【正文】 風力發(fā)電機的設計及風力發(fā)電系統(tǒng)項目設計方案 開發(fā)利用風能的動因風能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風能的動因也在變化。下面將主要從經(jīng)濟、環(huán)境、社會和技術進步四方面來介紹風能開發(fā)利用的動因。 經(jīng)濟驅動力 經(jīng)濟最優(yōu)化能源供應的經(jīng)濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。在偏遠地區(qū)，電力供應困難。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴/汽油機發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔的成本約2元/KW左右。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔的成本高于8元/KW。在這些地區(qū)，利用汽油/柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運輸成本，農(nóng)牧戶承擔的成本也要高于6元/KW。 化石能源資源枯竭與供應安全[5]進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機。人們開始認識到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。目前石油儲量約1300億噸，年消耗量約35億噸，計今后25年中平均年消耗量將達50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計總儲量也不會超過2000億噸，石油資源在四五十年后也將枯竭。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當務之急是尋找和研究利用其他可再生資源。風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。一些國家要靠進口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費。風能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟穩(wěn)定性也因此而增強。 促進能源產(chǎn)業(yè)升級風力發(fā)電技術屬于新興技術，風電產(chǎn)業(yè)是朝陽產(chǎn)業(yè)。風力發(fā)電技術的研發(fā)、示范到商業(yè)化發(fā)展，最終進入市場，將給整個能源產(chǎn)業(yè)帶來新的活力，成為國民經(jīng)濟的一種新的經(jīng)濟增長點。一個國家如果開發(fā)利用風能技術早，就有可能占據(jù)風能利用的技術和市場優(yōu)勢。 環(huán)境驅動力除了人們早先認識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導致自然災害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應更加明顯，各國都認識到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。為減緩地球變暖，1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第3次大會上，84國代表審議通過《京都議定書》，要求工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。風能在能源轉化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。 社會驅動力風能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機會。除了在工廠的生產(chǎn)和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設備維護方面也會提供就業(yè)機會。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關注風能的發(fā)展，并將利用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例子，人們自愿以高于化石電力的價格購買風電和其他可再生能源電力。 技術驅動力隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強度、輕質材料的出現(xiàn)，計算機設計技術的廣泛應用和自動控制技術的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術的成熟，為風電技術向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。 風力發(fā)電的現(xiàn)狀 世界風力發(fā)電現(xiàn)狀20世紀80年代以來，工業(yè)發(fā)達國家對風力發(fā)電機組的研制取得了巨大進展。，安裝于夏威夷群島的瓦胡島上。，安裝于魁北克省的凱普柴特。進入20世紀80年代，單機容量在100KW以上的水平軸風力發(fā)電機組的研究開發(fā)及生產(chǎn)在歐洲的丹麥、德國、荷蘭、西班牙等國取得了快速發(fā)展。到20世紀90年代，單機容量為100～200KW的機組已在中型和大型風電場中成為主導機型。同時單機容量在1MW以上的風力發(fā)電機組也研制開發(fā)成功，并在風電場中成功運行。世界風電總裝機容量1997年底為746萬KW,1998年底為1015萬KW，1999年底為1393萬KW，2000年達1845萬KW，2001年達2493萬KW，2002年達3112KW,平均年增長率在30%以上。歐洲風能協(xié)會預計，全世界到2020年風力發(fā)電裝機容量將超過1億KW，占歐洲總發(fā)電量的20%以上。世界能源委員會預計，～。 中國風力發(fā)電現(xiàn)狀[13]中國風力發(fā)電起步較晚，但發(fā)展較快。目前風力發(fā)發(fā)電機組的研制開發(fā)重點分兩方面，一是1KW以下獨力運行的小型風力發(fā)電機組，二是100KW以上并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組。20世紀80年代中期，中國開始規(guī)劃風力發(fā)電場的建設。1983年在山東榮城引進3臺丹麥55KW風力發(fā)電機組，開始并網(wǎng)風力發(fā)電技術的試驗和示范。1986年在新疆達坂城安裝了１臺100KW風力發(fā)電機組，1989年又安裝了13臺150KW風力發(fā)電機組，同年在內(nèi)蒙古朱日和也安裝5臺美國100KW機組，開始了中國風電場運行的試驗和示范。特別近年來，中國的風力風電場建設取得了較好的經(jīng)濟效益和巨大的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，到2001年底，中國共建有27座風電場，裝機812臺。目前正處于前期工作階段和正在建設的風電場以遍及10多個省、市和自治區(qū)。 風力發(fā)電展望風力發(fā)電技術目前還在不斷發(fā)展，主要體現(xiàn)在單機容量不斷增大上。目前主流發(fā)電機組的功率，以上升到600～750KW，MW級的機組也成批生產(chǎn)，24MW級的機組已在實驗生產(chǎn)。這就必然要采用一些新的復合材料和新的技術。例如，單機容量不斷增大，槳葉的長度也在不斷增長，容量為2MW的風力機葉輪掃風直徑達72m。目前最長的葉片以做到50m。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、重量輕的碳纖維。槳葉也向柔性方向發(fā)展。早期的一些風力機槳葉是根據(jù)直升飛機的機翼設計的，而風力機的槳葉運行在與直升飛機很不同的空氣動力環(huán)境中。對葉型的進一步改進，增強了風力機捕捉風能的效率。例如，在美國，國家可再生能源實驗室研制開發(fā)了一種新型葉片，比早期的一些風力機槳葉捕捉風能的能力要大20%。目前，丹麥、 美國、德國等風電科技較發(fā)達的國家，有許多專業(yè)研究人員在利用較先進的設備和技術條件致力與新葉型的從理論到應用的研究開發(fā)。在中、大型風電機組的設計中，采用了更高的塔架以捕捉更多的風能。地處平坦地帶的風力機。在50m高處捕捉的風能要比30m高處多20%。尤其值得注意的是，隨著電力電子技術的發(fā)展，近年來發(fā)展了一種變速風力發(fā)電機組，取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風力發(fā)電機組軸上，轉子的轉速隨風阻而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，在逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。由于他被設計成在幾乎所有的風況下都能獲得較大的空氣動力效率，因而提高了捕捉風能的效率，試驗表明，變速風力發(fā)電機組要比恒速風力發(fā)電機組多捕獲15%的風能，同時每由于機艙重量減輕和改善了傳動系統(tǒng)各部件的受力狀況，可使風力發(fā)電機組的支撐結構減輕，塔架等基礎費用也可降低。其運行維護費用也較低。這是一種很有發(fā)展前途的技術。[14]風力發(fā)電場未來的發(fā)展趨向將集中在：提高機群安裝場地選擇的準確性；進機群布局的合理性；提高運行的可靠性、穩(wěn)定性，實現(xiàn)運行的最佳控制；進一步降低設備投資及發(fā)電成本；總裝機容量在1MW以上的風力發(fā)電場將占據(jù)主導地位，風力發(fā)電場內(nèi)的風力發(fā)電機組單機容量將主要是百千瓦以上至兆瓦級的。此外，發(fā)展海上風電場也成為新的大型風力發(fā)電機組的應用領域而受到重視。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在規(guī)劃較大的海上風電場項目。這是由于海上風速較陸上大且穩(wěn)定，一般陸上風電場平均設備利用為2000h，好的為2600h，而在海上則可達3000h以上。為便于浮吊的施工，海上風電場一般建在水深為3～8m處，因而同容量裝機要比陸上成本增加60%（海上基礎占23%，線路占20%，陸上僅占5%）左右，但發(fā)電量可以增加50%以上。第2章 風力發(fā)電系統(tǒng)的研究 風力發(fā)電系統(tǒng) 風力發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電的重要部分，它不僅直接影響轉換過程的性能、效率和供電質量，而且也影響到前一個轉換過程的運行方式、效率和裝置結構。因此，研制和選用適合于風電轉換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電工作的一個重要組成部分。在考慮發(fā)電機系統(tǒng)方案時，應結合它們的運行方式重點解決以下問題： 1) 高質量地將不斷變化的風能轉換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。2). 高效率的實現(xiàn)能量轉換，以降低每度電的成本。 3) 穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。 目前得到廣泛應用的主要有恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)。下面分別作一概要介紹。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng) 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般來說比較簡單。所采用的發(fā)動機主要有兩種，即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步速的轉速運行。 風力發(fā)電中所用的同步發(fā)電機絕大部分是三相同步電機。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。因為三相電機比起相同額定功率的單相電機來，一般體積較小、效率較高、而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下才了考慮采用單相發(fā)電機。同步發(fā)電機的主要優(yōu)點是可以向電網(wǎng)或負載提供無功功率，一臺額定容量125KVA、向電網(wǎng)提供,+75KW和75KW之間的任何無功功率值。它不僅可以并網(wǎng)運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負載的需要。同步發(fā)電機的缺點是它的結構以及控制系統(tǒng)比較復雜，成本相對于感應發(fā)電機也比較高。感應發(fā)電機也稱為異步發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。在恒速恒頻系統(tǒng)中，一般采用鼠籠型異步發(fā)電機。它的定子鐵心和定子繞組的結構與同步發(fā)電機相同。轉子采用籠型結構，轉子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形。槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條，在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接。轉子不需要外加勵磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而結構簡單、堅固，基本上無需維護。[6]感應發(fā)電機也可以有兩種運行方式，即并網(wǎng)運行和單獨運行。在并網(wǎng)運行時，感應發(fā)電機一方面向電網(wǎng)輸出有功功率，另一方面又必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率。在單獨運行時，感應發(fā)電機電壓的建立需要有一個自勵過程。自勵的條件，一個是電機本身存在一定的剩磁；另一個是在發(fā)電機的定子輸出端與負載并聯(lián)一組適當容量的電容器，使發(fā)電機的磁化曲線與電容特性曲線交于正常的運行點，產(chǎn)生所需的額定電壓。 變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)這是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于風輪以變速運行，可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。此外，這種風力機在結構上和實用中還有很多優(yōu)越性。利用電力電子學是實現(xiàn)變速運行最佳的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風電轉換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。變速運行的風力發(fā)電機有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩大類，下面分別作一概要介紹。 不連續(xù)變速系統(tǒng)一般來說，利用不連續(xù)變速發(fā)電機可以獲得連續(xù)變速運行的某些好處，但不是全部好處。主要效果是比以單一轉速的風電機組有較高的年發(fā)電量，因為它能在一定的風速范圍內(nèi)運行于最佳葉尖速比附近。但它對風速的快速變化實際上只是一臺單速風力機，因此不能期望它像連續(xù)變速系統(tǒng)那樣有效地獲取變化的風能。更重要的是，它不能利用轉子的慣性來吸收峰值轉矩，所以這種方法不能改善風力機的疲勞壽命。下面介紹不連續(xù)變速運行方式常用的幾種方法。1. 采用多臺不同轉速的發(fā)動機 通常是采用兩臺轉速、功率不同的感應發(fā)電機，在某一時間內(nèi)只有一臺被聯(lián)到電網(wǎng)，傳動機構的設計使發(fā)動機在兩章風輪轉速下運行在稍貴有各自的頭部轉速。2. 雙繞組雙速感應發(fā)電機 這種電機有兩個定子繞組，嵌在不同的定子鐵心槽內(nèi)，在某一時間內(nèi)僅有一個繞組在工作，轉子仍是通常的鼠籠型。電機有兩種轉速，分別決定于兩個繞組的極數(shù)。比起單速機來，這種發(fā)動機要重一些，效率也稍低一些，因為總有一個繞組未被利用，導致?lián)p耗相對增大。它的價格當然也比通常的單速電機貴。3. 雙速極幅調制感應發(fā)電機 這種感應發(fā)電機只有一個定子繞組，轉子同前，但可以有兩種不同的運行速度，只是繞組的設計不同于普通單速發(fā)動機。它的每相繞組由匝數(shù)相同的兩部分組成，對于一種轉速是并聯(lián)，對于另一種轉速是串聯(lián)，從而使磁場在兩種情況下有不同的極數(shù)，導致兩種不同的運行速度。這種電機定子繞組有六個接線端子，通過開關控制不同的接法，即可得到不同的轉速。雙速單繞組極幅調制感應發(fā)電機可以得到與雙繞組雙速發(fā)電機極不相同的性能，但重量輕、體積小，因而造價也較低，它的效率與單速發(fā)動機大致相同。缺點是電機的旋轉磁場不是理想正弦形，因此產(chǎn)生的電流中有不需要的諧波分量。 連續(xù)變速系統(tǒng)連續(xù)變速系統(tǒng)可以通過多種方法來得到，包括機械方法、電/機械方法、電氣方法及電子學方法等。機械方法如采用變速比液壓傳動或可變傳動比機械傳動，電/機械方法如采用定子可旋轉的感應發(fā)電機，電氣式變速系統(tǒng)如采用高滑差感應發(fā)電機或雙定子感應發(fā)電機等。這些方法雖然可以得到連續(xù)的變速運行，但都存在這樣或那樣的缺點和問題，在實際應用中難以推廣。目前看來最有前景的當屬電力電子學方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)電機和電力電子變換裝置。發(fā)電機可以是市場上已有的通常電機如同步發(fā)電機、鼠籠型感應發(fā)電機、繞線型感應發(fā)電機等，也有近來研制的新型發(fā)電機如磁場調制發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機等；電力電子變換裝置有交流/直流/交流變換器和交流/交流變換器等。下面結合發(fā)電機和電力電子變換裝置介紹三種連續(xù)變速的發(fā)電系統(tǒng)。[9]1. 同步發(fā)電機交流/直流/交流系統(tǒng) 其中同步發(fā)電機可隨風輪變速旋轉，產(chǎn)生頻率變化的電功率，電壓可通過調節(jié)電機的勵磁電流來進行控制。發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器整