文献综述报告
（ 2015届本科）
学 院：工程学院
专 业：电气工程及其自动化
班 级：电气2班
姓 名：张越
学 号：1127226
指导教师：谢嘉
2015年
6 月 小型风力发电系统研究与设计
前言：
随着近年来地球温室效应加重，传统化石燃料供应愈发紧张，人们开始进行新能源的寻找和开发。而风能作为一种无污染的可再生能源，其利用简单、取之不尽用之不竭的特点使其在新能源领域脱颖而出。据研究，如果全球风能总量的1%被利用，那么世界3%的能源就可以被节省下来。风能的利用在未来也许会取代传统化石燃料以及核能等能源方式。世界各国均把风力发电作为应对能源短缺、大气污染、节能减排等问题的有效解决措施。而小型发电系统在日常生活中如何应用也受到越来越多的关注。
1 风力发电研究的背景和意义
风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。清洁、高效成为能源生产和消费的主流，世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。从 20 世纪 90 年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家，更需要开发利用风电技术。 技术创新使风电技术日益成熟。目前，在发达国家风电的年装机容量以 35.7%高速度增长。一个重要原因是各国积极以科学的发展观，采取技术创新，使风电技术日益成熟。目前单机容量 50kW、600kW、750kW 的风电机组已达到批量商业化生产的水平，并成为当前世界风力发电的主力机型，兆瓦级的机组也已经开发出来，并投入生产试运行。同时，在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，风电控制系统和保护系统广泛应用电子技术和计算机技术，有效地提高风力发电总体设计能力和水平，而且新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有重大作用。技术进步使风电成本具有市场竞争能力。长期以来，人们以风电电价高于火电电价为由，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产业而将带来的巨大前景。近10 年来，风电的电价呈快速下降的趋势，并且日趋接近常规发电的成本。世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降 15%。按照这一规律计算，近几年的风电增长率一直保持在 30%以上，这就意味着每隔 30 个月左右，成本就会下降 15%。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，近两年中国出现大面积的缺电，风能发电对于缓解缺电具有非同寻常的意义。风电的诸多优势中，一个重要特点是风电上马快，不像火电、水电的建设需要按年来计算，风电在有风场数据的前提下其建设只需要以周、月来计算，即风场是可以在短时间内完成的。世界风电正在以 33%甚至在部分国家以 60%以上的增速发展，我国完全有可能以迅速发展风电的模式来解决我国燃眉之急的电力短缺。
2 世界风电发展现状
进入 21 世纪，全球可再生能源也在不断发展，而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势，并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年 32%的增长速度在发展，2008 年初，全球风力发电机容量达 5000 万MW。由此可见，风电正在以超出预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中，欧洲风能发电的发展速度很快，预计 15 年之后欧洲人口的一半将会使用风电。 欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快，同时也是风电装机最多的地区。2007年底欧洲地区累计风电装机容量为 2930 万千瓦，约占全球风电总装机容量的 73%。尽管 2007 年欧洲风电装机增长幅度有所放缓，年增幅由 2006 年的 35%降为 23%，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展，预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。美洲地区风电装机容量达 690 万千瓦，占全球风电总装机的 17%。亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢，除印度一支独秀以外，其它国家风电装机容量均很小。风电累计装机容量居前五位(到 2003 年底)的国家依次是：德国(14612 MW )、西班牙(6420 MW )、美国(6361 MW )、丹麦(307 MW )和印度(2120 MW )。
到 2007 年底，全球风力发电装机容量已突破四千万千瓦，风力发电占全球电力供应的 0.5%。2007 年全球新增风电装机容量便超过 830 万千瓦，而过去 5 年来全球风电装机容量年均增长速度超过 26.3%。目前全世界风电工业规模约为 120 亿美元，预计到2020 年可望达到 1200 亿美元。
在欧洲，德国的风电发展处于领先地位。在近期德国制定的风电发展长远规划中指出到 2025 年风电要实现占电力总用量的 25%，到 2050 年实现占总用量的 50%的目标。其中丹麦风能产业年营业额在 30 亿欧元左右，并网发电机组达 312 万千瓦，风能发电量占全国电力总量的 22%，居全球首位；而在该国的西北部地区，这个比例甚至已经达到 100%，预计 2030 年，丹麦全国 40%的电力都将来自风能。
同时亚洲的风电也保持较快的发展势头，印度则是发展中国家的典型。2006 年印度风力发电装机容量达 298.5 万千瓦，位居全球第五，而且建立了风电设备产业，能生产70%的风机零部件及 1000 千瓦以上级别的风机整机，风机及部件出口欧美。印度政府积极推动风能的发展，鼓励大型企业进行投资发展风电，并实施优惠政策激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第 5 大风电生产国。
丹麦 BTM 咨询公司 2005 年 5 月所做的市场预测报告称，全球 2005 年至 2009 年新安装机组容量年平均增长率为 16.6%；预计 2009 年的增长率高达 26%，这么高的预期值是因为美国市场和亚洲主要市场的增长；2009 年之后预计 2010-2014 年的年增长率为10.4%。
随着全球风能的快速发展，风能将会成为 21 世纪全球经济发展所需的重要能源。同时我们相信其他可再生能源也将会持续发展并得到充分利用，以满足人类对能源的不断增长的需求。
3 我国风电发展现状
中国陆地 10 米高度层实际可开发的风能储量为 2.53 亿千瓦，风能资源丰富的地区主要集中在北部、西北和东北的草原、戈壁滩以及东部、东南部的沿海地带和岛屿上。考虑到近海风能，总储量应该不止 2.53 亿千瓦。风电项目通常要求年利用小时数高过2000 小时，目前中国已经建成的风电场平均利用小时约 2300 小时，主要位于“三北”地区(西北、东北和华北)及东南沿海。2003 年底，我国并网风电投产规模最大的省份依次为：辽宁(22.3%)、新疆(18.2%)、内蒙古(15.7%)、广东(15.2%)、浙江(5.9%)等。中国风电真正开始有较大规模的发展是从 1996 年、1997 年开始的。截至 2004 年底，中国有43 家风电场，安装 1291 台风力发电机组，并网风力发电装机容量为 76 万千瓦，名列世界第十，亚洲第三。由于化石能源(石油、煤炭等)价格上涨、供电形势紧张、国家政策鼓励等原因，近年来我国风电建设再次加速。2004 年全国在建、拟建项目的装机容量约 150 万千瓦，其中正在施工的约 42万千瓦，可研批复的 68 万千瓦，项目建议书批复的 45 万千瓦；其中，包括 5 个 10 万千瓦特许权项目。类似的特许权项目，国家还将陆续推出 20 余个。
由于发展时间尚短，我国风力发电存在一些不足。目前，我国尚未建立风资源数据库，现有的全国风资源分布图很粗，无法满足现在风电场选址的要求，迫切需要进一步细化。我国海岸线较长，发展海上风电场也是一个方向，但目前我国尚未进行近海风资源调查。我国对风资源的测量和分析方法不够完善，尤其是对复杂地形，在选择测风点和风资源分析方面缺少先进的技术和经验。风电场优化设计方面技术比较落后，缺乏先进的工具和系统的方法。我国风电场的运行和维护水平与国外风电场及国内火电生产和运行相比，也有明显的差距，缺乏对运行过程中出现的问题的详细记录和分析。2002年，中国电科院的调查发现，我国很多风电场建成后实际年均发电量比预测值低20－30%，极少数风电场甚至低达 40%；很多风电场的年平均容量系数只有 0.21－0.24(年利用小时数 1840－2100)，少于 0.3 的期望值。原因之一即是筹建前的测量与评估时存在问题。有的是因为在测风阶段重视不够，还有的是因为目前风能分析软件依赖进口，国外地形、气候与中国有一定差异。
虽然技术上存在着差距,但是经过一些年的迅猛发展,也取得了一定成效我国陆续研制出兆瓦级风力发电机组,并且成功在风场运行发电,海上风力发电机的研发也在有条不紊地进行。不仅大型风力发电机发展趋势好,小型风力发电机也得到了迅猛发展。由我国自行研制开发的小型风力发电机组具有启动风速低、低速性能好、限速可靠、具有较宽的工作范围,而且成本低,价格便宜,可在我国广大地区使用。目前,广大农牧区内的用户已经可以通过小型风力发电机组看电视和照明。一些边防岛均上以前用柴油发电机的用户,也逐渐改变用小型风力发电机发电。此外,公园、别壁庭院、高速公路旁、江边等地方,也都安装了小型风力发电机组,作为一道道亮丽的风景,供人们欣赏。
4 小型风力发电机简介
风力发电机种类很多,但总的来说可以分为两类。一类是水平轴风力发电机,即风轮的旋转轴与风向平行。大多这类风力发电机配备有偏航装置,使得风机机船能根据需要来转动。其中,小型风力发电机一般依靠尾舵被动对风,而大型风力发电机一般通过风向传感器以及电动机来实现主动对风。另一类是垂直轴风力发电机,即风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。这类风力发电机无需对风,相对于水平轴风力发电机,这是一大优点,它还有着结构设计简单等等优点。
风力发电机组由运行方式主要分为两类。一类是独立式风力发电机组,即发电机发出的电能不并网,而通过蓄电池储存起来,负载直接从蓄电池中用电。当风速很小或为零时,蓄电池还负责向风力发电机供电,保持控制系统正常的运行。这种风力发电机组的单机容量很小,这一类风机一般使用在用电量很小的场合,或者混合其他能源形成互补供电系统。另一类是并网型风力发电机组,它们和电网并联运行,即使把发出的洁净能源送到电网上去,是一种相当经济的模式。当风速很小或为零时,风机从电网得电来保持控制系统的正常运行。目前大型风力发电机多采用这种运行方式,既可以单台并网,也可以上百台组成风力发电厂并网,成为电网的常规能源。并网型风力发电机组中有时还附带蓄电池,这样使得风力发电机组更加灵活,当电网故障掉电的时候,也能通过蓄电池供电保证风力发电机组的正常运行。并网型风力发电机组的整体框图如图所示
图4-1并网型风力发电机组的整体框图
图中,箭头表示电能的流动方向。电网正常情况下,风机主发电机发出的电能,经过变流器,最后传送到电网上。变流器的控制能源一直由电网提供,变流器控制器和电网之间接有一个AC/DC转换器,能够将电网的电能转换成24V直流电,以供变流控制器工作,当风力不足以发电时,变流器不但不能给电网输送电能,反而要消耗电网电能,因此,长时间检测到风速过低时,要停止变流器工作,以减少功耗。蓄电池一直由电网充电,保证其蓄能满,从而保证控制系统的控制电能稳定。当电网出现故障的时候,变流器不工作,控制系统的电能由蓄电池保证。显而易见,这种类型的风机机组更加安全和灵活。因此,这种类型的风机机组目前用的更多。本文所研究的小型风力发电机就是这种类型的机组。
风力主发电机的控制技术主要分为两种,即恒速控制和变速控制。恒速控制出现的比较早,早期的风机大多釆用这种控制方式,顾名思义,恒速控制即保持风机的转速不变,这意味着无论风速怎么变,风力发电机的转子速度是固定的,并且决定于电网的频率,齿轮比和电机的设计。恒速控制的风机配备了感应发电机(鼠笼式和绕线转子)直接连接到电网,伴随着软起动器和一个减少无功功率补偿的电容器。恒速控制的风机被设计出来在一个特定的风速达到最大的效率。为了提高电力生产,一些恒速控制风机的发电机有两个绕组:一个用于低风速(通常是8极),另一个用于中等风速和高风速(通常4-6极)。恒速控制的风机有着简单,安全和可靠的优点,这是能被多年地实践应用证明的。同时电气部分成本部分低。它的缺点包括无功功率消耗无法控制,机械应力的问题和有限的电能质量控制。由于风机恒速控制,所有风速波动会被传播成机械转矩的波动,最后转换为电网上电能的波动。对于弱电网,电力波动会导致大的电压波动,这极其不利。由于发电机输出的电能没有经过变流器,而直接并网,为保证输出电能的频率和电网的频率一样固定不变,由公式f=n p/60(式中,f为主发电机输出电能的频率,P为电机极对数,n为电机转速)可知,要使主发电机输出电能的频率不变,就要维持主发电机的转速不变。所以,需要调节风力发电机对风能的吸收效率来使主发电机的转速保持不变,这样做就降低了风能的利用效率。
变速控制,即风机的主发电机的转速是受控制变化的,这些年来,变速控制方式已经成为主导的控制方式。变速控制的风机是为了在一定范围的风速内,获得最大的空气动力学效率。伴随着变速操作,风机转速不断变化,以此来适应不断变化的风速,通过这种方式,来保证叶尖速比保持在一个恒定值,这个值是预先设定好的,以保证风机获得最大功率系数。与恒速控制相比,变速控制风机的控制系统比恒速控制风机的更加复杂。它通常配有一个感应或同步发电机,并且通过变流器连接到电网。变流器控制发电机转速,风速变化时,风机改变发电机的转速来改变功率的吸收。变速控制风力发电机的优点是增加了能量捕获的能力,改善了电能质量和减少了在风机上的机械应力。相对恒速控制,变速控制的缺点就是,采用了更多的组件,增加了设备的成本。变速控制风力发电机类型的引入增加了可用发电机类型的数量,发电机类型和功率转换器类型也可以更加自由的结合。
5 总结
随着全球温室效应加重，气候变暖，化石能源日益枯竭，传统能源方式的弊端逐渐显现。人类在发展的同时，开始重视对环境的保护。而风力发电这种无污染、可再生的能源方式被视为取代化石能源的最有效的方式之一。
对风能的开发与利用慢慢受到重视，风能在转化为电能的过程中，不会产生任何有害气体和废料，不会污染环境，有利于减少二氧化碳等温室气体排放，保护人类赖以生存的地球。同时与太阳能、生物能等可再生能源技术相比，风力发电技术比较成熟、同时成本更低，对环境几乎没有破坏。
风力发电是未来世界电力发展最可能的方式。风电在世界一些国家已经成为了一种主流能源，风力发电是当今世界上发展速度最快的一种资源利用方式。虽然风电场需要占据较多土地资源，但是风力发电机组的基础使用面积不大，不会影响农业和牧业的用地。而且建设风电场所需时间较短，投资规模较小，运行维护简单、成本低。现在随着技术的成熟以及各种科技在风力发电技术中的应用，风力发电越来越可靠以及稳定。而且我国风力资源丰富，且海岸线长，风能储备居世界第一。把风能的利用作为一项基本的能源政策能够帮助实现可持续发展以及解决偏远地区发展的问题。 参考文献
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