分布式风力发电

分布式风力发电（精选十篇）

分布式风力发电 篇1

目前, 主流的可再生能源集中在, 风能, 潮汐能、太阳能和地热能等。其主要特点表现为能源的分布性和间断性, 因此, 与之对应的分布式发电系统应运而生。分布式发电系统设备具有小型化, 智能化, 效率高, 运行可靠的特点, 目前已经在现行电网不能覆盖的偏远山区得到了一定的应用, 节省了可观的输变电线路投资。因此, 分布式发电系统在未来电网的构架中, 必将占有一席之地[1]。

1 分布式发电系统研究现状

在上世纪80年代, 分布式发电的研究热点主要分布在小火电以及小热电领域, 由于其运营效率低下, 经济性能不达标, 因此逐渐被市场所淘汰。之后, 以风力发电、太阳能发电等新兴能源为基础的分布式发电系统技术的取得了突破性的进展, 以其能源转换效率高, 系统运行稳定可靠地特性, 逐渐成为了分布式发电系统研究的主流[2]。

以分布式风力发电系统为例, 对于前级的风轮机, 虽然变桨距调节的输出功率稳定, 可调节性高, 但是由于变桨距装置是机械调节方式, 控制机构复杂, 响应速度慢, 而且故障率高, 因此在分布式风力发电系统中, 大多采用定桨距风轮机组。

对于后级的发电机, 目前的主流集中在异步发电机与永磁同步发电机之间。异步发电机组一般组成非直驱风力发电系统, 考虑风速在不断变化的过程中的发电机转速匹配问题, 因此在发电机组与风轮机组当中引入变速齿轮箱作为中转, 维持前级风轮机与后级发电机之间协调运转, 显而易见, 由于机械变速齿轮箱的引入, 增加了系统复杂度和控制难易程度, 并且降低了系统可靠性, 因此非直驱风力发电系统逐渐被直驱风力发电系统取代。

直驱风力发电系统以永磁同步电机为典型代表。其取消了风轮机与发电机之间的变速箱结构, 使得系统的可靠性程度得到一定程度的提高, 并且降低了系统维护成本, 发电机发电之后通过后级加入整流和逆变环节的控制, 实现最大风能跟踪以及电能的交直流变换。目前, 以永磁同步电机为基础的直驱分布式风力发电系统已经成为当前风力发电市场的主流应用。

但是由于永磁同步电机励磁磁场无法调节, 最大风能跟踪控制以及输出稳压调节均需要通过电枢电流的调节来完成, 存在解耦困难, 控制逻辑复杂的难点。DSEG由开关磁阻电机演化而来, 是一种新型的特种发电机, DSEG兼具永磁电机功率密度高, 出力响应快以及直流电机结构简单, 控制方便的特点。近年以来, 南京航空航天大学队DSEG展开了较为深入的研究, 从多方面论证了其在新能源领域应用的可能性。

2 基于 DSEG 的分布式风力发电系统

DSEG的典型结构与开关磁阻电机基本一致, 比开关磁阻电机多增加了一套励磁绕组, 正负半周均可输出转矩或者电能, 发电时仅需外加直流励磁电路, 由外部驱动DSEG转动, 即可对外发出三相直流电能, 外接二极管全桥整流桥, 即可实现最简单的直流发电系统。

典型的DSEG分布式风力发电系统结构图1所示, 前级由定桨距风轮机组构成, 由风轮机驱动发电机运行, 从而将风能转化为3相方波电能, 经过全桥二极管整流, 从而把能量存储至系统的高压直流母线。而后直流负载可以直接接入直流母线运行, 交流负载可以由DC/AC逆变后接入直流母线运行, 同时为了匹配负载需求和所捕获的风能, 需要在直流母线上接入双向DC/DC和蓄电池储能装置。

在系统中共存在励磁电路, 双向DC/DC两个主功率电路, 其中励磁电路一般采用H桥整流电路, 通过调节励磁电流大小, 实现发电机直流母线电压稳定。双向DC/DC电路完成对蓄电池电流电压的调节以及蓄电池电流的双向流动, 从而实现最大风能跟踪。DC/AC仅承担交流负载侧电压稳定功能, 不参与系统最大风能跟踪控制。在风能大于后级负载所需要的能量需求时, 由于前级能量过剩, 因此需要双向DC/DC正相运行, 将多余的直流母线能量存储至蓄电池。在风能小于猴急负载所需要的能量时, 由于前级能量不足, 因此需要双向DC/DC负相运行, 将蓄电池存储的能量释放至直流母线, 满足负载的需求。

该分布式风力发电系统的控制构架充分利用了DSEG励磁电流、电枢电流均可控的特点。使用两个独立的闭环控制, 实现了母线电压稳定和最大风能跟踪两个控制量的跟踪, 实现了电机励磁电流与电枢电流的解耦控制, 降低了系统控制复杂度, 增加了系统运行稳定性。与目前主流的永磁同步电机构架相比, 以DSEG构架分布式风力发电系统有着相当明显的优势, 目前已经有学者在仿真和模拟实验中实现了DSEG的分布式发电系统的运行, 证明了DSEG在分布式风力发电系统中的应用前景。

3 结语

目前, 我国在分布式发电领域, 不管是发电控制技术以及后续的能量管理技术方面, 与国外先进技术差距较为明显, 因此研究基于新型特种电机DSEG的分布风力式发电系统, 有利于追赶国外的分布式发电潮流, 从而争取在未来的电网技术的竞争中脱颖而出。

摘要：本文首先简单介绍了分布式发电系统的发展现状, 根据电励磁双凸极电机 (DSEG) 的本体结构, 简要介绍了其工作原理和运行特性, 最后构架了一种以DSEG为基础的分布式风力发电系统, 明确了DSEG在分布式发电系统中的应用前景。

关键词：DSEG,分布式发电

参考文献

[1]任海英.双凸极起动/发电机系统一体化设计与实现[D].南京:南京航空航天大学, 2006.

分布式风力发电 篇2

根据美国发布的可再生能源标准（RES），到2012年美国可再生能源占10%，2025年占25%。2004～2008年美国新安装风力发电机新增风电年均增长率为29%。2008年新增风电占新增可再生能源的42%。美国政府承诺长期支持风力发电，投资数十亿美元制造风电涡轮机和建设智能电网，2009～2029年安装风力发电机将每年新增风力发电能力4亿瓦～16亿瓦，到2030年风力发电总容量累计增加到305亿瓦，届时风力发电满足电力需求的20%。欧盟风力发电装机总容量56535兆瓦。丹麦风力发电占本国电力的20%，西班牙占13%，葡萄牙占12%，爱尔兰9%，德国8%。德国规划到2020年可再生能源发电占25～30%，德国于1991年制定法律鼓励发展可再生能源，主要是风力发电，德国风力发电涡轮机生产能力占世界22%，未来几年内将在海岸建大型风力发电场。

2006年我国风电装机总容量仅2588兆瓦，2008年增加到12121兆瓦，年均增长率为116%。据中国风能协会预测，2010年我国风电总装机容量达20亿瓦，2020年达到80亿瓦，2030年达到180亿瓦，2050年达到500亿瓦。我国政府将强力支持建设智能电网，解决风电输送问题，未来风电将成为我国电力的主要来源之一。

风力发电不如猫 篇3

一只鸟的3％代表什么意思?天鹅翼展最尖端的7厘米?鸵鸟的右脚?还是平均每具风力发电机造成鸟的死亡数目?据美国国家科学院《风能计划对环境冲击》的报告，是指第三种说法，这是统计30具涡轮扇叶一年对一只鸟杀伤率的数据。

写报告的科学家共搜集了14项自认可信的研究，很自然地对得到的数字附加了许多警告。他们知道死亡率会因地点不同而大有差异，正如哈姆雷特的名旬“一只麻雀的死生，都是命运预先注定的”，因此即使死的是一只秃鹰，也不值得去设法避免。

分析的结论是，不论怎么算，在美国被风力发电扇叶打死的小鸟一年不超过4万只，这个数目显然不能与每年被猫咬死的以“亿”为单位的小鸟比较。执笔者写到，涡轮扇叶虽然比用棒子挥击的伤害大些，最近的研究也发现鸟尸比预期多，但数目仍然微不足道。然而，有关连雀死亡阴影的研究未能平息爱鸟人士的忧虑，这批人看到风力发电机就会反感。以无碳能源来说，风力发电在环保人士眼中声名狼藉，大部分的抱怨都是为了鸟类安全及景观问题。风力发电厂并未拿到完全清白的“健康证书”，正如美国国家科学院报告中所指出的，大部分的资料都有局限性，英国实证保育中心主持人普林也认为证据十分薄弱。

拥有大量会员且颇具实力的英国皇家鸟类保护协会，反对在沿海岸发展大面积风力发电，因为陆地上的小规模装置被证实效果有限。这个组织坚决反对在苏格兰赫布里底群岛中的路易斯岛设立234座风力发电机的计划。

风力发电排名世界第三，仅次于美国、德国的西班牙也表发布研究指称，造成鸟类死亡的数目很小。但是西班牙环境保护论者认为，该数字未说出全部实情，环保顾问卡米尼亚曾监视140座风力发电厂中的70座。他说，2004年发表的研究，野外调查却是在10年前完成的，那个时代的涡轮扇叶要少得多。

卡米尼亚受雇于里奥哈、瓦伦西亚及安达卢西亚三个地方政府。他最近向马德里环保署递出的一项即将发表的报告指出，重点是猛禽被伤害的数量。举例来说，自2000年起，共有886只鲁氏粗毛秃鹫因此死亡。他表示，了解大型鸟类的死亡很重要，这是因为它们的繁衍较慢，只要有少数死亡就会影响到整体数量。

猛禽类在美国也引起重大争议，20世纪80年代开始运作的加州阿特蒙隘口风力发电机就曾有扫落金鹰的记录。但是拥有阿特蒙涡轮发电机的总裁柯埃比则辩称，这种说法是“欲加之罪，何患无辞”。“我听说每年有1000只鸟会撞上华盛顿纪念碑，这是否也应拆除?我们做的是拯救地球的事，甚至也救了鸟类，因为污染对鸟类的伤害是人类的2倍。”

分布式风力发电 篇4

在垂直轴风力发电系统领域,国内外学者分别进行了探索,提出了一种采用控制叶片数目和叶片不同弯曲度的控制来提高风能的利用率[8],并采用导叶或挡风板的结构实现引流,从而消除“负阻力”;设计了由负温度系数电阻组成的电子制动装置[9],有效地保护了风力发电系统的过压过流状态;Catalin Harabagiu把Savonius风机的风轮加入270°导流罩,使风机输出功率增加了2.5倍;为了改变发电机输出电压不定的问题[10],采用PIC16F887单片机生成PWM来改变IGBT的占空比,使电压保持某一特定值不变[8,9,10,11]。

本文在已有分析技术的基础上,首先使用Fluent软件对风机模型进行分析计算,得出风机的机械转矩,然后把转矩输入到Simulink搭建的发电机模块中,发电机采用矢量控制,最后通过定子电流、电机运行参数来分析系统的发电特性。

1 CFD三维模拟计算

1.1 风机模型

本文风机模型为Senegal式风机,其风轮为2层,每层由3个扇叶构成,扇叶由1个半圆柱面和1个长方形平板构成,结构如图1所示。为了减少能量耗散,便于风力发电,发电机与风轮转轴直接相连。图2为风机流体分析模型,发电机部分采用圆柱体代替,对模型部分结构进行合理简化,以便于计算。

1.2 设计参数及求解设置

本文设定风轮高度为4 m,内径1.7 m,外径1.9 m;使用Fluent软件进行计算,设定流体为等温,不可压缩的空气,模拟风机非定场流动且风速较低的情况,采用有限元体积法,计算使用k—ε湍流模型。

湍动能k方程和耗散率ε方程如下所示:

图3为风机的网格剖分图,在静止域和旋转域之间使用滑移网格。入口设定为速度入口,出口设定为压力出口,压力计算值为0,仿真精度设定为10-3,仿真时间设定为4 s。

2 风力发电机数学模型

2.1 风力机模型

尖速比是用来表述风机特性的一个十分重要的参数。风轮叶片端线速度与风速之比称为叶尖速比;叶片越长,或者叶片转速越快,同风速下的叶尖速比就越大。其表达式如下:

式中:R为风轮半径;ω为风机的角速度;v为来流风速。

风能利用系数用Cp表示,表示了风力发电机将风能转化成电能的转换效率,其大小与叶尖速比有关系,表达式如下:

式中:PT为风机的机械功率;ρ为空气的密度;A为风轮扫掠面积[12]。

根据式(3)、式(4)在Simulink中搭建风机模块,将来流风速v、风机转速ω作为输入量,通过调节其与来流风速之间的比例关系而得到。将风机的输出转矩Tm作为输出量。构建的风机数学模型如图4所示。

根据风能转换效率公式,以Fluent测出的转矩作为数据,使用转矩拟合,作出垂直轴风机的风能利用率曲线如图5所示。由图5可知,风能利用系数随着尖速比的增加先增后减,并在0.5附近达到最大值。

2.2 发电机数学模型

本文发电机使用永磁同步电机,当在静坐标系下加入运动和转矩方程后,电机电流向量和磁链矩阵表述相对复杂,因此以旋转坐标系参考,不计转子铁心与定子铁心的涡流损耗和磁滞损耗,忽略电机参数变化,则

定子电压方程为

定子磁链方程为

电磁转矩方程为

电机运动平衡方程为

式中:p为微分算子;ω为转子旋转电角速度;R1为定子绕组的电阻;Ld,Lq分别为d轴和q轴的电感;id,iq分别为d轴和q轴的电流;np为极对数;Ψf为转子永磁磁链;J为系统折算到轴端的转动惯量;B为阻力系数。

2.3 模型搭建

为了分析风机的发电特性,在Simulink中搭建仿真模型,如图6所示,主要包括风机转矩拟合和发电2个核心模块,在发电模块中,为了得到较为准确的数据,本文对永磁同步电机采用矢量控制[13];在风机模块中,使用瞬态分析,计算出风机在风速为6.705 6 m/s,转速为2.767 8 r/s时的转矩,将其数据输入到发电机模块,得到各物理量的特性曲线。S1为发电机三相电流,S2为发电机定子电流、转速、电磁转矩、转矩角。

在矢量控制中,本文采用转速电流双闭环PI控制方案,主要包括电流PI控制模块、速度PI控制模块、SVPWM模块和PMSM电机模块。定子电枢电流的直轴分量id和交轴分量iq由发电机输出,id对转子磁极磁场起到增磁或去磁的作用;iq和转子磁极磁场相互作用产生旋转电磁力矩。当id=0时,转矩Te和iq呈线性关系,只要对iq进行控制就能够达到控制转矩的目的。其控制过程为:根据检测到的电机实际转速和输入的基准转速相比较,利用转矩和转速的关系,通过速度PI控制器计算取得了定子电流转矩分量iq的参考量,同时给定定子电流励磁分量id,经过坐标变换将id,iq转换为两相静止坐标系下的电流信号iα,iβ将其送入SVPWM中产生控制脉冲,通过控制脉冲用于控制三相逆变器的各种开关状态,从而得到定子三相绕组的实际电流。根据本文设计具体情况,采用id=0的控制策略,因此id的参考值为0。

3 结果分析

当风速变化时,风机的输出转矩也随之变化,本文在设定风速为6.7 m/s下进行仿真,仿真时间为1 s,得出风机的发电特性如图7所示。

为了更清楚分析图形结果,图8是发电机运行参数的局部放大图。图9是风机的转速,维持在33.3 r/min,由图9可知,转速能迅速达到收敛,这是矢量控制的结果。图10为发电机的三相电流,可以看出输出电流为平滑的三相交流电,计算结果理想,符合预期效果。

4 结论

利用Matlab/Simulink建立了垂直轴风力发电系统的仿真模型,在风机模块中仿真得出此类型风机的风能利用系数曲线;根据发电机的数学模型和所设计的矢量控制系统模型,通过合理的参数,保证发电机在启动过程中达到预期的效果,最后对整体模型仿真,得出平滑三相交流电波形,此结果表明,该风力发电系统仿真结果正确合理,为后续垂直轴风力发电系统的设计提供参考。

摘要：由于分布式发电系统中垂直轴风机具有低转速、大转矩、运行稳定、控制简单等优点,使得垂直轴风力发电系统蓬勃兴起,但由于流场不定导致其发电特性不易掌握。以Senegal式风机为例,采用CFD流体分析风轮旋转,计算出风机的机械转矩,利用Matlab/Simulink建立以风机、发电机、矢量控制为主要模块的风力发电系统模型,计算出风机的性能曲线,对其发电特性进行分析,为垂直轴风力发电系统的设计提供借鉴和参考。

风力发电简介（定稿） 篇5

风力发电简介

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2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。

风是一种潜力很大的新能源，人们也许还记得，十八世纪初，横扫英法两国的一次狂风力发电图暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风[1]在数秒钟内就发出了一千万马力(即750万千瓦;一马力等于0.75千瓦)的功率!有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

利用风力发电的尝试，早在本世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。

目前，据了解，国外已生产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。

1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米;叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力;风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。

风力发电机原理及风力发电技术 篇6

1 风力发电机

风力发电机又称风车, 是将风能转换为机械功的动力机械, 机械功带动转子旋转, 最终输出交流电的电力设备。广义地说, 风能也是太阳能, 所以也被称为风力发电机, 是一种以太阳为热源, 以大气为工作介质的热能利用发电机, 一般说来, 3级风就有利用的价值。

风力发电的原理与传统的风车类似, 风力和风速带动叶轮旋转来收集风能, 通过增速机加速叶轮旋转的速度, 从而实现发电机发电。但是单纯依靠发电机并不能完成发电, 而是一套整体的运行系统。

2 风力发电机类型

目前投入商业运行的并网发电机可分为定浆定速型和变浆变速型两大类, 装机的发电机一般分为笼型异步发电机、绕线式双馈异步发电机和永磁同步发电机三种。风力发电机组结构包括机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、高速轴及其机械闸、发电机、偏航装置、电子控制器, 液压系统、冷却元件、尾舵等。不同的风力发电机结构自然也不相同, 该文重点研究双馈异步风力发电机和直驱永磁发电机。

2.1 双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。主要由电机本体和冷却系统两部分组成, 定子、转子和轴承系统组成电机本体, 冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

所谓双馈, 指的是有两个能量流动的通道, 双端口馈电, 即转子和定子都参与励磁, 都可以发电, 并且与电网有能量交换。变频器在双馈电机中必不可少, 变频器主要应用于变频驱动技术, 改变交流电动机工作电压的频率和幅度。在双馈异步发电机中, 定子绕组直接与电网相连, 转子绕组通过变频器与电网连接, 从而达到频率与电压成比例地改变, 既改变频率的同时控制变频器输出电压, 又使电动机的磁通保持一定, 满足用电负载和并网的要求。

在双馈异步风力发电机中, 变频器是一个重要的组成部分, 它主要由设备侧变频器、直流电压中间电路、电网侧变频器、IGBT模块、控制电子单元五部分组成。工作原理主要是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。应用于风力发电机的主要是交—直—交变频器。是先将交流电经整流器转化成直流电, 再经过逆变器把直流电变成频率和电压都可变的交流电。IGBT (绝缘栅双极型晶体管) 模块在逆变整流的过程中发挥着重要作用, 它虽然就是一个开关, 却是线路导通和关断的关键环节。双馈异步风力发电机是由风机拖动齿轮箱, 再带动发电机运行, 齿轮箱可以变速1:100倍, 以让风机在1500RPM (最高转速) 下运行, 目前流行的主要有1.25MW, 1.5MW, 2MW三种机型, 异步发电机的机组单价低, 1KW大概需6000元左右, 而且技术成熟, 国产化高。一对齿轮正确啮合的条件是两齿轮的模数和压力角分别对等, 而在实际操作过程中, 齿轮啮合不可避免的存在误差, 容易产生摩擦噪声, 所以也要定期检查齿轮箱润滑油供应是否充分。

在实际操作过程中发现, 双馈异步风力发电机因采用高速电机, 具有体积小、重量轻, 效率稿、价格低廉等优点, 但同时由于增速齿轮箱结构复杂, 容易疲劳损坏。

2.2 直驱永磁同步发电机

直驱, 顾名思义直接驱动, 是新型的电机直接和运动执行部分结合, 即电机直接驱动机器运转, 没有中间的机械传动环节, 直驱式风力发电机也称无齿轮风力发电机。永磁, 意为这种材料本身具有磁性, 不是磁化得到的, 一般不会退磁, 永磁材料又称"硬磁材料"。一经磁化即能保持恒定磁性的材料, 具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。直驱永磁同步发电机, 采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式, 免去齿轮箱这一传统部件, 同时增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降。众所周知, 齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件, 所以直驱永磁同步发电机的可靠性要高于双馈异步风力发电机。叶轮吸收风能后转化为机械能, 通过主轴传递给发电机发电, 发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。

因此, 没有齿轮箱的直驱永磁同步发电机, 具有以下优点:省去了齿轮箱这一机械部件, 传动结构得到进一步简化, 传动损耗大大降低, 提高了机组的可靠性, 提高了发电效率, 在低风速环境下优势更明显;机组的零部件数量也同步减少, 避免零部件损坏, 降低了运行维护成本;同时也大大降低了摩擦噪声, 使设备性能更优, 电网接入性能的优异也有利于电网的稳定运行。但同时也要看到, 为了提高发电效率, 发电机的极数非常大, 吨位也相应更重, 体积庞大, 同时直驱永磁发电机的单价较贵, 技术复杂。

通过分析得出, 直驱永磁风力发电机与双馈异步发电机相比优势更明显, 是未来风电系统发展的一个重要方向, 市场份额和占有率也会逐年增加, 而且会成为海上风力发电机组的首选机型之一。随着技术的日臻成熟, 也必将在我国风电机组中愈发重要。纵观风电机组现状得出, 直驱永磁风力发电机与双馈异步风力发电机将并驾齐驱中国风电市场, 成为我国风电市场上的两大主流机型。

3 我国风力发电发展的现状

煤炭是我国的主要能源之一, 火力发电是目前我国主要的发电形式, 但化石能源的不可再生性和污染性等等弊端已经危害到人类的生存和发展。提高清洁能源使用率、调整能源结构、发展可再生能源势在必行。当今世界能源发展面临着资源紧张、环境污染、气候变化三大难题, 解决这些难题, 必须走清洁发展道路。而风力发电技术已基本成熟, 具有可推广可实施的可行性。

据国家能源局网数据分析, 2015年上半年中国共有270个风电场项目开工吊装, 新增装机共5474台, 装机容量为1010万千瓦, 同比增长40.8%。其中, 海上风电共装机50台, 装机容量16.6万千瓦。从数据得出, 我国风电发展势头强劲。

我国幅员辽阔, 海岸线长, 风能资源比较丰富。根据最新风能太阳能资源评估图谱和数据, 我国陆地70米高度平均风功率密度达到200瓦/平方米及以上等级的风能资源技术可开发量为50亿千瓦, 全国陆地太阳能资源理论储量1.86万亿千瓦。主要分布在两大风带:一条是“三北 (东北、 华北、 西北) 地区丰富带”, 二是东部沿海风带, 另外内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。

4 结语

我国风能资源如此丰厚, 风力发电在我国有着广阔的发展前景, 在国家大力提倡清洁能源的大背景下, 更要提高风电机组的制造技术, 打造国产化风电装备, 同时做好风资源的测定和勘察工作, 依托政策发展风电。面对全球化的环境污染和气候难题, 寻找清洁能源是必经之路, 发展风电也必将是关键环节之一。

摘要：世界能源发展面临资源紧张、环境污染、气候变化三大难题。我国也亟需调整能源结构、发展清洁能源。风力发电作为可再生能源, 取之不尽用之不竭, 是一项朝阳产业。本文主要从风力发电机原理及风力发电技术入手, 分析了双馈异步风力发电机与直驱永磁风力发电机的原理和特点, 以及我国风力发电的现状。

关键词：风力发电,双馈异步,直驱永磁,风能

参考文献

[1]蒋宏春.风力发电技术综述[J].机械设计与制造, 2010 (9) :250-251.

风力发电及风力机械特性研究 篇7

一、风力发电系统的整体结构

风力发电系统整体结构如图1所示。首先, 通过自然界的风力吹动风力机的螺旋桨, 将风能转化为机械能, 通过转轴带动发电机运行, 将该机械能转化为电能, 通过整流器将所得到的电信号进行整流, 再将所得到的直流电进行功率变换。如是大型风力发电机组发出的电能可以直接输送到电网上;如是小型风力发电机发出的电能, 一般用储能设备将发出的电能存储起来。目前小型风力发电系统中一般采用蓄电池作为储能设备。经过功率变换器变换后的电能可对直流负载进行直接供电, 或者由逆变器进行逆变, 将直流电转化为交流电, 给交流负载供电[2]。

二、风力机械特性

(一) 叶尖速比与风能利用系数

根据贝茨理论可知, 风力机从自然风中所获得的能量是有限的, 能量的转换将会导致运动的风速下降, 所以采用风力机和发电机的形式不同。风力机的实际风能利用系数Cp<0.593, 即贝茨理论极限值为0.593, 在Cp的极限值范围内, 风力机能够从自然风中获取的能量效率与Cp值成正比关系。对实际应用中的风力机, Cp主要是由风轮叶片的结构设计和气动以及制造工艺水平决定。风力机单位时间内风轮捕获的风能Pm可用下式表示[3]:

其中ρ为空气质量密度 (kg/m3) ;S为风轮扫过的面积 (m 2) ;v为通过风轮时的实际风速 (m/s) ;R为风轮半径 (m) 。

由式 (1) 、 (2) 可知, 在空气质量密度ρ、风轮半径R和风速v一定时, 单位时间内风轮捕获的风能Pm与风能利用系数Cp成正比, 而Cp与风轮固定叶尖速比λ有关, λ可以表示为:

其中ω为风力机角速度 (rad/s) , n为风力机转速 (r/m in) 。

风力机特性与风能利用系数Cp、风轮固定叶尖速比λ和桨叶节距角β三者之间有关, 其表达式如下:

式中λ, λ1, β三者之间的关系为:

当β一定时, 典型的Cp=f (λ) 关系曲线如图2所示。该曲线表示当桨叶节距角为一定值时, 风能利用系数Cp与叶尖速比λ之间存在一定的变化曲线关系, 其中曲线的顶点表示风能利用系数达到最大值, 即存在一点λm与最大风能利用系数Cpmax对应, 该点就是风力机的最大功率输出点。

(二) 输出功率特性

在实际的风力发电系统中, 风力发电机启动时, 其内部的阻力需要有一定的力矩来克服, 这一力矩就是风力发电机的启动力矩。启动力矩与风力发电机传动机构的摩擦阻力有关, 风力发电机工作时有一个最低工作风速vin (也称切入风速) , 一旦风速低于vin时风力发电机就不能正常工作。风力发电机工作时也有一个最高工作风速vout (也称切出风速) , 一旦风速超过vout时, 就要考虑塔架和桨叶的材料强度系数等因素, 一般应该停止风力机运行。因此, 风力机正常运行时的自然风速介于切入风速vin和切出风速vout之间, 该风速称为风力机的工作风速。所以, 要充分利用某地风力资源, 就必须根据当地风能的切入风速vin和切出风速vout来确定相匹配风力发电机的机型。风力机的输出机械功率Pm表达式如下:

上式中, vin为切入风速, ve为额定风速, vout为切出风速, Pe为风力机额定输出功率。

图3为风力机工作时的运行曲线, 该曲线可运行于四个区域。其中:区域A表示该区域内的自然风速小于风力机切入风速vin, 风能所提供的力矩小于风力机转子的启动转矩, 风力机不能将风能转换为机械能;区域B表示该区域内的风速介于风力机切入风速vin和额定风速ve之间, 风能所提供的力矩大于风力机转子的启动转矩, 可以将风能转换为机械能, 带动发电机转子进行工作, 通过对发电机转子进行控制, 让其转速随自然风速而变换, 可以获得最大风能转换效率;区域C表示该区域内的风速介于风力机额定风速ve和切出风速vout之间, 该区域的风速较高, 有可能损坏风能转换系统, 如果调节馈入系统的风能, 还是可以保持风力机在额定功率正常运行;区域D内的风速过大, 已超出风力机切出风速vout, 会造成风力机转子速度过高和转矩过大而破坏了整个系统, 就需要强制停机保护系统[4]。

通过以上分析可知, 风力发电机组不可能将风轮所扫略的面积S内的风能完全转换为电能, 存在一定能量损耗, 在工程上, 转换效率一般为35%。通过检测发电机的输出功率的大小来对系统进行控制。当检测到发电机的输出功率保持稳定时, 即风力机转速在正常工作转速范围内时, 系统对蓄电池进行充电, 同时检测发电机的输出功率;当检测到发电机的输出功率减小时, 可通过调节系统的充电电路中功率开关管的占空比, 实现对输出功率的调节;当检测到发电机的输出功率增大时, 即风速超过切出风速vout时, 或蓄电池充满时, 需要启动系统的卸荷电路进行卸荷, 保证整个系统安全运行。

三、风力发电的控制策略

在智能型风力发电系统中, 当风力发电机捕获的风能不能满足负载用电和蓄电池充电时, 需要调节风力机按照最佳叶尖速比运行, 跟踪最大功率。风力发电的最大功率点跟踪控制方法可以大致分为两类:风速自动跟踪控制和风机转速反馈控制。

1.风速自动跟踪控制。风速自动跟踪控制策略的原理如图4所示:首先由测速装置测出自然风速, 根据风机最佳功率负载曲线计算出Pg作为控制系统的给定功率, 将风力发电机实际输出功率的观测值Pr与给定功率Pg进行比较, 所得到的误差量△P由PI调节器进行调节, 达到对风力发电机的输出电流大小的调节, 再通过反馈环节, 最终实现对风力发电机的输出功率进行调节。

此控制方案可以根据风速的变化适时地调整风力发电机的输出电流值, 从而使风力发电机的输出功率得到实时调整。该控制方案设计简单, 又能使风力机保持在最大功率点处工作, 能量转换效率高。但由于确定风力机的最佳功率负载曲线, 需要事先知道准确的风力机功率特性, 所以实现本方案有一定的困难。

2.风机转速反馈控制。风机转速反馈控制方案图如图5所示。当风力机在正常区域内运转时, 带动发电机在正常转速范围内工作, 测出发电机的转速, 利用转速和风力机的特征参数关系式, 计算出Pg作为功率给定值, 与发电机的输出功率的观测值Pr作比较, 将所得到差值△P经过PI调节器后, 得到发电机的输出电流的调节值, 最终实现对发电机的输出功率进行实时调节[5]。

风机转速反馈控制策略是在风速自动跟踪控制策略的基础上进行了修改, 二者的不同之处在于:风机转速反馈控制将发电机输出功率与风速之间的关系转换成发电机输出功率与发电机转速之间的关系, 实现了转速反馈。其效果不仅可以使系统工作在最佳功率负载曲线附近, 而且使系统结构变得更简单、更可靠。与自动跟踪控制策略相比有如下优点:

(1) 控制策略简单, 可以保证风力机工作在最佳功率负载线附近, 能量转换效率较高, 系统结构变得更简单、更可靠。

(2) CP、λ两个特征参数以及最佳功率负载曲线对应的功率与转距之间的关系式都较容易得到, 只需知道风力机的转速就可以, 而风力机的转速可以很方便求出, 本方案实现难度较低。

四、结论

本文通过对风力发电的组成和运行原理的分析, 采用了风速自动跟踪控制策略, 为今后制作风力发电样机奠定了坚实的理论基础。

参考文献

[1]左然, 施明恒, 王希麟.可再生能源概论[M].北京:机械工业出版社, 2007.

[2]裴郁, 我国可再生能源发展战略研究[D].辽宁师范大学, 2004.

[3]张伯泉, 杨宜民.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势[J].中国电力, 2006, 39 (6) .

[4]张希良.风能开发利用[M].北京:化学工业出版社, 2005.

风力发电的技术综述 篇8

将风能转化为机械能进而转化成电能的装置称为风车。风力发电的原理就是利用风带动风车叶片旋转, 然后通过增速机提升旋转角度作用于发电机, 从而产生电能。

小型风力发电系统并不是简单地只由一个发电机头组成, 实际上它是一套具有一定结构的运行体系:风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由叶片、尾翼、转体和机头组成, 每一部分都很重要。叶片用来接受风力并将风能转化成动能;尾翼使叶片始终对着风吹来的方向以便于叶片获得最大的风能;转体使机头实现尾翼的转向功能;机头的定子发生电磁感应将机械能 (主要是动能) 转化为电能。

下面我就简单介绍一下发电机的工作原理。

1风能

风能, 也就是空气的动能, 因为空气的定向流动形成风。设风速为V1, 质量为m的空气在单位时间内通过垂直于气流方向、面积为S的截面的动能为:

E=mV12

而m=/t=SV1

则E=SV13 1

式中L为气流在时间t所通过的距离, 为空气密度, 在标准状况下取值1.293kg/m3。由上式可见, 气流的动能与风速的立方成正比关系。

2风能的利用

学过物理的都知道, 物理学中的能量转化率不可能达到百分之百, 对于风力发电机也是一样, 风能不可能百分之百的转化为电能, 那么风力发电机的究竟能利用多少的风能, 而什么样的条件下风力发电机能最大限度地利用风能呢?

2.1 贝兹理论

贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论, 它由德国物理学家Albert Betz于1919年提出。

贝兹理论假定风轮是理想的, 气流通过风轮时没有阻力, 气流通过整个风轮时其掠面是均匀的, 并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。

以v1表示风机上游风速, v0表示流过风轮旋转面S时的风速, v2表示流过叶片截面后的下游风速 (也称剩余风速) 。

根据动量定理, 质量为m的空气, 流过风轮旋转面S之后, 在风轮上产生作用力为:

undefined

风轮吸收的功率为:

P=FV0=v02 (v1-v2) 3

从风机上游至下游, 单位时间内气流动能的变化量为:

E=V02 v12-v02 v22=v02 (v12-v22) 4

由风轮吸收的功率在数值上等于单位时间内气流动能的变化量 (实际上风轮吸收的能量就来源于气流的动能) 可得

P=E

即

V02 (v1-v2) =v02 (v12-v22)

即

v0= (v1+v2) 5

将5式代入3式中得

P=S (v1+v2) (v12-v22) 6

当上游风力v1不变时, 令dP/dv2=0, 即当v2=v1时, 6式取得极大值, 即

Pmax=Sv13 7

如果设P0为气流的初始动能, 则根据1式可得

P0=Sv13

根据以上条件, 即当上游风力v1不变时, 令P/P0可得当v2=v1时, P/P0取得最大值, 即

P/P0=1

以上也就是德国物理学家Albert Betz得到的理想情况下, 风能转化成动能的极限比值为16/27, 约为59.3%, 这也就是发电机的最大理论效率。

2.2 发电机的实际输出功率

我们将风力发电机的实际风能利用系数 (即功率系数) Cp定义为风力发电机的实际输出功率与六国风轮旋转面S的全部风能之比, 即

Cp==2P/Sv13 8

由以上推理过程我们不难看出, 实际风能利用系数Cp总是小于16/27。另外, Cp并非是一个常数, 它与风速、发电机转速、负载以及叶片参数如叶片翼型、翼长等因素相关。

由9式可以得出, 风力发电机的实际输出功率为

P=CpSv13 9

而风车作用时的截面S为圆形, 设风车叶片半径为R, 则

S=R2 10

将10式代入9式得

P=CpR2v13 11

上式即表明了风力发电机的输出功率与各物理量的关系。

2.3 影响贝兹理论的环境因素

2.3.1 对风力发电机功率影响最大的因素依次是风速v1和风轮半径R, 但其中空气密度的影响也很大。而根据11式, 这对发电场的选址和发电机风轮叶片长度的确定具有决定性的意义。

2.3.2 针对某一个确定的地区, 其四季的平均风速一般不会有太大的变化, 而叶片长度也不能无限的长 (会增大其他能量的损耗) , 因此, 当风力发电场的位置选定时, 空气密度也基本确定, 那么这时, 11式中对风力发电机的输出功率影响最大的就剩下了Cp。所以如何提高发电机的输出功率就转变为了如何提高Cp。这就要求发电机的设计人员能设计出具有相对来说最佳Cp的风力机。

2.3.4 影响功率系数Cp的物理量

(1) 在风机的设计过程中, 风轮转速与风速的关系通常合并为一个变量——叶尖速比, 定义为风轮叶片尖端线速度与风速之比, 即

Cp=R/v1 12

式中为风轮角速度, R为风轮最大旋转半径。

叶尖速比是风机的重要参数, 其取值直接影响Cp。

另外, 桨距角也会对风力发电机的功率系数Cp产生影响。

2.3.5 风力发电机功率的调节方式

任一地方的风力都是随时变化的, 而其变化是人类无法控制的, 所以设计的风力发电机必须能满足对风力适应性的要求。

风力发电机设计时一般都有额定风速和切入风速、切出风速等几个参数。

额定风速是风力发电机达到额定功率输出时, 轮毂高度处的设计风速, 对风力发电机的平均输出功率有决定性的作用。额定风速偏低, 风力发电机会损失很多高于额定风速的风能。额定风速过高, 额定功率大, 相应的设备投资就会增加, 若实际风速大部分时间都达不到这个设定的风速, 就会造成资金浪费, 而且额定风速高, 设备大以后, 切入风速会相应提高, 会损失低风速风能。

切入风速是风力发电机的开机风速, 高于此风速后, 风力发电机能克服传动系统和发电机的自身能量损耗, 产生有效输出。

切出风速是风力发电机的停机风速, 高于此风速后, 为保证自身安全, 发电机会停止工作。

风力发电机的输出功率与风速的基本关系如下图:

风速在切入风速和额定风速之间时, 一般使桨距角保持在最佳位置, 就可以最大限度地利用风能;风速在额定风速和切出风速之间时, 要使电器部分不致于因过载而损坏并继续保持在额定功率输出, 就要采用一定的调节方式。

云南风力发电特性探析 篇9

截止2015年10月,云南已投风电场升压站66座,已投及在投风电场装机规模达5 560MW,占纳入省调电力电量平衡装机总容量比例为8.7%,如图1所示。预计到2020年风电装机规模将达到9 910 MW,2030年风电装机将突破20 000 MW。

2014年风电发电量占纳入省调电力电量平衡装机总发电量的比例为3.3%。2015年截止9月底风电发电量占比为4.7%,如图2所示,预计2015年风电发电量占比将达到5%。

随着风电大规模投运,及能源政策向可再生能源的倾斜,风电装机占比及风电发电量占比逐年提升。风力发电的随机性、间隙性及预测难度大等特性,对电网安全稳定运行的影响将越来越凸显,对各能源发电有序安排的影响也将越来越凸显。电网对风电吸纳能力的研究, 及风力发电对电网安全稳定运行影响的研究将越来越迫切。掌握风电发电特性无疑是开展这些研究的基础。本文从云南电网全网角度,考虑全网风电发电的集群效应,根据风力发电历史数据对比分析,揭秘云南风力发电特性,以期为其他方面的研究打好基础,为风电场的检修安排提供依据。

1年利用小时情况分析

近几年云南风电装机规模逐年增加,风电发电量也是逐年增加,可比性不强。但从发电利用小时数来分析,可从全年尺度来分析云南风电发电一年的变化趋势,如图3所示。

风电是国家有政策倾向的可再生能源,在正常运行过程中风电一般不受限制。只在个别地区,因地区电网存在较严重的动稳定问题, 送出受阻,需要弃风限出力,但弃风率不大, 本次研究忽略弃风对利用小时数的影响。图3基本可以反映全省风电一年的发电趋势(单位: 小时)。

从图3分析来看,云南风电全年大致可分小风期、平风期、大风期三个时段。一般7~9月是小风期,6、10月是平风期,11月至次年5月是大风期。

一般大风期的7个月风电总发电量占全年风电发电量75% 以上,如图4所示,平风期2个月总发电量占全年风电发电量11% 左右,小风期3个月总发电量占全年风电发电量10% 左右。

从大风期、平风期、小风期的分月平均情况来看,如图5所示,大风期各月全省平均发电量占全年发电量11% 左右。

平风期各月风电平均发电量占全年风电总发电量的5.5% 左右,小风期各月风电平均发电量占全年风电总发电量3~4% 左右。各年虽有一些波动,但大体趋势是一致的。

总体来看,风电大风期与水电枯期同期性较高,大致上风电的大风期刚好是水电的枯期, 风电的小风期也正好落在了水电的汛期期间, 从年度平衡来看,可形成很好的水风互补态势。

2日电量变化情况分析

掌握日电量变化规律,可以为电网的开机方式安排、日前计划制定、电量备用安排以及各类能源发电的合理调配提供参考依据。

图6反映的是从2011年10月到2015年10月日电量变化情况,即当天全网风电发电量与昨天全网风电发电量之差(单位:MWh)。 从图中可以看出随着风电装机容量不断增大, 日电量变化波动幅度也随着增加。以2015年为例,最大正偏差出现在2015年4月14日,比前一天多发29 740 MWh,其平均出力为1 240MW,占当时风电总装机3 760 MW的33% 左右。 最大负偏差出现在2015年2月11日,比前一天少发32 790 MWh,其平均负荷为1 366 MW占当时风电总装机3 450 MW的39.6% 左右。

一般风电当天发电量比前一天发电量出现负偏差,对电网的影响比出现正偏差更严重。 出现正偏差时可以通过调减其他火电、水电等出力可以达到电量平衡,或者在电网运行条件允许的情况下可以增加外送电量来解决,实在没办法平衡还可以采取限制风电出力来达到平衡。如果出现负偏差,调控难度将增大。如果备用充足的情况下,可以通过调用备用来实现电量平衡,如果备用不充足时,则只能调减外送来实现平衡,更严重情况下还可能通过错峰限电来实现平衡。在由枯入汛时期,负偏差的影响最大,因为此时各大水库水位已拉到最低水位附近,且这一时期为了拉水,火电机组往往都会停机让电,开机方式很小,在这个时期如果出现大的负偏差,对电网电量平衡安排的影响将非常大,此时会出现无电可调的局面。 火电机组开机一般需要1天时间,当天是不能参与平衡的,这时只能紧急调减外送,等火电机组开机后再逐步恢复外送,在目前电力市场不景气的情况下,这种模式会影响全年水电消纳计划,会影响外送年度计划的完成。详细分析日电量变化情况对电量平衡、全年水电消纳意义重大。

图7反映的是2014年10月~2015年9月电量变化情况(单位:MWh)。经统计分析如图8所示,类似于正态分布曲线。

电量变化量出现在各区间的天数如表1所示。

日电量变化值出现在 ±10 000 MWh范围内出现的天数最多,达到265天,占全年天数比例为72.6%。负偏差大于等于20 000 MWh以上的天数7天,正偏差在20 000 MWh以上的天数8天,占全年比例分别为1.9% 和2.2% 属于小概率事件。正负偏差绝大多数落在了 ±15 000 MWh范围内, 其天数占全年比例87.4%。按 ±20 000 MWh范围的置信区间考虑的的话,电量偏差落在该范围的天数占全年比例为95.9%。总结以上分析可见,日电量变化的正负偏差极值均发生在大风期。在目前风电装机容量水平下,偏差在不同置信区间的概率可预计。根据历年变化趋势来看,随着风电装机容量增大,日电量变化值也在正相关的增大, 置信区间的选择需要根据装机容量的变化不断研究和调整。电力调度控制中心可根据这一研究成果,统筹安排风电发电和备用,确保电量平衡,各能源类型机组的发电平稳有序。

3日峰谷差情况分析

掌握风电出力变化规律,可以为电网的开机方式安排、日前计划制定,一次调频备用、 二次调频备用、三次调频备用的合理安排以及各类能源发电的合理调配提供参考依据。

图9是某风电场一天的发电曲线,图10是同一天全网风电出力曲线。对比分析发现,单个风电场出力波动比例较大,随机性、间隙性更凸显,研究难度大。如果从全网角度来看, 总出力波动比例较小,风电集群效应明显,研究风电集群的发电特性意义重大,基本可以满足调度调频需要。

图11反映的是2014年10月至2015年9月间,全网风电一年的出力5分钟变化情况。 总体来看, 绝大多数波动值均落在了 ±100MW范围内。然而电网实时调度需要按最严重情况考虑,需留足备用并做好预案。从极值来看,5分钟最大出力负波动出现在2014年10月5日,波动值为-151 MW;最大正波动出现在2015年2月14日, 波动值为119.2 MW。 在目前一、二次调频备用充足的情况下,上述正负波动值均能在5分钟内平衡。在目前风电装机容量情况下,5分钟波动值完全能够通过一、 二次调频实现平衡,对系统影响可控。但是随着风电装机规模越来越大,尤其是实时发电设备容量中,风电开机容量占总开机容量比例越来越高的情况下,5分钟负荷波动值要时刻关注, 跟踪研究,确保其波动极值能够实时得到平衡, 避免频率越限。

图12反映的是2011年12月至2015年9月全网风电日峰谷差值的情况。分析可知,随着风电装机规模增大,日峰谷差值也逐渐的增大,这给调度日内的三次调频备用安排带来了难度。

以2014年10月至2015年9月日峰谷差来分析,如图13所示。按250 MW一个区段对一年的日峰谷差统计如图14所示。

日峰谷差在各区间出现天数见表2所示。

在目前风电装机容量情况下,日峰谷差变化不超过250 MW的概率非常低。日峰谷差超过500 MW的占比78.4%,超过1 000 MW的占比29%,最大日峰谷差为2 011.1 MW,出现在2015年4月15日(图10)。日峰谷差随着风电装机容量增加而增加,给电网调度带来了挑战。日前发电计划安排时需考虑留足电力备用,同时做好减外送、错峰限电等预案,提前做好应对措施。实时调度时,要根据电力备用剩余情况提前介入,超前谋划,将备用控制到安全水平。

4结束语

目前,云南电网风电装机容量增长较快, 同时又有国家政策扶持,使得实时可调容量中风电开机容量占总开机容量比例逐步增加,这给电网调度的日前计划安排和日内的实时调度都带来了越来越深刻的影响。充分研究风力发电特性是风电全额消纳机制建立和保障电网安全稳定运行的基础。本文研究成果及方法以期得到抛砖引玉的作用,为更深入的研究云南风力发电特性探路。对其他区域风力发电特性研究及消纳研究提供参照。

参考文献

直驱永磁风力发电技术 篇10

直驱永磁风力发电技术。

二、技术类别

零碳技术。

三、所属领域及适用范围

电力行业、风电领域。

四、技术应用现状及产业化情况

目前, 我国变速恒频风力发电机组主要包括双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步风力发电机组。至2013年底, 直驱永磁风力发电技术已在全国30%以上的风电机组上应用, 并在1.5 MW、2.0 MW、2.5 MW、3.0 MW机组上均实现了产业化。未来, 该技术在海上风电大兆瓦级发电机组上有很大的应用潜力。

五、技术内容

1. 技术原理

实现直驱、永磁和全功率变流技术的系统集成, 三者相辅相成, 以电流的快速变化适应风速变化, 可有效减轻机组的机械磨损, 适应风速脉动变化和电网需求。由于采用直驱永磁技术, 无齿轮增速箱设计, 因此单位发电能耗较双馈风力发电机组低。

2. 关键技术

(1) 载荷控制技术;

(2) 大型永磁电机设计技术;

(3) 变桨系统控制技术;

(4) 信号专用采集技术。

3. 工艺流程

直驱永磁风力发电机组结构如图1所示。

六、主要技术指标

(1) 年均机组运行利用率达99%以上;

(2) 机组平均传动效率相对齿轮箱传动链机组高2%以上;

(3) 可以实现零电压穿越, 功率因数达-0.9~0.9。

七、技术鉴定情况

2.5 MW直驱永磁风力发电机组获得2011年度国家能源科技进步奖一等奖;2012年获得德国TüV Nord设计认证;2013获得了北京鉴衡认证中心的设计认证。2012年, 该项技术还分别获得进入北美、澳洲及欧盟市场所必需的安全认证、CE认证等专项认证, 以及职业健康与防火要求评估。

八、典型用户及投资效益

典型用户:中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司、中广核电力集团公司、华润电力集团公司、国华电力集团公司和国投电力集团公司等。

典型案例1:金风达坂城试验风电场项目。

建设规模:总装机容量为4.95万k W风电场项目。建设条件:风功能密度达到七级标准, 风能资源较好, 有效风速小时较高;区域电网配套规划建设完善。主要建设内容:安装6台3.0 MW和13台2.5 MW直驱永磁风力发电机组。主要设备为2.5 MW直驱永磁风力发电机组和3.0 MW直驱永磁风力发电机组。项目总投资4.2亿元, 建设期为1年。年减排CO2量10万t, 年经济效益6300万元, 投资回收期约为7年。减排CO2成本为50~100元/t。

典型案例2:河北官厅风电场项目 (一期) 。

建设规模:4.95万k W风电场。建设条件:风资源年平均风速达到3 m/s以上, 年有效小时数不低于1700 h, 不能超过机组的极限风速;区域电网建设配套完善。主要建设内容:安装33台1.5 MW直驱永磁风力发电机组。主要设备为1.5 MW直驱永磁风力发电机组。项目总投资2亿元, 建设期6个月。年减排CO2量7.4万t, 年经济效益5000万元, 投资回收期4年。减排CO2成本降低20~50元/t。

九、推广前景和减排潜力