第二章風力發(fā)電概念及基本特征一、風力發(fā)電概念風能是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差異在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動，即形成風。風能資源決定于風能密度和可利用的風能年累積小時數(shù)。風能密度是單位迎風面積可獲得的風的功率，與風速的三次方和空氣密度成正比關系。風能資源受地形的影響較大，世界風能資源多集中在沿海和開闊大陸的收縮地帶，如美國的加利福尼亞州沿岸和北歐一些國家，中國的東南沿海、內(nèi)蒙古、新疆和甘肅一帶風能資源也很豐富。中國東南沿海及附近島嶼的風能密度可達300W/m2以上，3-20米/秒的風速年累計超過6000小時。內(nèi)陸風能資源最好的區(qū)域是沿內(nèi)蒙古至新疆一帶，風能密度也在200-300W/m2，3-20米/秒風速年累計5000-6000小時。風力發(fā)電是指利用風力發(fā)電機組直接將風能轉化為電能的發(fā)電方式。在風能的各種利用形式中，風力發(fā)電是風能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技術最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。二、風力發(fā)電系統(tǒng)結構（一）風力發(fā)電機風力發(fā)電機是集空氣動力、電機制造、液壓傳動和計算機自動控制為一體的綜合性技術。大致由以下幾個子系統(tǒng)組成：槳葉、增速齒輪箱、發(fā)電機、塔架控制設備、電纜、地面支撐設備、各子系統(tǒng)連接設備。風輪是將風能轉換為機械能的裝置，它由氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機組一般為2—3個葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉動的風輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機。上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起。由于風向經(jīng)常變化，為了有效地利用風能，必須要有迎風裝置，它根據(jù)風向傳感器測得的風向信號，由控制器控制偏航電機，驅動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉動，使機艙始終對風。其中風電機組的整體設計、葉片的材料和加工技術、自動化控制系統(tǒng)、液壓和傳感技術是風機制造的關鍵。風機是基本的風能轉換設備，按主軸裝置形式大致可分兩大類：垂直軸風力機（轉軸與來流方向垂直）、水平軸風力機（轉軸與來流方向平行）。目前較常用的大型機組為水平軸風力發(fā)電機，其主要有定槳距失速調節(jié)型和變槳距調節(jié)型兩大類。圖表1:風力發(fā)電機構成圖資料來源：銀聯(lián)信整理（二）風電機組風電機組是風電系統(tǒng)的最主要的部分。機組占風電場初始投資的比例非常大，一般為60%-70%。這也是國家強調盡快使得風電機組國產(chǎn)化的原因。在控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)方面廣泛用電子技術和計算機技術不僅可以有效地改善并提高風力發(fā)電總體設計能力和水平，而且對于增強風電設備的保護功能和控制功能也有重大作用。目前，市場份額最大的風電機組主要分兩類，一類是定槳距失速調節(jié)型，另一類是變槳距調節(jié)型，上述兩類風電機組都采用異步發(fā)電機，轉速基本上是固定的。1．定槳距失速調節(jié)型風力發(fā)電機定槳距是指葉片被固定安裝在輪轂上，其槳距角（葉片上某一點的弦線與轉子平面間的夾角）固定不變，失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性（當風速高于額定值時，氣流的攻角增大到失速條件、使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，以達到限制轉速和輸出功率的目的）。這種技術是丹麥風電制造技術的核心，優(yōu)點是調節(jié)簡單可靠，控制系統(tǒng)可以大大簡化，其缺點是葉片重量大（與變槳距風機葉片比較），輪轂、塔架等部件受力增大。這種風電機基本上都采用了鼠籠型轉子，有一部分機組為了提高低風速時段的發(fā)電效率，采用了變極技術。2．變槳距調節(jié)型風力發(fā)電機變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術改變其槳距角的大小。其調節(jié)方法分為三個階段：第一階段為開機階段，當風電機達到運行條件時，計算機命令調節(jié)槳距角，直到風電機達到額定轉速并網(wǎng)發(fā)電；第二階段當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在零位置不變；第三階段當發(fā)電機輸出功率達到額定后，調節(jié)系統(tǒng)即投入運行，當輸出功率變化時及時調槳距角的大小，在風速高于額定風速時，使發(fā)電機的輸出功率基本保持不變。變槳距調節(jié)的主要優(yōu)點是：槳葉受力較小，槳葉可以做的比較輕巧。由于槳距角可以隨風速的大小而進行自動調節(jié)，因而能夠盡可能多的捕獲風能，多發(fā)電力，又可以在高風速時段保持輸出功率平穩(wěn)，不致引起異步發(fā)電機的過載，還能在風速超過切出風速時通過順槳（葉片的幾何攻角趨于零升力的狀態(tài)）防止對風力機的損壞，這是MW級風力發(fā)電機的發(fā)展方向。其缺點是結構比較復雜，故障率相對較高。風的隨機性和間歇性特點使風電機的出力變化很大，這樣機組的動態(tài)負荷增加，對電網(wǎng)的沖擊增大。為此，可通過增大異步發(fā)電機允許滑差率的辦法加以解決。鼠籠型異步發(fā)電機允許的滑差率為s=-l%?-5%。而繞線式異步發(fā)電機允許的滑差率為S=-1%?T0%,滑差率的增大相當于在定、轉子間增加了一個彈性環(huán)節(jié)，對于減少功率波動，提高供電質量是非常有利的。以上兩種異步發(fā)電機，盡管帶一定滑差運行，從切入風速（3-4m/s）到切出風速（25m/s）,發(fā)電機的轉速變化最大可達10%，如增速齒輪的變速比為60：1,則實際運行中滑差S是很小的，因而葉片轉速變化范圍也是很小的，看上去風機葉片似乎是在“恒速”旋轉，故通常又稱這種風力發(fā)電機為恒速風電機。3．變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻是指在風力發(fā)電的過程中，發(fā)電機的轉速可以隨風速而變化，然后通過適當?shù)目刂拼胧┦蛊浒l(fā)出的電能變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的電能送入電力系統(tǒng)。風力發(fā)電機通過旋轉葉片及發(fā)電機把風能變?yōu)榻涣麟娔埽ㄆ漕l率隨風速而變化），通過整流裝置將交流電變?yōu)橹绷麟?，再通過逆變裝置將直流電變?yōu)楹泐l（工頻）交流電能，最后通過升壓變壓器，送入電力系統(tǒng)。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)具有非常突出的優(yōu)點：（1） 風力機可以最大限度的捕獲風能，因而發(fā)電量較恒速恒頻風力發(fā)電機大。（2） 較寬的轉速運行范圍，以適應因風速變化引起的風力機轉速的變化。（3） 采用一定的控制策略可以靈活調節(jié)系統(tǒng)的有、無功功率。（4） 可抑制諧波，減少損耗，提高效率。其主要問題是由于增加了交直交變換裝置，大大增加了設備費用。4．交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)采用的發(fā)電機為轉子交流勵磁雙饋發(fā)電機，其結構與繞線式異步電機類似。當風速變化引起發(fā)電機轉速n變化時，控制轉子電流的頻率f2，可使定子頻率f1恒定，當發(fā)電機的轉速n小于定子旋轉磁場的轉速n1時，即n〈n1，處于亞同步狀態(tài)，此時變頻器向發(fā)電機轉子提供交流勵磁，發(fā)電機定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當n>n1時，處于超同步狀態(tài)，此時發(fā)電機同時由定子和轉子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量流向逆向；當n=n1時，處于同步狀態(tài)，此時發(fā)電機作為同步電機運行，變頻器向轉子提供直流勵磁。由此可知，當發(fā)電機的轉速n變化時，若控制f2相應變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現(xiàn)的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉子運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔?。缺點是交流勵磁發(fā)電機仍然有滑環(huán)和電刷。除了風電場、風電機組制造商外，和風電行業(yè)相關的還有配套廠家、風機維護廠家、風能研究機構、協(xié)會制造廠等。（三）風電廠系統(tǒng)風電廠設備包括風電機組、輔助設備和其它配套設施。由于風速變化的隨機性，風電機組又常年在野外運行，承受極為復雜惡劣的交變載荷，目前風電機組的運行壽命按20年設計，要求能經(jīng)受住60m/s的暴風雨襲擊，代表機組可靠性的可利用率要達到0.95以上，并能夠無人值班運行。而且由于風的能量密度小，需要龐大的機體，風輪直徑和塔架高度早已超過50m。綜上所述，對風力發(fā)電機組材質要求高，設計和制造難度較大。風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括以下三個部分：首先，風力發(fā)電機組，包括風力發(fā)電機、機艙、塔架、控制器等。其次，輔助設備，即通用的電力和控制設備，包括輸變電設備及線路，通訊控制系統(tǒng)等。最后，其它配套設施包括風力發(fā)電機組以及輔助設備的基礎、廠房、道路等。風力發(fā)電機系統(tǒng)和輔助設備的零部件在國內(nèi)各專門廠家生產(chǎn)，然后通過鐵路和公路運輸運送到風電場，并在現(xiàn)場進行總裝和吊裝，平均運輸距離2400KM。電廠配電設施建設中建筑材料一部分來源于當?shù)?，如沙、水泥等，另一部分來自于國?nèi)其它廠家，如鋼、鐵、鋁、玻璃等，平均運輸距離100KM。三、風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展因素近十年來，全球風電產(chǎn)業(yè)獲得了超常發(fā)展，這取決于支撐風電產(chǎn)業(yè)的一個條件和三個驅動因素。一個條件就是全球存在豐富的風力資源，三個驅動因素分別是全球對環(huán)境問題日益重視、國際油價的持續(xù)高企和風電技術日益成熟。（一）風電發(fā)展不存在資源瓶頸風能是地球表面大量空氣流動所產(chǎn)生的動能，太陽對地球的輻射能約有2%轉變?yōu)轱L能。世界氣象組織估計全球的風能約為2.74X109MW，其中可利用的風能為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍,相當于10800億噸標準煤產(chǎn)生的能量，約是全世界目前能源消費量的100倍。目前，已經(jīng)開發(fā)的風能僅占全球風能資源微不足道的一小部分。世界電力需求預計到2020年會上升到每年25.578萬億千瓦時，如果50%的風能資源被利用，則可滿足世界電力需求。就我國而言，風力資源列世界第三排在俄羅斯和美國之后。根據(jù)最新風能資源評估，全國陸地可利用風能資源3億千瓦，加上近岸海域可利用風能資源，共計約10億千瓦。（二） 環(huán)境問題日益嚴重推動各國政府扶持清潔新能源的發(fā)展目前，國際社會日益感覺到環(huán)境污染和全球氣候變暖問題的嚴重性，紛紛采取措施試圖遏制環(huán)境問題的惡化，措施之一就是扶持清潔新能源的發(fā)展。風電是一種可大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的清潔新能源。從國際經(jīng)驗來看，政府的激勵政策在風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的作用舉足輕重。這些政策措施包括各種形式的補貼、價格優(yōu)惠、稅收減免、貼息或低息貸款等。高強度的激勵機制是克服發(fā)展障礙，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵性措施之一。目前中國的激勵本國風電發(fā)展的政策措施主要有：風電設備產(chǎn)業(yè)化專項資金補助、國產(chǎn)化率70%的要求、風電全額上網(wǎng)、電價分攤和財稅上扶持這些措施對激發(fā)國內(nèi)風電投資熱情，扶持本土風電機組制造業(yè)起到重要作用。（三） 高油價迫使各國尋求可再生的替代能源從2003年以來，國際油價持續(xù)攀升，至2007年底已經(jīng)數(shù)次逼近100美元大關，國際油價持續(xù)走高帶動天然氣、煤炭等化石能源的價格同步走高?；茉吹膬r格維持高位使替代的新能源如風能發(fā)電、核能發(fā)電和太陽能發(fā)電在經(jīng)濟上可行，這些因素導致了全球包括風電的新能源投資熱潮（四）風力發(fā)電技術日益成熟化石等一次性能源的特點如環(huán)境成本增加、不能再生等決定了成本將不斷上漲；而隨著技術成熟和規(guī)模效應的發(fā)揮，風電、核電等新能源發(fā)電的成本將進一