风力发电结构（精选十篇）
风力发电结构 篇1
随着科技的不断进步, 社会的不断发展, 能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一, 同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注, 在一定程度上, 风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。风力发电机组可将风能转换为机械能和电能等。深层次地了解风力发电机结构, 可在一定程度上提高其整个系统的性能、效率和供电质量, 同时国家在这方面也很十分的重视, 国家的科技人员都一直着力于风电技术的研究与开发, 国家发改委更是制定了《乘风计划》与《光明工程》计划。
2 风力发电机历史与现状简介
据记载可知, 我国是世界上利用风能最早的国家之一。早在三千年前, 人们就利用风帆来提供动力用于航运;同时在一千多年前就有人发明了帆布风车提水机, 其用途在于用于农田的灌溉等。在改革以前, 我国风力发电的发展明显落后。但是经过多年来相关技术人员的研究和不断的开发, 现如今我国的风力发电机已经有了一定的成就。目前, 在我国的内蒙古, 新疆地区, 小型的风力发电机组已被广泛使用。随着科技的不断发展, 国家加大了这方面的研究, 将力学、动力学、新材料和计算机技术等应用到风力发电机组的研究中, 取得了不错的效果。国家还着力于研究大型风力发电机, 同时和国外的技术人员进行交流, 引进先进设备、材料等组建风电场等, 在一定程度上, 促进了我国风电事业的发展。
3 风力发电机机械结构分析与工作过程
3.1 风力发电机机械结构分析
目前占市场主流的是水平轴风力发电机, 平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用, 但是用来发电还是近10多年的事。与传统的水平轴风力发电机相比, 垂直轴风力发电机具有不用对风向, 转速低, 无噪音等优点, 但同时也存在起动风速高, 结构复杂等缺点, 这都制约了垂直轴风力发电机的应用。所以本文就只对水平轴风力发电机的结构进行了分析。
大型水平轴风力发电机的结构组成成分包括: (1) 塔架、 (2) 风轮、 (3) 机舱、 (4) 控制系统等部件。
(1) 塔架。
塔架的作用在于对整个风力发电机的安装与支撑, 由于不同的需要, 塔架的结构主要有如下三种, 分别是:①型钢桁架结构、②混凝土结构、③圆锥型钢管结构。其中桁架式塔架造价虽低但维护不方便, 钢管结构由钢板卷制焊接而成, 有结构紧凑、安全可靠、维护方便、外形美观等优点, 已逐渐广泛应用。
(2) 风轮。
风轮的作用在于接受风能, 其组成主要是由2～3个叶片安装在轮毂上, 经过相关技术人员的研究与大量的实验数据可知:对于大型风力发电机而言, 当其叶片的直径在 60m以上或者100m以上时, 其接受风能的能力会更好。在技术方面, 由于叶片的角速度是相同的, 但是其距离旋转中心不同半径处叶片的线速度是不相同的, 所以叶片不同处接受风的能量也是不相同, 但是具有一一对应关系。技术人员为了使得叶片各部分接受风的能量大致相同, 所以对叶片结构进行了一定程度的加工, 通过对大量实验数据的对比, 最终将叶片的结构制造成了从叶片根部至叶片尖部是渐缩的, 同时扭转了一定角度的机翼型扭曲叶片。
由于风电发电机组经常被使用在具有风沙的地方, 所以风轮叶片都具有一定的承受沙暴侵袭的能力, 同时其也具备防雷的效果。
(3) 机舱。
如下是风力发电机机舱的结构图:
图中每个标号具体的内容如下所示:
1—底座;2—偏航制动器;3—偏航电机;4—低速端联轴器;5—增速器;6—机舱底座;7—励磁机;8—交流发电机;9—高速端联轴器;10—高速轴制动器;11—机舱;12—爬梯;13—变桨矩控制轴承;14—变桨矩液压油缸;15—变桨矩控制连杆;16—风轮叶片;17—风轮轮毅;18—风轮轴承;19—偏航轴承;20—三相交流电输出装置;21—风轮接合器。
3.2 风力发电机的工作过程
由于风方向的不定, 所以风轮必须时刻正对风的方向, 而大型的风轮是不能由人力来控制其转向的, 进而在风力发电机的机舱转盘底座上安装了调向机构, 以便可以随时根据需要调整风轮的转向, 使发电机可以正常的工作, 为人们提供能量。对于调向系统而言, 其必须具有自动解缆和扭缆的保护装置, 以便可以更好地工作, 不致在工作中出现问题。
同时由于风有大小之分, 并且风轮的直径比较大, 所以在运行时, 风轮的转速是比较低的。为了使其满足发电机的转速要求, 技术人员便在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间安装了增速器, 增速器的功能在于使转速可以达到额定转速, 这样发电机才可以正常的工作。需要注意的是并不是风速越大越好, 而是要将风速控制在许可的范围内, 这样风力发电机才可以正常发电。所以风电场都是具有测风装置的, 其装置主要是风速仪, 同时每个风力发电机还必须具备一套完整的调速装置, 其作用在于当风速过大的时候, 可以在一定程度上降低风速使发电机可以正常的工作, 而不致于被破坏。
4 风力发电机组控制策略
由于鼠笼式异步发电机对风能的利用率较低, 本文只对变速恒频发电系统的控制策略进行了分析, 因为其可以让风力发电机按比较好的效率运行, 尤其是对于大型的风力发电机组。根据相关资料得知, 目前变速恒频发电系统已经逐步成为了风力发电系统的主要发电方式, 备受研究人员重视。
对于不同区域, 可以将变速恒频双馈风电机组的基本控制目标分为两类: (1) 当风速低于额定风速时, 可以利用最大风功率系数Cpmax , 以便可以获得最大的风能效果; (2) 当风速高于额定风速时, 可以利用风的最大输出功率 PTmax, 以便获得稳定的功率输出, 以达到好的工作效果。
根据其运行原理可以这样来描述变速恒频双馈风电机组: (1) 风速由零开始变大时, 发电机的转速和Cp 都不断的上升, 并且在切入风速之前, 风力发电机组不发出电能而只是做机械转动; (2) 但是当风速逐渐达到切入风速时, 发电机转速便可以逐渐地达到允许的最高转速, 此时发电机组便开始进行发电, 发出电能。
如果风速逐渐地增大, 那么发电机的转速也会不断地增大, 致使其最终达到允许的最值, 此时, 只要功率低于允许的最大功率, 风电机组便会于转速恒定区运行。于转速恒定时, 如果风速还是继续地增大, 此时的Cp值便不会再继续增加而是略有减小, 但是风力发电机的功率不会降低而是持续地增大。但是需要注意的是:一旦风力发电机的功率达到功率极限时, 机组便会进入功率恒定区, 如果此时的风速还是继续地增大, 发电机的转速便会以最高转速运行, 而不会再增速。
5 风力发电机类别分析
5.1 根据风力发电机的功率分类
微型风力发电机, 其额定功率为50～100W;
小型风力发电机, 其额定功率为1～10KW;
中型风力发电机, 其额定功率为10～1000KW;
大型风力发电机, 其额定功率为1000KW以上;
目前还有公司在进行10MW的超大型风机研发。
5.2 根据风轮轴安装形式分类
其可以分为两类: (1) 水平轴风力发电机; (2) 垂直轴风力发电机。其中水平轴风力发电机是指叶轮旋转平面与风向垂直的;而垂直轴风力发电机是指叶轮旋转方向与风向平行, 它们之间的区别在于垂直轴机型的整机效率低、同时叶尖速度比较低。
5.3 根据风力发电机按作用分类
其也可以分为两类及独立型和并网型。其中独立型风力发电机指的是单台机独立运行工作的中、小型机。而并网型风力发电机指的是以机群布阵的、可以在一定程度上组成风电场运行的中、大型风力机。
5.4 根据风力发电机的运行特征分类
可分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机和变速风力发电机。
6 结语
21世纪是个竞争激烈的时代, 能源问题是每个国家必须解决好的问题之一, 而风能资源是丰富的、可再生的, 所以发展风电产业具有十分重要的意义。现如今各国家都在积极培养相关人员以便更好地研制风力发电新技术, 以在一定程度上降低风力发电成本, 好造福人类。由此可见在未来的世纪中, 风力发电必将成为各国家的重要发电产业之一。
参考文献
[1]苏绍禹.风力发电机设计与运行维护[M].北京:中国电力出版社, 2003.
[2]李俊峰, 高虎, 王仲颖等.2008中国风电发展报告[M].北京:中国环境科学出版社, 2008.
[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2006, (1) .
风力发电结构 篇2
班级：材料工程111 学号：205110137 姓名：张宇
摘要：本文对中国风能现状及资源分布，近年来中国风力产业的发展状况以及复合材料在风电叶片上的应用进行论述。
关键词：风力发电；发展状况；复合材料；风电叶片
Abstract:This review concerns about the stituation and resource distribution of windy energy in China,the development status of chinese wind power-generation enterprises and the application of composites in wind power-generation.Key words:Wind power-generation；Development status；Composites；Wind turbine blade 引言
社会经济的持续发展导致能源消耗不断增加，我们正面临日益严峻的能源形势。全球范围的石油、天然气能源逐渐枯竭，环境恶化等因素迫使我们寻找更加清洁、可持续发展的新能源，风力发电应运而生。中国风能资源非常丰富，主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。
风力发电产业市场巨大，竞争激烈。据估计，2006到2010年之间，我国风电叶片的需求量大约在7000多片，2011到2020年的需求量则将达到惊人的50000片。巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。整机方面，目前国际市场格局已初步成型。2005年全球超过75％的市场份额被丹麦Vestas、西班牙Gamesa、德国Enercon和美国GE WIND四家企业占据，新进入企业的生存空间不大；国内的整机生产企业中，新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好，这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似，单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额，其产品被GE WIND、西门子、Repower、Nordex等公司全部或部分采用；另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。
风电叶片作为风力发电机组系统最关键、最核心的部件之一．叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电机组的性能和功率，也决定着其电力成本及价格。复合材料在风力发电上的应用，实际上主要是在风电叶片上的应用。风电叶片占风力发电整个系统成本的20%到30%。制造叶片的材料工艺对其成本有决定性影响，因此材料的选择、制备工艺的优化对风电叶片十分重要。
1.中国风能资源及其分布
1.1中国风能资源
据有关研究成果预测，我国风能仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，理论储32260GW，陆地上离地10m高可开发和利用的风能储量约为2.53亿kw(依据陆地上离地10m高度资料计算)，近海(水深不超过10米)区域，离海面10米高度层可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计10亿kW，风能资源非常丰富。
1.2中国风能资源分布
风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及“三北”(东北、华北、西北)地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。“三北”地区包括东北3省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省自治区近200km宽的地带，风功率密度在200~300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，可开发利用的风能储量约2亿kW，约占全国陆地可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。包括山东，广西和海南等省市沿海近10km宽的地带，年有效风功率密度在200W/m2以上，沿海岛屿风功率密度在500W/m2以上，风功率密度线平行于海岸线，可开发利用储量为0.11亿kW，约占全国陆地可利用储量的4%。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线1800km，岛屿6000多个，大有风能开发利用的前景。
2.近年来中国风电产业发展
2.1产业发展现状
2000至2009年10年间，中国风能产业飞速发展，风能累计装机的容量平均的怎张速度高达72.8%。从2005年起，总装机容量的增长速度超过了100%。截止到2009年12月31日，中国（不含台湾省）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(2788.1 MW)辽宁(2425.3MW)吉林(2063.9MW)内蒙古2009年当年新增装机5545MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。
从风电零部件制造方面来看，据统计，2004年中国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年这一数字已提高到80家以上。已开始生产的内资叶片企业52家，轴承企业16家，齿轮箱企业10家，变流器企业12家，塔筒生产企业则有近100家。其中，叶片制造企业中复连众、中材科技年供货已超过500套，中航惠腾年供货超过2000套；轴承制造企业洛轴、瓦轴、天马等已具备批量主轴轴承生产供应能力齿轮箱制造企业中南高齿年产超过3000台，大重减速机超过2000台、重齿超过1000台；
从风电整机制造方面来看，2009年，华锐风电、金风科技和四川东汽继续保持市场前“三甲“的位置，华锐新增装机34.5万kW，金风新增装机272.2万kW，东汽新增装机203.5万kW。联合动力以装机容量768MW，占中国新增市场5.6%的优势，排名全国第四。随着国产整机产能释放及零部件配套能力增强，产业链瓶颈将消除，产业发展迅速；风电设备市场呈现寡头垄断格局，避免了市场无序竞争，有利于领头企业做大做强。2009年我国新增风电装机及累计装机排名前10名制造企业市场份额。内资变流器制造企业供应能力增强，质量获得客户认可。可见，国内风电零部件产业发展的繁荣景象。
2.2国家的优惠政策
中国颁布的政策主要从两个方面扶持风电行业，一方面是通过财政补贴、电网全额收购、确定风电并网价格，以保证风力发电项目合理盈利，从经纪商进行促进；另一方面是在国内市场启动的同时，扶持风机制造业发展，为中长期的风电产业发展奠定基础。归纳为一下四大点：
(1)风电全额上网
2006年1月1日开始实施《可再生能源法》。该法要求电网企业为可再生能源电力上网提供方便，并全额收购符合标准的可再生能源电量，以使可再生能源电力企业得以生存，并逐步提高其能源市场的竞争力。
(2)财税扶持
考虑到现阶段可再生能源开发利用的投资成本比较高，《可再生能源法》还分别就设立可再生能源发展专项资金为加快技术开发和市场形成提供援助，为可再生能源开发利用项目提供有财政贴息优惠的贷款，对列入可再生能源产业发展指导目标的项目提供税收优惠等扶持措施作了规定。
(4)上网电价
当前风电定价采用特许权招标方式，导致一些企业以不合理的低价进行投标。风电特许权招标先后作出了三次修改，总的看来，电价在招标中的比重有所减少；技术、国产化率等指标有所加强；风电政策已由过去的注重发电专项了注重扶持中国企业风电设备制造。目前，有关部门正在抓紧研究风电电价调整的具体办法，调整的原则将有利于可再生能源的开发，特许权招标的定价方式有可能改变，2008年1月第五期风电特许权招标采取中间价方式，就是一个最新的尝试和探索，避免了恶性低价的竞争局面，有助于风电电价开始向理性回归，有利于整个风电产业的发展。
(4)国产化率要求
2005年7月国家出台了《关于风电建设管理有关要求的通知》，明确规定了风电设备国产化率要达到70%以上，为满足要求的风电场建设不许建设，进口设备要按章纳税。2006年风电特许权招标原则规定：每个投标人必须有一个风电设备制造商参与，而且风电设备制造商要向招标人提供保证供应复合75%国产化率风电机组承诺函。投标人在中标后必须并且只能采用投标书中所确定的制造商生产的风机。在政策扶持下，2007年风机国产化率已经达到56%，2010年风机国产化率也达到85%以上。
2.3风电产业发展趋势
我国海上资源丰富，发展海上风电，将依托于风能资源丰富的海域，同时以“建设大基地、融入大电网”的方式进行整体规划和布局。目前，我国海上风电开发已经启动，国内对大容量风电机组的需求也在增加，国内风电制造企业纷纷开发大容量海上风电机组。华锐、金风、东汽、联合动力、湘电、明阳等都已开始5MW及以上风力发电机组研发。相信随着整机及零部件技术的不断进步，大容量海上风电的规模化化发展。
3.复合材料在风电叶片上的应用
风力发电装置最核心的部分是叶片，叶片的结构与性能将直接影响到风力发电的效率及性能。风电叶片的成本占整个风力发电装置成本的20%左右，因此采用廉价、性能优异的复合材料成为了许多企业研究的方向。现在使用比较多的复合材料有玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，局部采用玻璃纤维或者碳纤维增强环氧树脂作为主承力结构。
3.1碳纤维增强复合材料及其优点
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得的微晶石墨材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料。它的比重不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MP以上，是钢的7~9倍。抗拉弹性模量为材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变。耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
使用碳纤维增强复合材料能大幅度减少叶片的重量，而且比一般的玻璃纤维的增强体模量高3到8倍，可以用于大型风机叶片。碳纤维复合材料具有优异的抗疲劳特性，与树脂混合后能够抵抗恶劣的天气条件。
3.2TM玻璃纤维增强复合材料
TM玻璃纤维具有高强度、高模量的性能，具有较高的抗拉强度、弹性模量、耐疲劳强度、耐性和耐化学腐蚀性。其密度为2.59-2.63g/cm3，拉伸强度为3000~3200MPa,模量为84～86GPa。是大型风电叶片的首选，但是其密度相比于上述的碳纤维增强体要高，所以其缺点是重量太大。TM玻璃纤维中不含硼和氟，是一种环保型的材料。
4.结论
我国是最早利用风能的国家，国家对风能这种清洁的可再生能源的高度重视，新型复合材料在风电叶片上的应用有利于风电产业的发展，我国风电业将进入一个崭新的大规模高速发展阶段。
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。”
风力发电结构 篇4
1 复合材料风力发电机叶片结构的主要原材料
风力发电机叶片材料现在以由帆布和木质等发展成为了复合材料。复合材料它是以某种原料为基础, 在采用另外一种增强体材料相组成。复合材料在性能上取长补短, 使各种材料产生系统效应, 它的总和性能要比原组成材料高, 能够更好的满足不同的需求。要合理的选择复合材料, 充分的考虑到机体和增强体材料的相互作用, 这是风力发电机叶片的关键。就目前来看, 风力发电机叶片的主要原材料是由树脂和增强材料组成的。
树脂具有价格低廉和工艺性能好的特点, 在制造中小型风力发电机叶片中有很好的优势。但是它的缺点表现在放热剧烈、固化时候收缩率大和成型时候会有毒性和一定的气味等。相比较来说, 环氧树脂有很好的力学性能和尺寸的稳定性, 耐腐蚀性能强, 但是它的生产成本比较高, 没有得到广泛的应用。
叶片常用的增强材料主要有三种, 一是玻璃纤维, 它是一种无机非金属材料, 具有有优越的性能, 它的柔软性、保温性、强度和绝缘性比较高, 是一种常用的复合材料增强材料, 可以和树脂相组合成为良好的结构用材。二是碳纤维, 它是一种无机高分子纤维, 具有碳材料的固有特性, 还具有很多优点。它的耐腐蚀性能好, 导电性能在非金属和金属之间, 纤维的体积小, 质量轻, 热膨胀系数小, 它的轴向强度较高, 碳纤维复合材料能够使风力发电机输出的功率更为均衡, 有效提高了风能的利用效率。三是碳纤维和玻璃纤维的混杂材料。伴随着风电叶片不断增加的长度和要求的提高, 要采用碳纤维和玻璃纤维的混杂材料能够有效的提高叶片强度, 减轻叶片质量, 还能够使叶片的价格不太高昂, 是一种常用的复合材料。
2 复合材料风力发电机叶片的制造工艺
1) 湿法手糊成型。该方法是人工的将增强材料贴在模具上进行真空压实浸胶。这种制造工艺方法会造成环境污染, 产生有害物质, 而且生产效率不高。因此, 湿法手糊成型适合生产质量要求低和小批量的风力发电机叶片生产。
2) 预浸料成型。该方法是按照铺层顺序将材料放在模具中, 在用真空袋密封没有成型的制件。进行真空处理后, 排除气体和挥发成分, 在热压罐内按照最好的固化工艺参数进行成型固化, 这种办法能够提高叶片的总和性能, 使其孔隙率低, 叶片厚度均匀, 叶片表面光滑平整。
3) 真空导入成型。该方法是目前生产风力发电机叶片的主导工艺, 它是将增强材料铺在模具内进行抽空作业, 在真空的压力下将树脂机体导入到模腔内来浸渍增强材料, 由于真空导入成型工艺是污染小、密闭成型的, 所生产出的叶片生产效率高, 叶片稳定性强, 它有助于降低生产成本, 提高叶片的性能, 因此在实践中得到了广泛的应用。
3 复合材料风力发电机叶片结构优化设计
在确定发电机功率的情况下, 如何获得更大的风能, 提高发电效率, 这是风力发电所追求的目标。发电机的捕风能力和叶片机构的设计有着直接的关系, 风力发电中风力发电机叶片是其核心技术, 对叶片的要求很高, 这也就导致叶片技术是风力发电发展的关键因素, 因此要对其进行优化设计, 促进风力发电机叶片复合材料的更好发展和应用。
用来衡量风力发电机性能的一个基本的尺度是对风力发电机的年能量输出进行掌握, 这是发电机全年所释放出的电能。由风力机驱动发电机形成的风力发电机, 首先要将风能转化为机械能, 再通过发电机转化成电能。因此, 风力发电机系统也是风能转换系统, 它所产出的能力还有赖于风力发电机的效率。在风力发电的过程中, 由于并不是所有叶片所吸收的风能都能完全转化成电能, 会在传输的过程中, 损失一部分的能量, 损失的这部分是难以避免的。因此需要设计出一种具体很高吸收效率的叶片, 从而更够更好的提高风能的利用效率。以往传统的设计叶片的方法是在先确定好设计风速的前提下, 由于在实际应用中风速不是恒定的, 它的变化会使风力机偏离设计来运行, 因此无法得到最佳的功率系数。
遗传算法是美国学者于1975年提出的, 它是在以自然群落遗传演化的基础上的高效探索算法。不同于以往传统的搜索方式, 对自然界生物进化进程进行模拟, 用人工进化的方式来对目标空间随机的进行搜索。将问题域中的可能解视为是群体的一个染色体或个体, 将每一个编码模拟成达尔文自然淘汰和遗传选择的生物进化过程, 根据优胜劣汰的进化法则, 得到更为优化的群体, 并且在全局范围内进行搜索, 选择最优个体, 以此得到满足要求的最优解、这种遗传算法是一种概率搜索算法。并不是简单的随即走动, 而是有效的对已经掌握的信息进行利用。叶片的搜索寻优以及气动性能的计算, 可以采用遗传算法来将设计变量称为基因, 一般所采用的是二进制编码, 将所有的基因编码加以组合形成染色体, 由设计变量的约束条件来确定染色体的长度。通过优化设计程序。根据染色体的用户指定的长度和设计变量的约束条件, 实现程序自动确定。
摘要：叶片是风力发电机中的重要部件, 通过叶片, 风力发电机能把风能转化成机械能, 较好的风力发电机具有较好的气动性能, 能够获得较高的经济效益。叶片的气动性能是风力发电机的气动性能的主要表现, 叶片的设计对风力发电机有重要的影响。本文对复合材料风力发电机叶片结构如何进行优化设计进行了探讨和分析。
关键词：复合材料,风力发电机,叶片结构,优化设计
参考文献
[1]高克强, 薛忠民, 陈淳, 邱桂杰.复合材料风电叶片技术的现状与发展[J].新材料产业, 2010.
风力发电报告 篇5
风能是一种可再生的清洁能源。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。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。引
言
风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。
风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一[1]。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。风力发电基本知识
2.1 风能的计算公式
空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为
（1）
其中：单位时间质量流量m=ρAV
（2）
在实际中，式中：
PW—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W；
（3）Cp—叶轮的风能利用系数；
m—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0； e—发电机效率，一般为0.70—0.98； —空气密度，kg/m3；
A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。
2.2 贝茨（Betz）理论
第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建立的。
贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。
通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为
—空气密度，kg/m3；
（4）
式中：Pmax—风轮所能产生的最大功率；
A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。
这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的[2]。将(4)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率
（5）
(5)式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。
能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Cp<0.593[3]。
2.3 温度、大气压力和空气密度
通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。
（6）
式中：ρ—空气密度，kg/m3； h—当地大气压力，Pa； t—温度，℃。
从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。
2.4 风力机的主要组成
1)小型风力发电机
小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。（1）风轮 风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。
（2）发电机
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。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。
（3）塔架
塔架用于支撑 发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。
（4）调向机构
垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。
（5）限速机构
当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。（6）贮能装置
贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。（7）逆变器
用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。2)大型风力发电机
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）。风力机与风力发电技术
3.1 风力机与风力发电技术的发展史
风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段[4]。
随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。
1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。
目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。
3.2 风力机的种类
风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴(立轴)式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风力发电机三叶片水平轴类型居多。
水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图1所示；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图2所示。国内外风力发电的现状
4.1 世界风力发电的现状
目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表1所示，截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家见表2，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。
2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为48%[5]。
2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为“风力 12（Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国2020年风电装机有可能达到1.7亿千瓦[6]、[7]。
国内风力发电的现状
根据国家气象科学院的估算[8]，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。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kW 西藏
实际可开发量
0.408亿kW 新疆
实际可开发量
0.343亿kW 青海
实际可开发量
0.242亿kW 黑龙江
实际可开发量
0.172亿kW
2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。
截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h[9]。
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[10]。“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。
4.3小型风力发电机
4.3.1小型风力发电机行业现状
作为农村可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业在2005得到长足的发展，从事小型风电产业的开发、研制、生产单位达到70家。据23个生产企业报表统计，2005年共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33,253台，比上年增长34.4%，其中200W、300W、500W机组共生产24,123台，占全年总产量的72.5%；15个单位共出口小型风力发电机组5,884台，比上年增长40.7%，创汇282.7万美元，主要出口到菲律宾、越南等24个国家和地区。并且，由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象站和微波站等使用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或风光互补发电系统。
4.3.2 小型风力发电机行业发展趋势
1)由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW机组逐年增加，占总年产量的80%。
2)由于广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，成为今后一段时间的发展方向。
3)随着国家《可再生能源法》及《可再生能源产业指导目录》的制定，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。
4)目前我国尚有2.8万个村、700万户、2,800万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难达到，有关专家分析700万无电用户中、300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足农牧民用电需要[11]。4.3.3浓缩风能型风力发电机
浓缩风能型风力发电机由内蒙古农业大学新能源技术研究所研制，已获得中国实用新型专利（专利号：ZL94244155.9）。该型风电机组将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电，从而提高了风能的能流密度，降低了自然风的湍流度，改善了风能的不稳定等弱点，提高了风能品位，降低了风电度电成本。该风力发电机具有的切入风速低、发电量大、噪音低、安全性高、寿命长、度电成本低等特点。浓缩风能型风力发电机可独立运行、风光互补运行、多机联网运行和并入低压电网运行。现已研制开发的系列产品有200W、300W、600W、1kW、2kW等机组。浓缩风能型风力发电机经过中试后，可以向中、大型机组发展。这种新型风电技术在中国和世界的应用，将有效地提高风电系统的供电水平和质量，有效地利用低品位的风能，提高风电商品竞争力，具有重要的经济益和生态环保效益[12]。结
论
在今后的20年内，国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期；在中国，并网型风力发电机组装机容量增长速度将明显加快，令世界瞩目，离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大，装机总容量最终将超过并网型风力发电机组。
田德，吉林松原人，1958年8月生。内蒙古农业大学教授，华北电力大学教授，博士生导师。1985年赴日本留学，1992年9月获得日本明星大学电气工程学博士学位。现任中国农业工程学会理事、中国太阳能学会理事、《太阳能学报》编委、全国“百千万人才工程”第一、二层次人选。享受国务院政府特殊津贴。省级中青年突贡专家。省级优秀留学回国人员。主持完成的项目获内蒙古自治区科技进步一等奖1项，已获得中国实用新型专利1项。正申请国家发明专利3项。发表研究论文50余篇，多篇被EI收录。主持完成和正在主持的科研项目有：3项国家自然科学基金资助项目、3项国际合作项目、1项国家“十一五”科技攻关项目、9项省部级项目、3项横向项目。现从事离网型风力发电系统、并网型风力发电系统和可再生能源利用的研究。
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风力发电结构 篇6
关键词：风能,风轮叶片,环氧结构胶,胶粘剂
自2010年以来,风电事业迅猛发展,总装机容量快速增长,而且风轮叶片的主流尺寸也越来越大。据相关资料显示,装机的风轮叶片主流尺寸已达40m以上,中复联众公司为华锐打造的60m风轮叶片已经面市。
更大尺寸的风轮叶片的技术发展趋势,对风轮叶片合模粘接所用的结构胶粘剂提出了更高、更强的技术要求。现在市售大部分风轮叶片合模用胶,通常情况下均为环氧结构胶类型,树脂组分主要是通过高分子接枝合成的手段对基体环氧树脂进行增韧改性,固化剂组分主要凭借端氨基聚醚本身具备的长时间适用性和长醚链增柔性,两组分均辅以高强玻璃纤维作为填料,在进行合模粘接时,将树脂和固化剂两组分混合均匀,涂覆在被粘风轮叶片玻璃纤维板界面,以10～15℃/h的速率进行梯度固化,达到即定温度后,保温12h以上时间,最终达到增强、增韧的最终目的。
本研究制备的新型环氧树脂胶粘剂,树脂组分对基体环氧树脂不做增韧接枝改性,而进行增柔处理,在此基础上,固化剂组分使用大量刚性结构的芳香胺固化剂,摒弃了目前仍为大量进口的端氨基聚醚。研究表明,这种新型环氧树脂胶粘剂,较传统意义上的风轮叶片用环氧结构胶粘剂,在不降低断裂伸长率的前提下,从技术上实现了高强度、高模量,综合表现性能好,各项指标均较高于国家认证认可监督管理委员会委托鉴衡认证中心起草的《风力发电机组风轮叶片结构胶黏剂技术条件》(CGC/GF012:2011)各项性能,能满足风轮叶片合模粘接要求。
1胶粘剂的制备
1.1原料与仪器设备
胶粘剂制备的原料:通用双酚A型环氧树脂(无锡环氧树脂厂E-51),抗冲击改性剂(自制),二氨基二苯基甲烷(市售DDM固化剂),改性脂环胺催化剂(自制),硅烷偶联剂KH560,纳米钙,硅微粉。
仪器设备:高速分散机、双行星混合动力反应釜、电子万能试验机、TA流变仪和温度记录仪。
1.2环氧树脂增柔处理
将环氧树脂E-51和自制抗冲击改性剂按80∶20的比例混合均匀,90～110℃下高速分散30～60min即可。
1.3工艺制备
将增柔处理的环氧树脂和纳米钙、硅微粉及偶联剂按既定的比例和顺序加入双行星混合动力反应釜中,搅拌并高速分散1h,再抽真空1h放料,得到树脂组分放置待用。
将DDM固化剂、改性脂环胺催化剂及纳米钙、硅微粉按既定比例的顺序加入双行星混合动力反应釜中,搅拌并高速分散1h,再抽真空1h放料,得到固化剂组分放置待用。
2性能研究
2.1试样准备
将树脂组分和固化剂组分按重量比为100∶45混胶,搅拌使混胶均匀后,立即制备拉伸强度测试试样及剪切强度、剥离强度试样。剪切强度试样材质选用FPR(玻璃纤维增强环氧树脂层压板,由北京中材科技风轮叶片公司提供),剥离试样材质选用铝材。制样完成后,按常温23℃±2℃于24h后,在70℃时,经7h进行固化,完成固化后的胶样于第2天进行各项性能测试。测试依据分别为GBT1040.2-2006、GB/T7124-2008、GB/T2791-1995。
2.2性能测试与分析
胶粘剂本体材料拉伸性能的测试结果见表1。
胶粘剂本体材料剪切强度测试结果见表2。
胶粘剂剥离强度测试结果见表3。
表1为胶粘剂本体材料拉伸性能的测试,旨在评价检测胶粘剂本身的高强性能和柔韧性能及抗变形能力。表2为胶粘剂剪切强度测试,主要是评测胶粘剂作为结构粘接的表现性能,为保证有较强的针对性,粘接基材选用风轮叶片用FPR板材。表3为胶粘剂的剥离强度性能测试,主要是检测胶粘剂的粘接剥离性能,是检测环氧结构粘接胶增韧性能的常用手法。为确保数据有效,每组测试数据均保证有6个有效测试试样。
表1数据显示,胶粘剂的拉伸性能平均值为58.73MPa,最大值可达65左右,在断裂伸长率大于1.5%的前提下,弹性模量可达5个GPa以上,表明了胶粘剂在满足既定的柔韧性和拉伸强度的基础上,具有更强的抗变形能力。表2数据显示,胶粘剂最终作为界面结构粘接材料,粘接强度高,抗剪切能力强。表3的剥离强度性能测试,其数据表明了胶粘剂作为界面结构粘接优良的抗剥离能力。
由于工程试样制备的难以重复性,混胶过程中胶粘剂中存在微小气隙的必然性,制样及测试本身所受影响因素的不可预见性,3组数据6个有效数据均有较大的偏差,有个别的偏差还明显偏大,所以数据在取平均值后,又列出了最大值,确保数据有参考意义。
以下表4列出了国家认证认可监督管理委员会委托鉴衡认证中心起草的《风力发电机组风轮叶片结构胶黏剂技术条件》(CGC/GF012:2011)中同类指标的技术要求。
不难看出,表1-表3各项测试数据与表4各项技术要求相比,所制胶粘剂同类性能测试有明显优势,完全满足于现市场风轮叶片合模粘接要求并有盈余量,为更大尺寸风轮叶片的合模粘接应用提供了理论和数据依据。
3结语
研究表明,此款环氧树脂胶粘剂针对更大尺寸风轮叶片应用具有较强的适用性能,在保持高韧性能的前提下,真正实现了高强度、高模量,为风轮叶片用环氧结构胶粘剂提供了新思路。
此外,针对风力发电机组风轮叶片结构胶粘剂的技术条件,还有部分性能如抗冲击性能和抗疲劳性能等,还有待做更深一步的研究。
参考文献
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风力发电机原理及风力发电技术 篇7
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.
宁夏风力发电前景分析 篇8
能源是人类赖以生存的物质基础,是国民经济的基本支撑。中国的能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源,尤其是宁夏的能源供应主要依靠煤炭。截止目前,以煤炭转换的发电总量占宁夏各类能源发电总量的90%以上。但是化石能源资源的有限性及其开发利用过程对生态环境造成的巨大影响,严重制约经济社会的可持续发展。同时,随着宁夏工业化、现代化、城镇化的加快发展,对能源的需求还将长期持续增长。
宁夏风能资源丰富,开发潜力大,具有良好的发展前景。随着宁夏电力工业实施“优先发展热电联产、煤矸石发电,优先发展煤电,适度发展天然气发电,积极鼓励风电、太阳能发电、水电等新能源发电”的发展战略,风能发电将是未来宁夏积极扩大内需,调整经济结构,提高资源综合利用效率的重要举措;是开拓宁夏新的经济增长领域,拉动相关产业发展,增加就业渠道,改善民生问题的有效途径;是促进宁夏实现节能减排目标,改善生态环境,减少温室气体排放的有效手段;是宁夏建设资源节约型、环境友好型社会,实现可持续发展和维护能源安全的必然选择。
1 宁夏风能资源
宁夏处于甘肃、内蒙、辽宁大风带,风能资源较为丰富,开发潜力大。根据宁夏风能资源评价报告普查结果,宁夏风能资源总储量22 530 MW,适宜风电开发的风能资源储量为12 140 MW。
宁夏各地年平均风速为2.0 m/s~7.0 m/s,有3个年平均风速≥3.0 m/s的中心,分别是沿贺兰山一带为中心的区域;以兴仁、海原、中宁、韦州、麻黄山一线的中部地区;以六盘山、泾源为中心的南部区域。其中贺兰山、六盘山是宁夏年平均风速最大的中心;麻黄山为宁夏年平均风速的次大中心;宁夏风速有明显的季节性变化,春季风速最大、冬季次之、秋季较小、夏季最小。
根据有关部门风能资源的测算结果,宁夏风能资源共划分为4个风能区。
a)风能资源丰富区:年平均风功率密度≥200 W/m2,年平均风速为5.8 m/s~7.0 m/s,区域面积296 km2,分布在贺兰山、六盘山的山顶和山峰,全年各季节都有丰富的风能潜力,但该区在风能利用上比较困难;
b)风能资源较丰富区:年平均风功率密度为100 W/m2~200 W/m2,年平均风速为4.3 m/s~7.0 m/s,区域面积约2 998 km2,分布在贺兰山南端东侧开阔区域、贺兰山与桌子山之间的狭窄地带、青龙山与罗山之间的狭窄地带,以及罗山、香山附近,适宜开发利用;
c)风能资源可利用区:年平均风功率密度为50 W/m2~100 W/m2,年平均风速为3.1 m/s~4.0 m/s,区域面积约8 812 km2,主要分布在盐池县麻黄山附近,惠农、海原、兴仁及泾源等地。一年中基本是春季风能较为丰富,冬季次之,可以开发利用;
d)风能资源贫乏区:年平均风功率密度<50 W/m2,年平均风速为1.5 m/s~3.0 m/s。除上述区域外,宁夏其余大部分地区风能利用价值不高,但在个别季节或在上坡、峡谷等特殊地形处,风能仍有开发利用价值。
2 开发的基础条件
宁夏发展风能发电项目不仅具有自然资源优势,同时还具有优越的土地、电网接入等基础条件。
2.1 土地
目前,全区共有未利用土地66.7×108m2,约占全区国土总面积的11%。主要是荒草地、盐碱地、沙地、裸岩石砾地和其它未利用地。此外,还有大片的牧草地,面积为200×108m2,占全区国土总面积的34%。荒地和沙漠主要分布在石嘴山市和青铜峡市西侧贺兰山东麓、中部干旱带红寺堡开发区、中卫市腾格里沙漠南缘,适宜用于风电、太阳能等新能源项目的发展用地。
2.2 电网接入
目前,宁夏330 k V和220 k V电网覆盖全境,已形成较强结构,为新能源发电项目接入创造一定条件。在远期,宁夏电网将建成750 KV环网主网架,通过750 k V电压等级统筹330 k V和220 k V电网的联络,网架结构进一步加强,电网对新能源发电的适应性将增强。
宁夏电源以火电为主,占全区电力装机容量的90%以上,宁夏已经形成水电、火电、风电、光电综合电源结构,具有一定的调峰能力。全区电力负荷特性良好,工业用电占全社会用电的90%以上,其中连续生产的高耗能工业负荷占70%。稳定的电力负荷在电网具有充足的备用容量的条件下,对新能源发电的波动具有较大的承受力。
3 大力推进风电产业发展
宁夏新能源产业发展的基本思路是:围绕一个目标、突出两个重点。就是围绕“努力把新能源产业培育成为宁夏新的经济增长点”这个目标,突出“大力发展依托资源优势的光伏、风电产业,大力发展与新能源配套的装备制造和新材料产业”这两个重点。风力发电是目前技术最成熟和最具商业化发展前景的可再生能源之一。大力推进风电产业发展,是调整能源结构的需要,是加快宁夏经济发展的需要。风力发电企业要积极贯彻落实自治区新能源产业发展的相关政策、规划、措施。
进入21世纪以来,宁夏已开发建设了贺兰山、青铜峡、长山头、红寺堡、宁东、太阳山等风电场。风电产业的发展,带动了宁夏装备制造业的发展,在风机制造方面,区内相关企业先后与德国恩德、日本三菱等公司进行技术合作,具备了500台/年的风机生产能力,齿轮箱等风机核心部件的国产化已经取得突破进展。
3.1 风电产业布局
根据自治区《风能资源评价报告》及风电规划,风能资源利用将重点布局在自治区已规划的十大风电场内,包括贺兰山、青铜峡、宁东、长山头、红寺堡、太阳山、石嘴山等风电场。上述风电场拥有大量未利用的连片荒漠、荒滩等国有土地,并且规划的大部分风电场在电网覆盖范围内,风电接入条件较好;
3.2 加快风电场规模化建设
充分发挥风电产业发展基础和优势,加快风电项目建设,逐步提高风电在电力总装机中的比例。对于已规划的适宜集中大规模开发的风能资源区域要集中开发,统筹建设,鼓励多个风电企业在同一规划风场内建设风电项目,积极推动单个风电场开发规模化,发挥规模效益,提高资源利用效率。鼓励风电企业在现有规划风场外进行测风,在详实测风资料和充分科学论证基础上,做好风电建设项目前期工作和项目储备。
3.3 推动风电装备制造业发展
在风电开发项目的基础上,大力引进和扶持风电装备制造企业。通过自主创新、技术引进再创新等方式,形成拥有自主知识产权和品牌的先进风机产品。加强风机整机产品生产企业与配套产品企业以及科研单位的合作,以整机带配套,不断提升风电关键设备、核心部件的本地化率。鼓励区内风电开发项目优先使用区内制造的风机。以技术开发能力较强的企业为依托,建立风电机组整机及主要零配件的研发和制造基地,不断提升风电产业整体水平。
3.4 建立健全促进风电发展的管理体系
加强沟通,密切配合,不断完善风资源评价、风电项目核准、发电项目建设管理的协调机制。严格执行国家对风电项目核准的各项规定,从事风电场建设或者风能资源勘查、建设项目设计、施工、监理、安全评价等企业必须取得国家规定的资质。引入竞争机制,对风电开发企业与地方签约后6个月内不开展测风、测风2年后不开展核准申请工作、项目核准后2年不进行建设的项目,可收回其开发权,坚决杜绝风电开发企业垄断风资源和“跑马圈地”的现象发生。
4 结语
大力开发利用风力发电,是历史赋予的重任,也是现实发展的需要,是保障能源安全、改善能源结构、保护生态环境、减少温室气体排放的重要措施,是宁夏实现未来可持续发展的必由之路。
摘要：能源是人类赖以生存的物质基础,是国民经济的基本支撑。中国的能源供应主要依靠煤炭、石油和天然气等化石能源,尤其是宁夏的能源供应主要依靠煤炭,但是化石能源资源的有限性及其开发利用过程对生态环境造成的巨大影响,严重制约经济社会的可持续发展。叙述了宁夏风能资源的现状,分析了风力发电的前景。
风力发电的技术综述 篇9
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。
光伏发电与风力发电的并网技术标准 篇10
1 光伏发电与风力发电并网标准概述
许多国家和地区都针对自己的实际情况制定了光伏发电系统并网技术标准,如美国的IEEE、NEC、UL标准等,我国光伏标准委员会及国家电网公司也制定了光伏发电系统并网标准。国际电工委员会(IEC)制定的IEC标准是被广泛接受和采用的国际标准。
国际电工委员会在1994年率先制定了风轮发电机系统IEC61400系列标准,并被日本和欧洲众多国家和地区接纳和采用,该系列标准主要涉及风轮发电机系统的设计、安装、系统安全保护、动力性能试验以及电能质量测试评定等方面的内容。此外,IEEE也提出了一些风能转换系统与公用电网互联规范[4]。中国国家标准是参考IEC61400系列标准和德国、丹麦等国家的风力发电并网标准而制定的。
此外,IEEE1547—2003标准第一次尝试统一所有类型分布式发电DG(Distributed Generation)性能、运行、测试、安全、维护等方面的标准和要求,得到了国际上最广泛的认可[5],目前已经发展成为一系列的标准IEEE1547.1—IEEE1547.6(作为分布式发电的光伏发电和风力发电可参考此标准)。许多国家都有自己的DG并网技术标准:加拿大2个主要的DG互联标准为C22.2NO.257和C22.3NO.9;新西兰在2005年完成了基于逆变器的微电源标准AS4777.1、AS4777.2、AS4777.3[6]。
2 光伏发电并网技术标准
2.1 并网方式
我国GB/T19939—2005标准[7]根据光伏发电系统是否允许通过供电区的变压器向高压电网送电,分为可逆流和不可逆流2种并网方式,但并未对光伏发电系统的并网容量和接入电压等级进行详细规定。
日本《电气事业法》(1998年)对家用光伏发电系统与公用电力系统的并网原则上进行如下区分:单独家用用户的电力容量不足50 k W的发电设备与低压配电线(电压600 V以下)并网,不足2 000 k W的发电设备与高压配电线(电压大于600V小于7000V)并网。表1列出了日本《电气事业法》所规定的根据光伏发电系统输出容量及受电电力容量的并网区分及电气设备的分类[8]。
国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》[9]中,根据光伏电站接入电网的电压等级(0.4 k V、10~35k V、66 k V)将光伏电站划分为小型、中型和大型,但没有明确光伏电站的容量。IEEE929—2000[10]中对小型、中型和大型光伏发电系统的容量分别规定为≤10 k W、10~500 k W和≥500 k W。建议我国在制定标准时可以参考国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》、IEEE929和日本的相关规定,综合考虑光伏发电系统输出容量和受电电力容量,选择合适的并网电压等级和电气设备。
2.2 电能质量
任何形式的光伏发电系统向当地交流负载提供电能和向电网发送电能的质量都应受控,在电压偏差、频率、谐波、闪变和直流注入等方面应满足使用要求并至少符合电能质量国家标准。
2.2.1 电压偏差
通常情况下,光伏发电系统并网不允许参与公共连接点(PCC)电压的调节,不应造成电力系统电压超过相关标准所规定的范围,不应造成所连接区域电力系统设备额定值的过电压,也不能干扰电力系统中接地保护的协调动作。表2是国内标准GB/Z19939—2005[7]、GB/T19964—2005[11]、国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》[9]和国外标准IEEE929[10]、IEEE1547[12]对光伏发电系统正常运行电压范围和公共连接点处电压偏差限值的规定。
由表2可见,我国标准均规定光伏发电系统并网处电压偏差应满足相应的电能质量国家标准,但是对正常运行电压范围的划分有所差别。建议根据光伏发电系统的并网容量、合同电力、并网电压等级等因素综合考虑制定合适的正常运行电压范围,既要避免范围限定过于严格,不利于降低光伏发电系统的并网运行利用率,也要避免范围过于宽泛,影响到并网电力系统的安全、稳定性。
2.2.2 电压波动和闪变
IEEE1547[12]标准指出:分布式电源不能使地区电力系统电压超过ANSIC84.1—1995标准所规定的范围;与电网并列运行的分布式电源在PCC处引起电压波动不应超过±5%;分布式电源不应该造成区域电力系统中其他用户的电压闪变。IEEE929—2000[10]规定电压闪变限值不应超过IEEE519—1992[13]中的规定。IEC61727—2004[14]规定:光伏发电系统运行不应该使电压闪变超出IEC61000-3-3(<16 A系统)、IEC61000-3-5(≥16 A系统)中的相关规定。
GB/Z19964—2005[11]及国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》[9]均规定,光伏电站接入电网后,PCC点的电压波动和闪变应满足GB/T12326—2000的规定,光伏电站引起的电压闪变值应根据光伏电站装机容量与公共连接点上的干扰源总容量之比进行分配。
一般而言,光伏发电系统与电网相联引起的电压波动和闪变很小,基本不会引起电网的电压波动和闪变值越限。
2.2.3 频率
几乎所有的标准都要求光伏发电系统并网时应与电网同步运行。各标准对光伏发电系统的正常运行频率范围或偏差限值做出了相关规定,如表3所示[7,9,10,11,12,14]。
Hz
我国国家标准并未对光伏发电系统的正常运行频率范围做出规定,仅规定频率偏差限值为±0.5 Hz。而GB/T15945—2008中规定,用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2 Hz,当系统容量较小(系统装机容量不大于3 000 MW)时可以放宽到±0.5 Hz。
IEEE929[10]中指出,对于小型独立的电力系统,不宜将频率偏差规定得太小,通常要在上述规定的频率范围外有一定的频率偏差。如将系统频率偏差规定得过小,势必影响电气设备对频率的适应性。对于大型的光伏发电系统,电网也许需要其能够主动参与调节电网频率。因此,本文建议可以将光伏发电系统看作一类特殊的负荷,采纳GB/T15945—2008中的方法,对容量较小的光伏发电系统制定较为宽泛的正常运行频率范围和偏差限值。
2.2.4 谐波与波形畸变
大部分国内外标准规定,光伏发电系统的输出应该有较低的电流畸变水平以确保不会给并网的其他设备带来危害。国内外各标准对于谐波电流畸变的限值如表4所示[7,10,11,12,13,14]。
国家标准、IEC61727—2004及IEEE标准均规定偶次谐波电流畸变值不应超过奇次谐波的25%,对谐波次数小于35次的电流畸变限值的规定也相同。但国家标准和IEC61727没有规定谐波次数大于35的谐波电流畸变限值,本文建议该限值可参考IEEE1547标准进行补充完善。
2.2.5 直流分量
当光伏发电系统的并网逆变器输出端直接与电网连接(不带隔离变压器),逆变器存在参数不均衡、触发脉冲不对称等情况时,可能向电网注入直流电流。直流注入将会对变压器等电网设备产生不良影响。因此,国内外标准对光伏发电系统并网注入的直流分量均有限制,如表5所示[7,9,10,11,12,14]。
国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》中对光伏电站并网运行时馈入电网的直流分量的限值要比国家标准严格。除了对光伏发电系统的直流注入进行限定之外,有些国家的标准还规定,一旦光伏发电系统的直流注入超过规定值就需在规定时间内切除电源[6],这在我国标准中尚未体现。
2.3 保护与控制
2.3.1 电压异常
各标准对于光伏发电系统异常电压的响应时间要求如表6所示,光伏发电系统应在指定的分闸时间内停止向电网供电或从电网中切除[7,9,10,12,14]。
由表6可知,各标准对各范围异常电压的响应时间要求基本相同,对异常电压的划分范围有所差别。异常电压范围的划分与2.2.1节中的正常运行电压范围有关。
2.3.2 低电压穿越
有些标准还要求大型和中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力,国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》[9]中对大中型光伏电站的低电压穿越要求为:当并网点电压跌落至20%标称电压时,光伏电站能保证不间断并网运行1 s;且如果光伏电站并网点电压发生跌落后3 s内能恢复到标称电压的90%时,光伏电站应能保证不间断并网运行。建议在制定或修改国家标准时重点考虑这方面的问题,当电网故障时,充分利用光伏发电系统的低电压穿越能力为电网提供电压支撑。
2.3.3 频率异常
当电网频率偏离规定的条件时,光伏发电系统应该停止向电网供电。如果频率在规定的跳闸时间内恢复到正常电网连续运行的情况,则不必停止供电。频率保护装置允许时间延迟的目的是为了避免由于短期扰动引起的误动作[7,9,10,12,14]。光伏发电系统对异常频率的响应时间如表7所示。
国家电网公司要求大型和中型光伏电站应具备一定的耐受系统频率异常的能力,这有利于光伏发电系统在一定条件下参与调节电网频率。我国在制定国家标准时,也应当考虑电网的实际情况,规定光伏发电系统的耐受系统频率异常的能力。
2.3.4 防孤岛保护
防孤岛保护是分布式电源特有的保护。几乎所有的标准均要求当光伏发电系统并入的电网失压,处于非计划孤岛运行时,需要在规定的时间内检测到孤岛运行并停止供电。超出运行状态导致光伏发电系统停止向电网送电,在电网的电压和频率恢复到正常范围后,需延迟一段时间再并入电网运行。表8是国内外标准对发生非计划性孤岛时保护动作的时间以及电网恢复正常后并网延时的限值规定[7,9,10,12,14]。
IEEE929[10]和UL1741标准还规定,所有的并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能,同时这2个标准给出了并网逆变器在电网断电后检测到孤岛现象并将逆变器与电网断开的时间限制。我国还没有制定具有防孤岛功能的并网逆变器的相关标准,建议尽快加以制定完善。
3 风力发电并网技术标准
3.1 并网方式
目前,国内外的风力发电大多是以风电场形式大规模集中接入电网。考虑到不同的风力发电机组工作原理不同,因此其并网方式也有区别。国内风电场常用机型主要包括异步风力发电机、双馈异步风力发电机、直驱式交流永磁同步发电机、高压同步发电机等。同步风力发电机的主要并网方式是准同步和自同步并网;异步风力发电机组的并网方式则主要有直接并网、降压并网、准同期并网和晶闸管软并网等[15]。
各种并网方式都有其自身的优缺点,根据实际所采用的风电机组类型和具体并网要求选择最恰当的并网方式,可以减小风电机组并网时对电网的冲击,保证电网的安全稳定运行。
我国在制定风力发电并网国家标准GB/Z19963—2005[16]时,只考虑到当时的风电规模和机组的制造水平,是一个很低的标准。近年来风电事业发展迅速,整体呈现大规模、远距离、高电压、集中接入的特点,对电网的渗透率越来越高,为使风电成为一种能预测、能控制、抗干扰的电网友好型优质电源,有必要对原有标准进行升级完善。
3.2 电能质量
大部分国家和地区的风力发电并网标准均要求风电场正常运行时满足本国家和地区的电能质量标准。
3.2.1 电压偏差
表9给出了国内标准(GB/Z19963—2005[16]、国家电网公司《风电场接入电网技术规定》[17])和IEEE1001—1988[18]对风电场正常运行电压范围和风电场并网点处电压偏差限值的规定。
3.2.2 电压波动和闪变
由于风机的出力会受到风速随机性的影响,有可能在风力发电系统与电网接口处造成电压波动。
GB/Z19963—2005[16]与国家电网公司《风电场接入电网技术规定》[17]均规定,风电场所在的公共连接点的闪变干扰允许值和引起的电压变动和闪变应满足GB12326—2008的要求,其中风电场引起的长时间闪变值Plt按照风电场装机容量与公共连接点上的干扰源总容量之比进行分配。风力发电机组的闪变测试与多台风力发电机组的闪变叠加计算,应根据IEC61400-21有关规定进行。
IEEE1453—2004标准[19]中规定的220 k V以下闪变限值与我国国家标准GB12326—2000相同,该标准同时规定了电压超过230 k V系统的闪变限值,而在GB12326—2000中没有规定。GB12326—2008中虽然规定了系统正常运行时较小方式下220 k V以上的长时间闪变值Plt,却未对短时间闪变值Pst做出具体说明,建议做出补充修订。
3.2.3 频率
我国和欧洲国家电网额定频率为50 Hz,美国和加拿大电网额定频率为60 Hz,因此,各个国家对于本国电网的正常频率范围和频率偏差限值的规定有所不同。表10给出了国内外标准对风电场正常连续运行时的频率范围[16,17,18]。
大部分标准均规定,当电网频率偏移正常运行范围时,在某些频率范围内可以允许风机短时间运行。我国国家标准和国网标准均要求频率与正常运行范围有较小偏差时,风电场可以并网运行一段时间;偏差过大时,风电场机组应逐步退出运行或根据电网调度部门的指令限功率运行。德国E.On和VET公司规定频率高于50.2 Hz时风机减少出力。西班牙规定低于47.5 Hz时风机停止运行。
3.2.4 谐波
GB/Z19963与国家电网公司《风电场接入电网技术规定》中均指出[16,17],当风电场采用带电力电子变换器的风力发电机组或无功补偿设备时,需要对风电场注入系统的谐波电流做出限制。风电场所在的公共连接点的谐波注入电流应满足GB/T14549—1993的要求,其中风电场向电网注入的谐波电流允许值按照风电场装机容量与公共连接点上具有谐波源的发/供电设备总容量之比进行分配。风力发电机组的谐波测试与多台风力发电机组的谐波叠加计算,应根据IEC61400-21有关规定进行。
3.3 低电压穿越
低电压穿越LVRT(Low Voltage Ride Through)是当电网故障或扰动引起的风电场并网点电压跌落时,在一定电压跌落范围内,风电机组能够不间断并网运行。
目前我国风电事业迅猛发展,伴随着风电装机容量的不断增加,其占电网总装机容量的比例不断增大,尤其是在电网的末端装机比重更大。当电网出现电压突降时,不具备低电压穿越能力的风力发电机组切机将对电网的稳定运行造成巨大影响。风力发电机组是否具备低电压穿越能力不但会对电网的安全稳定运行产生巨大影响,还会对风机本身寿命及运行维护成本产生影响。国家标准尚未对此做出任何规定,而国家电网公司《风电场接入电网技术规定》以及美国、加拿大、欧洲众多国家的标准均已经针对LVRT制定了相关要求,可以作为重要的参考依据。
3.3.1 基本要求[17,20]
各国对于LVRT的基本要求各不相同,但可以用几个关键点大致描述风电场LVRT的要求:并网点电压跌落至某一个最低限值U1时,风电机组能维持并网运行一段时间t1,且如果并网点电压值在电压跌落之后的t2时间内恢复到一定电压水平U2,风电机组应保持并网运行。表11给出了各国标准中对风电场LVRT能力要求曲线中U1、t1、t2、U2等关键点的限值。
国家电网公司《风电场接入电网技术规定》与美国标准对LVRT的规定大致相同。加拿大规定,各省各地可以根据实际情况进行相应修改。2001年之前,德国电网上的风电机组在电网故障时都会切除;到2001年时有实现故障后有功支持的简单要求;2003年之后提出更高要求,要求无功电流贡献以控制电压。此外,双重电压降落特性是丹麦并网要求的一部分,它要求两相短路100 ms后间隔300 ms再发生一次新的100 ms短路时不发生切机;单相短路100 ms后间隔1 s再发生一次新的100 ms电压降落时也不发生切机。
3.3.2 有功恢复[17,20]
国网标准要求对故障期间没有切出电网的风电场,其有功功率在故障切除后应快速恢复,以至少每秒10%额定功率的变化率恢复至故障前的值。
德国标准规定有功输出在故障切除后立即恢复并且每秒至少增加20%的额定功率;网络故障时,机组必须能够提供电压支持;如果电压降落幅度大于机端电压均方根值的10%,机组必须切换到支持电压;机组必须在通过提供机端无功功率进行的故障识别后20 ms内提供电压支持,无功功率的提供必须保证电压每降落1%的同时增加2%的无功电流。
丹麦规定:风电场应在电压重新到达0.9 p.u.以上后,不迟于10 s发出额定功率。电压降落期间,并网点的有功功率应满足以下条件:在电压恢复到0.9 p.u.后,应在不迟于10 s内满足与电网的无功功率交换要求。电压降落期间,风电场必须尽量发出风电场标称电流1.0倍的无功电流。
新国标的制定中,LVRT是让相关利益方颇有微词的关键所在。LVRT被认为是风电机组设计制造技术上的一大挑战,而且会增加风力发电成本,如果制定的不够合理,可能会影响到风电开发商的积极性,不利于风电产业的发展;另一方面,对于保证电网的稳定性,在电网故障时提供无功功率,支持电网恢复,LVRT能力必不可少。因此,如何制定恰当的LVRT标准,妥善协调各方利益极为关键。
对于接入点短路容量大的强系统,故障时电压跌落低,没有强LVRT能力的风机也能实现穿越,因此没必要对并网的风机要求很高的LVRT能力,从而降低成本;而对接入点短路容量小的弱系统,故障时电压也许会跌得很低,需要并网风机有很好的LVRT能力,而对太弱的系统要求过高也不现实。因此,在风电场规划设计阶段,有必要慎重选择并网点,并对风机提出实际可行的LVRT要求[21]。
4 结语
加快制定各种形式新能源并网标准以及完善现有标准是推动智能电网发展的原动力之一。目前,除了光伏发电和风力发电,我国还没有制定针对其他形式新能源发电并网的技术标准和规范,而已制定的标准还不够成熟,尚需进一步发展和完善。
本文针对目前新能源发电应用最为广泛的光伏发电和风力发电,将国内外相关的主要并网技术标准分别进行了综合比较分析,指出了国内标准存在的不足并提出了一些初步建议,为国内标准的进一步完善提供参考依据。
摘要：主要比较了国内外常用的光伏发电与风力发电的并网技术标准,分别从并网方式,电压偏差、电压波动和闪变、频率、谐波、直流注入等电能质量指标,保护与控制以及风电场低电压穿越等方面进行了详细的分析。指出了国内现有标准存在的不足,在并网技术标准的制定过程中,应综合考虑并网容量以及接入电网的电压等级等因素。