第1章 风力发电概述

第1章风力发电概述（2学时）1.1 前言随着常规能源的减少，环境污染的加剧，可再生能源的开发利用越来越受到各国的高度重视。

风能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，是可再生能源中最具有发展潜力的能源之一。

发展风力发电，不仅可以节约常规能源，而且有利于环保，是改善能源结构，减少环境污染的有效途径之一，可带来直接的经济效益、社会效益和环境效益。

各工业化国家现代电力系统的特征之一是大规模接入风电机组。

这一发展的共同推动力量是风电技术成功开发、政府目标、对进一步可再生能源的补贴和利用以及对降低污染和环境保护的强烈要求。

风电机组是环境友好型发电的最大来源，与其他可再生能源发电，如潮汐发电、波浪发电、光伏发电等相比，风电的效率最高，风电机组的最高效率可达50%。

现代电力系统的基础是常规发电厂，即通过常规发电厂控制电网的电压并维持发电与用电之间的平衡，故这些电力系统的安全可靠运行是基于常规发电厂的运行控制技术。

常规发电厂传统上是以同步发电机为基础。

电网发生故障时，常规发电厂的励磁控制参与重建电网电压，而其频率控制则在此事件期间确保电网频率恒定。

风电机组是一种大有前途的替代技术，但在对馈入电网的运行与稳定性影响方面，人们通常还是一知半解。

此外，大部分风电机组装有几种不同概念的感应发电机。

风电机组越来越多地接入电网，在增加风电的同时减少了常规电厂的供电量及其份额。

与这一过程对应的是从人们熟知且成熟的基于常规电厂的电网运行技术向人们一知半解的风电技术转移。

因此，这会产生一些有关如何保持电网运行稳定和稳定性研究中如何表示风电机组的问题。

问题：风电所占份额的增加，常规电厂所占份额将下降，则基于常规电厂的电网运行控制能力将逐渐弱化，从而会给所接入电力系统安全经济运行造成不利影响。

稳定性问题——安全性问题经济性问题——运行调度问题规划问题主要内容：随着风电数量的增加和常规发电厂为支持风电而减少的发电量，风电机组建模就成为与电力系统稳定性研究关系密切的问题了。

多数风电机组都装有不同概念的感应发电机，因此，掌握基于这些感应发电机的风电机组工作原理、工作特性非常重要。

现代风电机组是复杂的机电系统。

电网故障会激发风电机组和电网之间的相互作用，因此，掌握与此相关的风电机组的机械结构（风轮空气动力学的基础知识、转轴的表示方法和电力系统稳定性研究中风电机组建模的叶片角控制）及其特性非常重要。

——对研究风电机组运行特性很重要。

定速风电机组运行原理——建模，3阶模型/5阶模型1.2 风力发电的现状与发展前景1.2.1 国内风力发电的现状与趋势资源总量及分布状况图1.1 中国风能资源分布情况根据初步测定结论，我国陆地风能的实际可开发总量大约是2.53亿千瓦。

根据资源、土地、交通和电网条件确定近期具备开发条件的风电场址约有50个，分布在全国16个省(市，自治区)，其中新疆达坂城、内蒙古辉腾锡勒、河北张北、吉林通榆.和广东南澳等场址均具备装机100兆瓦的条件。

目前国内风电装机情况到2006年底，全国已建成约80个风电场，装机总容量达到约230万千瓦，比2005年新增装机100多万千瓦，增长率超过80%。

[1]“八五”及“九五”初期，风电场平均综合造价约为10000元/千瓦。

到“九五”末期，风电场平均综合造价降到8500元/千瓦，约降低15%。

同时上网电价也有了一定的下降。

目前的电价水平约为0.60－0.70元/千瓦时。

风电上网电价一览表(含税价)序号风电场名称上网电价（元/kWh）1浙江苍南风电场 1.22河北张北风电场 0.9843辽宁东岗风电场 0.91544辽宁大连横山风电场 0.95吉林通榆风电场 0.96黑龙江木兰风电场 0.857上海崇明南汇风电场 0.7738广东汕尾红海湾风电场 0.7439广东南澳风电场 0.7410甘肃玉门风电场 0.7311海南东方风电场 0.6512广东惠来海湾石风电场 0.6513内蒙古锡林浩特风电场 0.6478614广东南澳振能风电场 0.6215内蒙古朱日和风电场 0.609416内蒙古辉腾锡勒风电场 0.60917内蒙古商都风电场 0.60918新疆达坂城风电场一厂 0.53319新疆达坂城风电场二厂 0.53320福建东山澳仔山风电场 0.46特许权招标项目中标价：一广东石碑山（粤电公司） 0.501二江苏如东一期（华睿公司） 0.436三江苏如东二期（龙源） 0.519四吉林通榆（龙源,华能） 0.509～0.5096五内蒙辉腾锡勒（北京国际电力新能源） 0.382广东省物价局粤价[2004]110号文定价(对广东新投产项目)：0.528元（未含配套送出工程还本付息及其运行费用）风电人才情况目前，我国从事风电的技术骨干大多数是从其他行业转过来的，他们普遍缺少风电方面的专业培训和技术学习。

具备创新、国际交往能力的复合型风电人才和优秀的风电设计师尤为短缺。

据华北电力大学博士生导师徐大平介绍，到2020年我国将需要几十万人从事风电产业，其中包括好几万专业人员。

我国风电专业人才缺口巨大，人才培养任务极其艰巨。

[2]1.2.2 国外风力发电的现状与趋势近几年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度。

过去5年中全球风电累计装机容量的平均增长率，一直保持在33％，而每年新增风电装机容量的增长率则更高，平均为35.7％。

最近，欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12％的蓝图》的报告，期望并预测2020年全球的风力发电装机将达到12.31亿千瓦（注：这是2002年世界风电装机容量的38.4倍），年安装量达到1.5亿千瓦，风力发电量将占全球发电总量的12％”。

“风力12％”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。

风力发电不再是一种可有可无的补充能源，已经成为最具有商业化发展前景的成熟技术和新兴产业，有可能成为世界未来最重要的替代能源全球风能协会（GWEC）在其报告中公布，2006年全球风电机组新安装量为15,197MW，累计安装总量达74,223MW。

上述统计涉及全球逾70多个国家和地区，在所有国家中机组安装总量最高的依次是德国（20,621MW）、西班牙（11,615MW）、美国（11,603MW）、印度（6,270MW）和丹麦（3,3136MW）。

目前，全球已有13个国家迈入安机量超1GW（即1000MW）的队伍之中，而上年仅11个国家。

新加入的两个国家分别是法国和加拿大。

图1.2 2006年风电机组累计安装量排名图1.3 2006年新增风电机组排名1.3 风力发电原理简介风力发电机组主要包括风力机和发电机两大主要部件。

风力发电发展过程中，曾经出现过多种风电机组，按转轴区分有水平轴风电机组和垂直轴风电机组，按叶片数量区分有单叶片、两叶片和多叶片风电机组，按叶片与风向的关系区分有上风向(叶片迎着风向)和下风向(叶片顺着风向)风电机组，按叶片控制方式区分有定桨距和变桨距风电机组，按转速变化情况区分有固定转速和变速风电机组，按照风电机组定子侧频率区分有恒频和变频风电机组，按采用的发电机区分有鼠笼式异步发电机、同步发电机、双馈感应异步发电机和永磁风电机组等。

定桨距风力机是将叶片固定在轮毂上，通过叶片失速控制最大功率。

这种技术是典型的丹麦风力机组的技术核心。

变桨距风力机是通过叶片沿其纵向轴心转动来调节功率。

从当今世界风力机发展技术来看，容量小于750kW的风电机组采用定桨距或变桨距技术差别不大，容量大于750kW的风电机组大部分采用变桨距技术。

恒速恒频风力发电技术（Constant Speed Constant Frequency，简称CSCF）、变速恒频风力发电技术（Variable Speed Constant Frequency，简称VSCF）恒速恒频风力发电系统的风力机转速不变，由于风速经常变化，所以恒速恒频风力发电系统的风能利用效率比较低，常用于小型的风力发电系统。

变速恒频风力发电系统的发电机转速可以跟踪风速的变化，由于转速发生变化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段(AC—DC—AC或AC—AC 变频器)来保证与电网同频率后并入电网。

目前世界绝大多数大容量的风电机组采用了这种技术。

根据风力机与发电机组的不同组合，有很多种风力发电方式。

但是，目前主要有定桨距鼠笼式风力发电系统、变桨距双馈感应风力发电系统、变桨距永磁同步风力发电系统等三种主流风力发电方式，其系统结构如图1.4所示。

（a）定桨距鼠笼式异步风力发电系统（b）变桨距双馈感应风力发电系统（c）变桨距永磁同步风力发电系统图1.4 目前常见的风力发电系统结构1.4 大规模风力发电联网运行面临的问题受诸多自然条件因素的影响，风能具有随机变化性，因此决定了风电机组的输出功率具有间歇性，不完全可控。

随着风力发电技术的不断进步，单台风电机组容量越来越大。

目前，世界上主流风电机组额定容量一般为1～2.5MW，单台风电机组的最大额定容量己经可以达到5MW，因此风电场也能够比以往具有更大的装机容量。

随着风电装机容量在各个国家电网中所占的比例越来越高，对电网的影响范围从局部逐渐扩大。

目前，从全世界的范围来看，风电接入电网出现了与以往不同的特点，表现为:（1）单个风力发电场容量增大，目前，国内已经有多个规划中容量高于10万kW的风电场，在未来数年中，甚至可能出现100万kW的大型风电基地。

（2）风电场接入电网的电压等级更高，由以往接入配电网而发展为直接接入输电网络。

增加的风电接入容量与接入更高的电压等级使得电网受风电的影响范围更广;（3）由于风电机组往往采用不同于常规同步发电机的异步发电机技术，其静态特性及电网发生故障时的暂态特性与传统同步电机也有很大不同。

无论风电场装机容量大小、采用何种风电机组技术，风电接入会对电网的安全经济运行带来诸多不利影响。

例如，而在风电穿透功率较大的电网中，风电接入除了会产生电压稳定问题外，由于改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率与整个系统的惯量，因此风电接入后电网电压稳定性、暂态稳定性及频率稳定性都会发生变化。

另外，大量风电的接入势必替代电网中部分同步机，这部分同步机组的调频调压能力必须由其他同步机组或者是风电机组来承担，因此，国外越来越多的电网公司对于接入电网的大型风电场也提出更高的要求:例如有功功率控制能力、无功电压调整能力及风电机组的故障穿越能力(FRT: Fault Ride Through)。

目前，欧洲各国及美国的风电并网导则都有类似的要求。

从这个观点来看，对于以后越来越大型化的风电场，已经开始具备了发电厂的特性:而由于变速风力发电机组技术的进步及电力电子变频器在风力发电中的应用，其电压调整能力甚至是部分的调频能力已经逐步可以在风电机组中实现。