【技术】风电科普之二,特点

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楼主 2022-05-12 09:36:52
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小编又来传播知识了

科普系列之二

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什么是风电场?
风力发电场(简称风电场),是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地,按照地形和主风向排成阵列,组成机群向电网供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上,故形象地称为“风力田”。

风力发电场于 20 世纪 80 年代初在美国的加利福尼亚州兴起,现在被全世界大力发展风电的各个国家广泛采用。

风电场的风力发电机相互之间需要有足够的距离,以免造成过强的湍流相互影响,或由于"尾流效应"而严重减低后排风电机的功率输出。为了配合运送大型设备(特别是叶片)到安装现场,须要建设道路。另外亦须要建设输电线,把风电场的输出连接到电网接入点。

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中国风力资源分布
东南沿海及其附近岛屿是风能资源丰富地区,有效风能密度大于或等于 200 瓦/平方米,沿海岛屿有效风能密度在 300 瓦/平方米以上,全年中风速大于或等于 3 米/秒的时数约为7000~8000 小时,大于或等于 6 米/秒的时数为 4000 小时。

新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是中国风能资源丰富的地区,有效风能密度为 200~300 瓦/平方米,全年中风速大于或等于 3 米/秒的时数为 5000 小时以上,全年中风速大于或等于 6米/秒的时数为 3000 小时以上。

黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好,有效风能密度在 200 瓦/平方米以上,全年中风速大于和等于 3 米/秒的时数为 5000 小时,全年中风速大于和等于 6 米/秒的时数为 3000 小时。

青藏高原北部有效风能密度在 150~200 瓦/平方米之间,全年风速大于和等于 3 米/秒的时数为 4000—5000 小时,全年风速大于和等于 6 米/秒的时数为 3000 小时;但青藏高原海拔高、空气密度小,所以有效风能密度也较低。

云南、贵州、四川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部、福建、广东、广西的山区及新疆塔里木盆地和西藏的雅鲁藏布江为风能资源贫乏地区,有效风能密度在 50 瓦/平方米以下,全年中风速大于和等于 3 米/秒的时数在 2000 小时以下,全年中风速大于和等于 6 米/秒的时12数在 150 小时以下,风能潜力很低。

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风力发电的经济性 
由于风电市场的扩大、风电机组产量和单机容量的增加以及技术上的进步,使风电机组每千瓦的生产成本在过去近 20 年中稳定下降。以美国为例,风力发电的成本降低了80%。上世纪 80 年代安装第一批风力发电机时,每发一度电的成本为 30 美分,而现在只需 4 美分。

另一方面,由于风电机组设计和工艺的改进(如叶片翼型改进等),性能和可靠性提高,加上塔架高度增加以及风场选址评估方法的改进等,使风电机组的发电能力有相当大的增长每平方米叶轮扫掠面积的年发电量从 80 年代初期的 400-500KW.h 提高到目前的 1000KW.h以上。

一台标准的 600KW 风力发电机,当各种条件都是最佳状态时,每年可发电约 2000 万KW.h,即每平方米叶轮扫掠面积的年发电量可达 1400-1500kW.h。目前风电场的容量系数(即一年的实际发电量除以装机额定功率与一年 8760 小时的乘积)一般约为 0.25-0.35。

综合上述史以及风电场的风力资源、规模、运行维护成本和融资因素(如贷款利率、偿还期等),目前在较好的风场,风力发电的成本约为4美分/kW.h 左右,已具备与火电竞争的能13力。

从风电场的造价方面看,中国风电场的造价比欧洲高,基本上是欧洲 5 年前的水平,单位千瓦平均造价为 8500 元/千瓦左右,建设一座装机 10 万千瓦的风电场,成本大约在 8 亿到 10亿元,而同样规模的火电厂成本约为 5 亿元,水电站为 7 亿元。当然,独立运行的非并网班车风电系统,由于需要蓄电池和逆变器等,同时容量系数较小,所以发电成本比并网型机组要高。

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建立风电场的应用考虑有哪些方面? 
1
由于风力资源随地点而变,因此即使在很相近的两个地点,风力资源特性也会很不相同,因此,对于任何风力发电项目,必须进行实地短期风力测量、长期风力资源预测、风流模拟计算、和产电量估算等等。
2
 如果需要安装超过一台风力发电机,每台风电机在特定风向下都可能成为其他风电机的"障碍物",造成"尾流效应"。风电场总产电量估算须考虑尾流效应的影响。这可以用电脑软件来做出估算。
3
根据当地风力特征选择适当的风力发电机。风力资源中等的地方,使用可变速型号比固
定速度型号能够有更好的产电量。

考虑到部分地区有台风,因此应选择市场上最牢固的风力发电机。国际电工协会标准分级中,1 级风电机可以抵受最高的极端负荷(设计能抵受每秒70 米的 3 秒阵风)。此外,湍流强度也影响风力发电机的选择。
4
①如果风力发电机由电力公司以外机构所装设,那么便须要向电力公司谘询关于与接驳电网的要求。
②须要注意通往安装场地道路的要求(宽度和转弯半径)。这是因为需要运送很长的叶片和其他很重的部件到安装场地,另外还需要运送起重机入场。
③须要注意从风力发电机到最近的电网接入点之间架空电缆或地底电缆路线的要求。
④须要注意飞行高度限制的要求。
⑤须要注意环境影响评估的要求。
⑥须要注意土地申请的要求。
⑦须要注意航空标志和警告灯的要求。
⑧须要注意对雷达和其他民航及航海设备的影响。

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风力发电机噪音大么? 
风力发电机转得比较慢,因而噪音相对较低。风力发电机的噪音源有两个,机械转动部位的噪音以及旋转叶片和空气之间的互动的噪音。因为机械部位和电力电子控制设计优良,加上慢速转动,可以把现代风力发电机的噪音尽量减少。

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风力发电机组的分类及各自特点
风力发电机组主要由两大部分组成:
风力机部分――它将风能转换为机械能;
发电机部分――它将机械能转换为电能。

根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征,再加上它们的不同组合,风力发电机组可以有多种多样的分类。
1
如依风机旋转主轴的方向(即主轴与地面相对位置)分类,可分为:
“水平轴式风机”――转动轴与地面平行,叶轮需随风向变化而调整位置;
“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直,设计较简单,叶轮不必随风向改变而调整方向。
2
按照桨叶受力方式可分成“升力型机”或“阻力型风机”。
3
按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机;叶片的数目由很多因素决定,其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。

大型风力发电机可由 1、2 或者 3 片叶片构成。叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量,因此噪音比较大。而如果叶片太多,它们之间会相互作用而降低系统效率。目前 3 叶片风电机是主流。从美学角度上看,3 叶片的风电机看上去较为平衡和美观。
4
按照风机接受风的方向分类,则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向(即在塔架的前
面迎风旋转)和“下风向型”――叶轮背顺着风向,两种类型。

上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。
而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分
空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,
使性能有所降低。
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按照功率传递的机械连接方式的不同,可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱
型风机”

有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性,可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移,并且联轴器可阻止机械装置的过载。

直驱型风机则另辟蹊径,配合采用了多项先进技术,桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴,使风机发出的电能同样能并网输出。这样的设计简化了装置的结构,减少了故障几率,优点很多,现多用于大型机组上。
6
根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为:
“定桨距(失速型)机组”――桨叶与轮毂的连接是固定的。当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。由于定桨距(失速型)机组结构简单、性能可靠,在 20 年来的风能开发利用中一直占据主导地位。

“变桨距机组”――叶片可以绕叶片中心轴旋转,使叶片攻角可在一定范围内(一般0-90度)调节变化,其性能比定桨距型提高许多,但结构也趋于复杂,现多用于大型机组上。
7
按照叶轮转速是否恒定可分为:
“恒速风力发电机组”――设计简单可靠,造价低,维护量少,直接并网;缺点是:气动效率低,结构载荷高,给电网造成电网波动,从电网吸收无功功率。

“变速风力发电机组”――气动效率高,机械应力小,功率波动小,成本效率高,支撑结构轻。缺点是:功率对电压降敏感,电气设备的价格较高,维护量大。现常用于大容量的主力机型。
8
根据风力发电机组的发电机类型分类,可分为两大类:“异步发电机型”、 “同步发电机型”。只要选用适当的变流装置,它们都可以用于变速运行风机。

异步发电机按其转子结构不同又可分为:
(1)笼型异步发电机――转子为笼型。由于结构简单可靠、廉价、易于接入电网,而在小、中型机组中得到大量的使用;
(2)绕线式双馈异步发电机――转子为线绕型。定子与电网直接连接输送电能,同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率。

同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为:
(1)电励磁同步发电机――转子为线绕凸极式磁极,由外接直流电流激磁来产生磁场。
(2)永磁同步发电机――转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极,通常为低速多极式,不用外界激磁,简化了发电机结构,因而具有多种优势。
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如根据风机的输出端电压高低化分,一般可分为:
“高压风力发电机”――风力发电机输出端电压为 10~20kV,甚至 40kV,可省掉风机的升压变压器直接并网。它与直驱型,永磁体磁极结构一起组成的同步发电机总体方案,是目前风力发电机中一种很有发展前途的机型。

“低压风力发电机”――输出端电压为 1kV 以下,目前市面上大多为此机型。
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如根据风机的额定功率化分,一般可分为:
微型机:10 k W 以下
小型机:1 0 k W 至 1 0 0 k W
中型机:1 0 0 k W 至 1 0 0 0 k W
大型机:1 0 0 0 k W 以上(MW 级风机)

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风力发电机的功率曲线 
在风速很低的时候,风电机风轮会保持不动。当到达切入风速时(通常每秒 3 到 4 米),风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随著风力越来越强,输出功率会增加。

当风速达到额定风速时,风电机会输出其额定功率。之后输出功率会保留大致不变。当风速进一步增加,达到切出风速的时候,风电机会剎车,不再输出功率,为免受损。

风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。功率曲线是用作显示在不同风速下(切入风速到切出风速)风电机的输出功率。为特定地点选取合适的风力发电机,一般方法是采用风电机的功率曲线和该地点的风力资料以进行产电量估算。

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什么是风力发电机的额定输出功率
风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速设而定的。由于能量与风速的立方成正比,因此,风力发电机的功率会随风速变化会很大。

同样构造和风轮直径的风电机可以配以不同大小的发电机。因此两座同样构造和风轮直径的风电机可能有相当不同的额定输出功率值,这取决于它的设计是配合强风地带(配较大型发电机)或弱风地带(配较小型发电机)。

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典型风力发电机各部件介绍
我们以目前使用最为广泛的水平轴风力发电机为例关于其结构作一介绍,它主要由叶轮,调速或限速装置,偏航系统,传动机构,发电机系统,塔架等组成。
叶轮
风力机区别于其他机械的最主要特征就是叶轮。叶轮一般由 2~3 个叶片和轮毂所组成, 其功能是将风能转换为机械能。

除小型风力机的叶片部分采用木质材料外,中、大型风力机的叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料制成。

风力机叶片都要装在轮毂上。轮毂是叶轮的枢纽, 也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到传动系统,再传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距(使叶片作俯仰转动) 的所在。轮毂的作用是连接叶片和低速轴,要求能承受大的,复杂的载荷。中小型风机常采用刚性连接,兆瓦级风力机常采用跷跷板连接方式。

调速或限速装置
在很多情况下, 要求风力机不论风速如何变化转速总保持恒定或不超过某一限定值, 为此目的而采用了调速或限速装置。当风速过高时, 这些装置还用来限制功率, 并减小作用在叶片上的力。

调速或限速装置有各种各样的类型,但从原理上来看大致有三类:一类是使叶轮偏离主风向,另一类是利用气动阻力,第三类是改变叶片的桨距角。

偏航系统
为了让叶轮能自然地对准风向,通常风机都会采用调向装置, 对大型风力发电机组而言, 一般采用的是电动机驱动的风向跟踪系统。

整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号, 通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度,然后将偏航信号放大传送给电动机,通过减速机构转动风力机平台, 直到对准风向为止。

传动系统
风机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每一种风机都必须具备所有这些环节。有些风机的轮毂直接连接到齿轮箱上, 不需要低速传动轴。也有一些风机设计成无齿轮箱的, 叶轮直接连接到发电机。

叶轮叶片产生的机械能由机舱里的传动系统传递给发电机,它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。

齿轮箱用于增加叶轮转速,从20~50 转/分到1000~1500 转/分,后者是驱动大多数发电机所需的转速。齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱,其中输出轴是不同轴的,或者它也可以是较昂贵的一种,允许输入、输出轴共线,使结构更紧凑。

传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。由于叶轮功率输出有波动,一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷,这对大型的风力发电机来说是非常重要的,因其动态载荷很大,而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。

发电机系统
风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程,发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务。恒速恒频发电机系统一般来说比较简单,所采用的发电机主要有两种,即同步发电机和鼠笼型感应发电机。

变速恒频发电机系统是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统,其主要优点在于叶轮以变速运行,可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比,从而提高了风力机的运行效率,从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。

此外,这种风机在结构上和实用中还有很多的优越性。利用电力电子学是实现变速运行最佳化的最好方法之一,虽然与恒速恒频系统相比可能使风电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵,但电气部分的成本在中、大型风力发电机组中所占比例不大,因而发展中、大型变速恒频风电机组受到很多国家的重视。

(恒速)同步发电机:
(恒速)同步发电机的优先是励磁系统可控制发电机的电压和无功功率,发电机效率高。同步电机要通过同步设备的整步操作达到准同步并网(并网困难),由于风速变化大,以及同步发电机要求转速恒定,风力机必需装有良好的变桨距调节机构。

(恒速)异步发电机:
异步发电机结构简单,坚固,造价低,异步发电机投入系统运行时,由于是靠转差率来调节负荷,因此对机组的调节精度要求不高,不需要同步设备的整步操作,只要转速接近同步速时就可并网,且并网后不会产生振荡和失步。缺点是并网时冲击电流幅值大,不能产生无功功率。

塔架
风力机的塔架除了要支撑风力机的重量, 还要承受吹向风力机和塔架的风压, 以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。

水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类,管柱型塔架可从最简单的木杆,一直到大型钢管和混凝土管柱。小型风力机塔杆为了增加抗弯矩的能力,可以用拉线来加强。中、大型塔杆为了运输方便, 可以将钢管分成几段。

一般圆柱形塔架对风的阻力较小,特别是对于下风向风力机,产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上,其优点是造价不高,运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。

10
风力发电机的工作原理
现代风力发电机采用空气动力学原理,就像飞机的机翼一样。风并非"推"动叶轮叶片,而是吹过叶片形成叶片正反面的压差,这种压差会产生升力,令叶轮旋转并不断横切风流。风力发电机的叶轮并不能提取风的所有功率。根据 Betz 定律,理论上风电机能够提取的最大功率,是风的功率的 59.6%。大多数风电机只能提取风的功率的 40%或者更少。

风力发电机主要包含三部分∶叶轮、机舱和塔架。大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构,是横轴式三叶片叶轮,并安装在直立管状塔杆上。叶轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机,大型风电机的叶轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。比较新型的设计一般是可变速的(比如 Vestas公司的 V52-850 千瓦风电机转速为每分钟 14 转到每分钟 31.4 转)。利用可变速操作,叶轮的空气动力效率可以得到改善,从而提取更多的能量,而且在弱风情况下噪音更低。因此,
变速的风电机设计比起定速风电机,越来越受欢迎。

机舱上安装的感测器探测风向,透过转向机械装置令机舱和叶轮自动转向,面向来风。叶轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机(如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机)。在风电工业中,配有变速箱的风力发电机是很普遍的。不过,为风电机而设计的多极直接驱动式发电机,也有显著的发展。设於塔底的变压器(或者有些设於机舱内)可提升发电机的电压到配电网电压(香港的情况为 11 千伏)。

所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法(从而限制叶轮所承受压力)是失速调节和斜角调节。使用失速调节的风电机,超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流,令叶轮失速。当风力过强时,叶片尾部制动装置会动作,令叶轮剎车。使用斜角调节的风电机,每片叶片能够以纵向为轴而旋转,叶片角度随著风速不同而转变,从而改变叶轮的空气动力性能。当风力过强时,叶片转动至迎气边缘面向来风,从而令叶轮剎车。叶片中嵌入了避雷条,当叶片遭到雷击时,可将闪电中的电流引导到地下去。


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我国现阶段主要风力发电机型
的发电过程
目前,在我国得到广泛使用的风力发电机主要是水平轴式风力发电机,水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种形式。它由叶轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。

从大的结构划分来说,风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,空气流动的动能作用在叶轮上,将动能转换成机械能, 从而推动叶轮旋转。这样就通过叶轮将风能转换为机械能,低速转动的叶轮通过传动系统由增速齿轮箱增速,将动力传递给发电机,然后由高速转动的机械能经过电机转变成电能。

在这里齿轮箱可以将很低的叶轮转速(600 千瓦的风机通常为 27 转/分)变为很高的发电机转速(通常为 1500 转/分)。同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出。

整个机舱由高大的塔架举起,由于风向经常变化,为了有效地利用风能,还安装有迎风装置,它根据风向传感器测得的风向信号,由控制器控制偏航电机,驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动,使机舱始终对风(注:一般 600 千瓦的风机机舱总重 20 多吨),所以偏航系统的作用就是可以使叶轮扫掠面积总是垂直于主风向。

12
直驱式风力发电机组的特点
直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品,但在国外已经发展了很长时间。目前
我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少,但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。

直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱,发电机轴直接连接到叶轮轴上,转子
的转速随风速而改变,其交流电的频率也随之变化,经过置于地面的大功率电力电子变换器,将频率不定的交流电整流成直流电,再逆变成与电网同频率的交流电输出。

另外一些无齿轮箱直驱风力发电机,沿用低速多极永磁发电机,并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱,零部件数量相对传统风电机组要少得多。

我国主要的直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案,相对于传统的异步发电机组其优点如下:
(1)由于传动系统部件的减少,提高了风力发电机组的可靠性和可利用率;
(2)永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率;
(3)机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音;
(4)可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本;
(5)机械传动部件的减少降低了机械损失,提高了整机效率;
(6)利用变速恒频技术,可以进行无功补偿;
(7)由于减少了部件数量,使整机的生产周期大大缩短。



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