力发电系统总体设计
力发电系统总体设计
1.引言（或绪论）
近年来,世界性能源危机和环境污染严重威胁着人类的发展与生存, 因此人类急需改变现有能源结构, 大力发展洁净、健康的新能源.地球上风能资源储量极其丰富, 据专家估计, 全世界风能资源总量为每年2 万亿kW[ 1] . 此外, 风能使用过程中无需任何燃料, 为零污染的洁净能源, 因此备受世界各国关注.小型风力发电系统具有投资小、使用灵活的特点，非常适合于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的用电问题，具有广阔的市场前景。小型风力发电系统虽然已经在国内外大规模使用，但由于存在效率低和可靠性不高的问题，直接限制了小型风力发电系统的推广应用和发展。
1．1 开发利用风能的动因
风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。
1.1.1 经济驱动力
能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴/汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。
进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小社会经济稳定性也因此而增强。
风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展最终进入市场将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。
1.1.2 环境驱动力
除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外。世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。
1.1.3 社会驱动力
风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装工
程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家，如欧盟国家中风能开发利用已经成为热点问题得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例子，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。
1.1.4 技术驱动力
随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。
1.2 风力发电的现状
1.2.1 世界风力发展现状
20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100，200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。 世界风电总装机容量1997年底为746万KW,1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW,平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿~4.7亿KW。
1.2.2 中国风力发展现状
中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发电的研制开发重点分两方面一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。
20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了1台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985方KW。目前正处，于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。
1.3 风力发电展望
风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600~750KW/MW级的机组也成批生产,24MW级的机组已在实验生产。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进,增强了风力机捕捉风能的效率。目前,丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家,有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中,采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。尤其值得注意的是,随着电力电子技术的发展,近年来发展了变速风力发电机,取消了沉重的增速齿轮箱,发电机轴直接连接到风力发电机组轴上,转子的转速随风阻而改变,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,在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率,因而提高了捕捉风能的效率试验表明,在平均风速6.7m/s时,变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能,同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况,可使风力发电机组的支撑结构减轻,塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。
风力发电场未来的发展趋向将集中在,提高机群安装场地选择的准确性,进机群布局的合理性,提高运行的可靠性、稳定性,实现运行的最佳控制,进一步降低设备投资及发电成本。总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位,风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。
1.引言（或绪论）
近年来,世界性能源危机和环境污染严重威胁着人类的发展与生存, 因此人类急需改变现有能源结构, 大力发展洁净、健康的新能源.地球上风能资源储量极其丰富, 据专家估计, 全世界风能资源总量为每年2 万亿kW[ 1] . 此外, 风能使用过程中无需任何燃料, 为零污染的洁净能源, 因此备受世界各国关注.小型风力发电系统具有投资小、使用灵活的特点，非常适合于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的用电问题，具有广阔的市场前景。小型风力发电系统虽然已经在国内外大规模使用，但由于存在效率低和可靠性不高的问题，直接限制了小型风力发电系统的推广应用和发展。
1．1 开发利用风能的动因
风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。
1.1.1 经济驱动力
能源供应的经济最优化提供了重视开发利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴/汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。
进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小社会经济稳定性也因此而增强。
风力发电技术属于新兴技术，风电产业是朝阳产业。风力发电技术的研发、示范到商业化发展最终进入市场将给整个能源产业带来新的活力，成为国民经济的一种新的经济增长点。一个国家如果开发利用风能技术早，就有可能占据风能利用的技术和市场优势。
1.1.2 环境驱动力
除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外。世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带来的有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化使“地球村”的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。
1.1.3 社会驱动力
风能份额增加时，会创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装工
程中创造就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家，如欧盟国家中风能开发利用已经成为热点问题得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例子，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。
1.1.4 技术驱动力
随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。
1.2 风力发电的现状
1.2.1 世界风力发展现状
20世纪80年代以来，工业发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展。1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力发电机组，安装于夏威夷群岛的瓦胡岛上。1987年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力发电机组，安装于魁北克省的凯普-柴特。进入20世纪80年代，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰、西班牙等国取得了快速发展。到20世纪90年代，单机容量为100，200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。同时单机容量在1MW以上的风力发电机组也研制开发成功，并在风电场中成功运行。 世界风电总装机容量1997年底为746万KW,1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW,平均年增长率在30%以上。欧洲风能协会预计，全世界到2020年风力发电装机容量将超过1亿KW，占欧洲总发电量的20%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿~4.7亿KW。
1.2.2 中国风力发展现状
中国风力发电起步较晚，但发展较快。目前风力发电的研制开发重点分两方面一是1KW以下独力运行的小型风力发电机组，二是100KW以上并网运行的大型风力发电机组。
20世纪80年代中期，中国开始规划风力发电场的建设。1983年在山东荣城引进3台丹麦55KW风力发电机组，开始并网风力发电技术的试验和示范。1986年在新疆达坂城安装了1台100KW风力发电机组，1989年又安装了13台150KW风力发电机组同年在内蒙古朱日和也安装5台美国100KW机组，开始了中国风电场运行的试验和示范。特别近年来，中国的风力风电场建设取得了较好的经济效益和巨大的发展。据统计，到2001年底，中国共建有27座风电场，装机812台，总容量39.98985方KW。目前正处，于前期工作阶段和正在建设的风电场以遍及10多个省、市和自治区。
1.3 风力发电展望
风力发电技术目前还在不断发展，主要体现在单机容量不断增大上。目前主流发电机组的功率，以上升到600~750KW/MW级的机组也成批生产,24MW级的机组已在实验生产。早期的一些风力机桨叶是根据直升飞机的机翼设计的而风力机的桨叶运行在与直升飞机很不同的空气动力环境中。对叶型的进一步改进,增强了风力机捕捉风能的效率。目前,丹麦、美国、德国等风电科技较发达的国家,有许多专业研究人员在利用较先进的设备和技术条件致力与新叶型的从理论到应用的研究开发。在中、大型风电机组的设计中,采用了更高的塔架以捕捉更多的风能。尤其值得注意的是,随着电力电子技术的发展,近年来发展了变速风力发电机,取消了沉重的增速齿轮箱,发电机轴直接连接到风力发电机组轴上,转子的转速随风阻而改变,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,在逆变成与电网同频率的交流电输出。由于他被设计成在几乎所有的风况下都能获得较大的空气动力效率,因而提高了捕捉风能的效率试验表明,在平均风速6.7m/s时,变速风力发电机组要比恒速风力发电机组多捕获15%的风能,同时每由于机舱重量减轻和改善了传动系统各部件的受力状况,可使风力发电机组的支撑结构减轻,塔架等基础费用也可降低。其运行维护费用也较低。这是一种很有发展前途的技术。
风力发电场未来的发展趋向将集中在,提高机群安装场地选择的准确性,进机群布局的合理性,提高运行的可靠性、稳定性,实现运行的最佳控制,进一步降低设备投资及发电成本。总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位,风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的。
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