较大。,风电机接入电网形式,目前，常规风电机组出口端电压为0.69kV，通过机端变压器升压至10kV或35kV，经风电场内集电系统汇集送出。根据风电消纳地区的不同，风电可直接接入10kV或35kV配电网。对于需要中长距离外送的情况，风电经升压变升至110kV、220kV或更高电压等级后，由输电网输送至受端网消纳。,风电机接入电网形式,风电运行特点,1）风电出力具有随机性、间歇性风电出力随机性强、间歇性明显。风电出力波动幅度大，波动频率也无规律性。2）受气象因素影响，风电出力日间可能波动很大。极端情况下，风电出力可能在0100范围内变化,风电运行特点,3）风电年利用小时数偏低根据我国部分省区2007年风电年利用小时数统计，风电场年利用小时数参差不齐，一般在2000h左右,风电运行特点,4）风电功率调节能力差风机功率特性决定风机出力随风力变化而变化，风机在采用不弃风方式下，只能提供系统故障状况下的有限功率调节。机组本身的运行特性和风资源的不确定性，使得风电机组不具备常规火电机组的功率调节能力。5风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。,三.行业概况,国际风电发展目标＊美国2030年风电发展目标美国能源部2008年5月公布的计划，到2030年风电装机将达到3亿千瓦，将满足美国20的电力需求。＊2008年6月，欧洲风能技术平台TPWind提出了欧洲风能发展目标到2020年，风电累计装机达到1.8亿千瓦，包括海上风电装机4,000万千瓦；到2030年，风能将成为欧洲的主要替代能源，累计装机容量将达到3亿千瓦。到2030年，风力发电可以为欧洲提供25的电力消费。＊全球风能理事会2006年所作的2050年风电发展展望认为，2020年和2030年，世界风电装机将分别达到5.6亿千瓦和11亿千瓦，发电量分别达到1.4万亿千瓦时和2.8万亿千瓦时。如果采取积极措施，即在超前发展情景下，2020年和2030年，世界风电装机将分别达到10.7亿千瓦和21亿千瓦，发电量分别达到2.6万亿千瓦时和5万亿千瓦时。,国际风电机组装概况,新增装机容量,19962008年全球总装机容量,中国风电发展情况,中国风电市场近年来的增长速度超过世界平均水平中国近三年来保持了115的市场增长速度，按照国家规划，未来将会形成超过1600亿元的市场，对我国制造行业起到巨大的拉动作用。,2050年我国风能发展预测,2008年我国发电装机容量约为7.9亿kW，人均约0.6kW。预计2020年全国发电装机容量12-16、亿kW。人均约1kW。远景预测到2030-2050年，达到人均1.5kW，按全国16亿人口计算，需要发电装机24亿kW。常规能源发电最大可能提供的装机构成煤电9.6亿千瓦，占40；水电3.6亿kW,占15；核电2.6亿kW，占10；气电1.2亿kW，占5，共计17亿kW，距需求24亿kW相差7亿千瓦约30，需要非水的可再生能源发电提供。计入常规水电，可再生能源发电装机占总装机容量45。,2009年中国风电装机容量统计,1）2009年中国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量13803.2MW，年同比增长124；累计风电装机21581台，容量25805.3MW，年同比增长114。台湾省当年新增风电装机37台，容量77.9MW；累计风电装机227台，容量436.05MW。2）2009年，华北地区新增风电装机容量7457.3MW，连续四年位居各区域之首。其他地区新增风电装机容量东北（3021.9MW），华东（1579.89MW），西北（1275.8MW），中南（359MW），西南（55.6MW）。3）截止到2009年12月31日，中国风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份4个，分别为内蒙古（9196.2MW）、河北（2788.1MW）、辽宁（2425.3MW）、吉林（2063.9MW）。内蒙古2009年当年新增装机5545.2MW，累计装机9196.2MW，实现150的大幅度增长。,风电发展趋势预测,海上风电开发，海上风速高于陆地并且稳定，可利用风能资源更丰富，开发难度增加，随着风电技术的进步，海上风电开发前景光明。自1991年丹麦建成第一个海上风电场以来，海上风电一直处于实验和验证阶段，进展缓慢。2000年，丹麦在哥本哈根湾建设了世界上第一个商业化意义的海上风电场，安装了20台2MW的风电机组。到2007年年底丹麦海上风电装机容量达到了108万千瓦。德国由于陆上风电场已经基本开发完毕，正大规模转向开发海上风电。风电机组功率逐步增加。单机容量从80年代初期的几十KW发展到目前以MW级为主，单机容量为5MW、6MW的风电机组已经商业运行，10MW的风电机组已经开始试运行。风电机组结构形式得到较大改进。适应于海上风电场的风电机组及配套设施逐步成熟。传统的失速型风电机组被变桨变速恒频型风电机组所取代，直驱型风电机组和半直驱型风电机组具有很好的市场及发展前景,风电发展成本趋势,风电设备制造成本是影响风电成本的最重要因素。随着风电设备制造成本大幅度降低，风力发电成本也呈现出快速下降趋势。以丹麦为例，从1981年到1995年，丹麦的风电成本由15.8欧分/千瓦时下降到5.7欧分/千瓦时，减少了2/3，目前风电成本约为4欧分/千瓦时，在过去五年中，风电成本下降约20，预计到2020年，风电成本会降低到3欧分以下，届时风电成本可以达到常规能源发电成本水平。世界风能理事会最近也对风力发电的成本进一步下降进行了研究，认为风力发电成本下降，60依赖于规模化发展，40依赖于技术进步。从发展趋势看，以后更多的是依赖于规模化、系列化、标准化和专业化降低成本。,国内外风电发展的分析比较,国外在风电快速稳步发展的同时，运行管理水平也在不断提高。1）广泛开展了风电功率预测工作。如德国、丹麦、西班牙等国全部都实现了风电输出功率的日前预测，为电网的安全稳定和电力市场运营提供了条件。2）可以对风电场进行有序调控。如西班牙成立区域控制中心，对风电场进行有效的控制和有序的调控，以提高风电机组接入后电网的稳定水平。而我国风电运行现状1）风电基本处于“自由运行”状态2）风电预测和调控手段有待完善和提高应用水平,我国风电面临的问题,1、风电发展缺乏统一规划，风电建设规模与电网消纳能力矛盾突出2、风电大规模并网带来的系统调峰矛盾凸显3、风电大规模并网给电网的安全运行带来新挑战4、技术标准不完善，风机认证与并网检测环节缺失5、风电发展相关政策需要进一步完善,风力发电机应用实例,云南大理风场,南通如东潮间带龙源试验风场,西藏风场,丹麦海上风电场,