风力发电技术综述.docx

1、风力发电技术综述 网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目：风力发电技术综述学习中心： 层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2014年 秋 季 学 号： 141501409022 学 生： 指导教师： 完成日期： 2016 年 5 月 30 日 内容摘要风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。由于对能源的渴求，人们无节制的开采石油、煤炭、天然气等这些埋在地层深处的维系人类生存的“能源食粮”，不仅严重污染了我们的生存空间、恶化了自然环境，还带来了更可怕的恶果-能源枯竭。因此风能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽用之不竭，越来越受到世界各国的重

2、视。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。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，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。本论文介绍了风能在国内外的发展现状和前景，传统发电机和新型发电机，和它们的优缺点，以及风力发电的控制技术。关键词：风力发电1 绪论1.1 课题的背景及意义 风力发电是一种技术最成熟的可再生能源利用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，控制技术是风力机安全

3、高效运行的关键。风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组（简称风电机组）是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。在理论上，最好的风轮只能将约的风能转换为机械能。现代风电机组风轮的效率可达到40%。在风电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比，即风速增加1倍，输出功率增加8倍，可见风力发电的效率与当地的风速关系极大。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

4、学技术的发展、是环保理念的体现。洁净能源指太阳能、风能、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

5、是最大风能资源区，风能密度为200W/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。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外风力发电发展现状19世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组。直到20世纪70年代以前，只有小小型充电用风力机达到实用阶段。美国在20世纪30年代还有许多电网未通达的地区，独立运行的小型风电机组在实现农村电气化方面起了很大作用，当时的机组多采用木制叶片、固定轮毂和侧偏尾舵调速，单机容量的范围为0.53kW。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2

6、107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9万兆瓦，这一数字到2010年将是16万兆瓦。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。1.2.2 我国风力发电发展现状我国是世界上利用风力最早的国家之一，但进行风力发电科研的工作起步较晚。中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世

7、纪70年代初。 经过初期发展、单机分散研制、示应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益，特别是在解决常规电网外无电地区农、牧、渔民用电方面走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第一。虽然说中国并网大型风力发电的技术和产业虽然起步较晚, 但也发展很快, 已经具备制造单机容量600kW 的大型商业化风电机组的能力, 目前正在组织兆瓦级风电机组的攻关。我国风力发电装机容量2003 年底已达56. 7 万kW, 居世界上第十位。特别是1996 至1998 年我

8、国风电场的建设发展得很快, 这主要得益于政府的重视和相关政策的支持。我国风机国产化的水平正在不断提高, 机组的国产化率超过90%, 今年并网国产机组的订单已越200 台。截止2003 年, 我国累计安装风电机组1042 台, 总装机容量56. 7 万kW。共有40 个风电场, 分布在14 个省( 市、区) 。但是, 我国的风电产业在世界上还相对落后, 比如, 我国可利用的风能资源为德国的11. 3倍, 风电总装机只为德国的3. 88% ; 即使同印度相比, 我国的总装机容量尚不及它的三分之一。因此, 研究我国风电发展迟缓的原因, 提出相应的激励政策已成当务之急。从国外经验看, 政府支持、政策激

9、励是发展风电的关键。在世纪开始的时候，中国还有约2000万人口没有用上电，在常规电网外，推广独立供电的风力发电机组，对解决农、牧、渔民看电视、听收音机、照明和用电动鼓风机做饭等生活用电问题，对于改善和提高当地经济，促进地区社会、文化事业发展，加强民族团结，巩固国防建设有着重大的意义。 我国风能资源丰富,总储量约为32亿千瓦,可开发的装机容量约为2.53亿千瓦,居世界首位。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机约

10、600万千瓦。2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。2009年，台湾地区新增风电机组37台，容量77.9MW；累计安装风电机组227台，容量436.05MW。1.3 本文的主要内容本文介绍了风力发电为取来发展的潜力，风电特点决定其未来发展趋势 (1)从长远来看,风电成本是可以预期的,目前,我国

11、已经批复的风电价格为0.5-0.6元/kwh,但是随着技术进步和风电产业规模的扩大,到2020年之前风电成本有望下降20%-40%,届时风电价格将接近0.4元/kwh,这个价格同常规电力相比是具有可竞争性的。 (2)风电属于资源依赖性技术,目前我国风能资源分布及开发潜力基本明确,虽然仍需要精查,但是从未来大规模需求来看,风能资源具有保障。 (3)风力发电对土地、水资源的要求很小,对环境的影响非常有限。 (4)在风力发电技术方面,我国学者提出了风电低频传输技术、风电直接传送到电网中心等技术,而且随着我国对可再生能源关注程度的提高,长期来看,风力发电技术将会越来越成熟,能够达到风电大规模产业化的技

12、术要求。 总体来看,风力发电在技术、成本、市场上都具有明确的预期,也不会对环境产生负面影响,资源储量也能保证期大规模的发展应用,因而其未来必将大规模发展。2 风力发电机2.1 传统的风力发电机2.1.1 笼型异步发电机笼型异步发电机是传统风力发电系统广泛采用的发电机。与同步电机、直流电机、绕线式异步电机相比,笼型异步电机具有结构简单、坚固、价廉、维护方便和功率密度高等突出优点。异步电机作为可逆电机,能用于发电场合,并在电网中的异步电机从电网吸收感性无功来励磁,超同步运转时则处于发电状态。本文介绍的独立供电发电运行的笼型异步发电机。系统结构如图1所示。图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动

13、装置，箭头指功率P的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行。图1 笼型异步发电机系统的结构图2.1.2 绕线式异步发电机绕线式异步发电机由电机转子外接可变电阻组成，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，发电机的转差率可增大至10%，能实现有限变速运行，提高输出功率，同时采用变桨距调节和转子电流控制，可以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。其系统结构如图2所示。图2 绕线式异步发电机的系统结构图2.1.3 有刷双馈异步发电机双馈式异步发电机实际是异步感应电机

14、的一种变异，双馈异步发电机通常为4极或6极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。这种发电机始于上世纪80年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。为了降低异步发电机并网运行中功率变换器的功率，双馈异步发电机被广泛应用于风力发电系统中，通过控制转差频率可实现发电机的双馈调速。但是此种电机是有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，并且此种结构不适合于运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。系统结构如图3所示。图3 双馈异步发电机的系统结构图2.1.4 同步发电机作发电机运行的同步电机。是一种最常用的交流发电机。在

15、现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。由于同步发电机一般采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁电流，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调节了电机的功率因数和无功功率。同步发电机的定子、转子结构与同步电机相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步发电机中电枢绕组采用单相。近年来，采用同步发电机来代替异步发电机是风力发电系统的一个主要技术进步。此种发电机极数很多，转速较低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合，并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作，因此适用于风力

16、发电系统。系统结构如图4所示。图4 同步发电机的系统结构图2.2 新型风力发电机2.2.1 开关磁阻发电机2开关磁阻电机结构简单、坚固,具有成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等优越特性,在某些特殊应用领域有一定的应用优越性.开关磁阻电机是一种典型的机电一体化电机,其控制灵活,容易实现四象限运行,且可作发电机运行。开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能力强、动静态性能好、可靠性和效率高的特点。系统结构如图5所示。图5 开关磁阻电机发电系统结构图2.2.2 无刷双馈异步发电机其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运行