某某学院毕业设计
引 言
1.课题研究的目的
众所周知，地球上可供人类开发和使用的化石能源是有限的，且是不可能再
生的。然而随着全球工业化进程的逐步展开并加速，世界各国对能源的需求急剧上升，而常见的煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，根据联合国能源署报告，这些能源仅可供全世界消耗大约170年。换句话说，如果不加以控制，人类将在接下来的两百年内消耗地球存储了若干亿年的化石能源，同时大量使用的化石能源对我们所赖以生存的地球生态环境造成了严重的破坏，如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了温室效应和酸雨的产生。面对社会和经济可持续发展的挑战，如何解决日益紧张的能源危机并缓和环境恶化，是当今人类社会发展的重大课题。
我国幅员辽阔，陆疆总长达２万多公里，还有1800多公里的海岸线，边缘海中有岛屿5000多个，风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6m/s以上。一般认为，可将风电场分为三类：年平均风速6m/s以上时为较好；7m/s以上为好；8m/s以上为很好。可按风速频率曲线和机组功率曲线，估算标准大气状态下该机组的年发电量。我国相当于6m/s以上的地区，在全国范围内仅仅限于较少数几个地带。就内陆而言，大约仅占全国总面积的1/100，主要分布在长江到南澳岛之间的东南沿海及其岛屿，这些地区是我国最大的风能资源区以及风能资源丰富区，包括山东、辽东半岛、黄海之滨，南澳岛以西的南海沿海、海南岛和南海诸岛，内蒙古从阴山山脉以北到大兴安岭以北，新疆达阪城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，张家口北部等地区以及分布各地的高山山口和山顶。
我国沿海水深在2-10的海域面积很大，而且风能资源好，靠近我国东部主要用电负荷区域，适宜建设海上风电场。
我国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁，以及东部和东南沿海 及岛屿，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。在时间上，冬春季风大、降雨量少，夏季风小、降雨量大，与水电的枯水期和丰水期有较好的互
- 6 -
某某学院毕业设计
补性（见表1—1）。
表 1—1
省区 风力资源／万千瓦 6178 3433 1723 1143 638 612 606 省区 风力资源/万千瓦 内蒙古 新疆 黑龙江 甘肃 吉林 河北 辽宁 山东 江西 江苏 广东 浙江 福建 海南 394 293 238 195 164 137 64 我国风能资源是丰富的，潜在可利用风力资源约为250GW，居世界前列。最近颁布的《可再生能源法》，为我国利用风能发电奠定了政策基础，这些有利条件将促进国内的风电迅速发展。但风力发电不同于常规的发电生产方式，突出的特点表现在：风力发电的生产成本较高，据初步测算，目前风力发电的单位千瓦投资多在7500-10000元之问，远高于常规的能源发电(如火力发电造价在4000元／千瓦左右)。据初步分析，导致风力发电成本高的主要原因，是风电设备的投资在电力生产成本的构成中占很大比例，但目前风电机组的价格昂贵，性价比有待改善。虽然风力发电运行成本和后期维护费用相对火力发电要低得多，且随着煤电联动政策取消，以火电为主的常规能源成本上涨，同时考虑到常规能源的后期用于环保方面费用，可以部分减小风电成本和常规能源之间的差距。但要加快风力发电的步伐，必须进一步降低风电设备的成本，提供更高性价比的风力机。
2.国内外研究现状与发展趋势
2.1国外风力发电的情况
世界上第1台用于发电的风力机于1891年在丹麦建成，但由于技术和经济等方面原因，风力发电一直未成为电网中的电源。直到1973年发生石油危机，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，研制现代风
- 7 -
某某学院毕业设计
力发电机组，80年代开始建立示范风电场，风电从此成为电网新电源。到了90年代对环境保护的要求日益严格，特别是根据《京都议定书》的国际协定兑现减排C02等温室效应气体的承诺，促使风电发展越来越迅猛。
自上世纪 80 年代风电技术成功实现产业化开发以来，风电经历了30 余年的发展已成为重要的电力能源。根据中国行业咨询网研究部的统计，1996 年至2009 年期间，世界风机累计装机容量的平均增长速度为28.6%，2004 年到2009 年新增装机容量的平均增长速度为36.1%。2009 年，全球风电新增装机容量达3,820.9 万KW，增长高达44.4%。2010 年全球风电新增装机容量为3,940 万KW，增长率为3.1%，首次呈现放缓趋势。风电增速放缓的主要因素还是受经济复苏缓慢的拖累，美国政策导向不明，加之欧洲等国债危机的影响，风电传统强国的发展速度明显放缓。世界风电发展区域分布集中在欧洲、美洲和亚洲ZEX中国行业咨询网_行业报告_行业分析_市场调研_第三方市场数据和调查报告提供商。界风电发展的支柱地区在欧洲、美洲和亚洲。截止2010年底，世界上有100多个国家开始发展风电，累计装机超过100万KW的国家有20个，排位前十名国家的累计装机都超过了300万KW，且均来自于欧洲、美洲和亚洲地区，其装机容量占全球累计总装机容量的85.8%。
2010年全球半年3,940.4万KW的新增装机中，新增装机容量前十名的国家均来自于欧洲、美洲和亚洲地区。新增装机容量前十名的国家新增装机容量占2010年新增总装机容量的86.8%，除上述国家外，其它国家如拉丁美洲的巴西、非洲的肯利亚等国的风电市场发展也在加速，但总体累计装机容量和新增装机容量的比重都较小，上述美国、中国以及部分欧洲国家现阶段仍然左右着世界风电发展的大局。
2.2风力发电技术的发展
现代风力机起源于十九世纪末期，即1891年丹麦人P011l lalour发明了第一台风力发电机，在1900～1960年期间，已生产出10～200kW的各种类型的风力 机，有些大型的风力机已和电力系统并网，其中以丹麦的盖瑟(Gedser)200kW 风力机最为出色。但随后由于风力机的运行故障以及事故，这一新生事物并未在全世界受到人们的关注，直到1984年，差不多经历了长达90多年时间，全世界风电装机的容量也不过27．4万kW。由于化石资源的短缺和环境污染的日益严
- 8 -
某某学院毕业设计
重，风能作为清洁的可再生资源又受到全世界的重视，吸引了大批的研究人员和生产厂家的加入。美国科罗拉多州建立罗克福莱茨(Rocky Flats)风力发电机组试验场，此外还有美国国家风能研究中心(National Wind technology center，简称NWTC)；丹麦有罗斯基勒的黑绍(Riso)实验室；荷兰有荷兰风能研究中心(EcN)：日本有武丰、安中和金泽三个试验点；德国有北海派勒沃木岛的试验场；搬拿大在爱德华王予袅上有大莲洋风力机组试验蛄。特别在二卡世纪九十年代后，风电有着迅猛的发展。风力发电机单机容量朝着大型化，目前兆瓦级风力机已经是国际风电场上载主流产品，美国7兆瓦风力机已经研制成功，而英国正在研制10兆瓦的巨型风力机。随着风力机大型化的发展，风力发电技术也得到很大的进步。风力发电机系统的两个主要部分是风力机和发电机，变桨矩功率调节和发电机的变速恒频技术是风力发电中的两项关键的技术。在风速低于额定风速时，调节笈电机转子转速，尽可能最大地捕获风能，同时稳定发电机输出电能的频率，这就是变速恒频；而当风速高于额定风速时，由于风电自身机械电气强度的限制，以及电网对供电晶质的要求，希望发电机输出功率稳定在额定功率左右，这就是功率控制。功率控制的方式一般可以分为定浆矩控制和变桨矩控制。定浆矩控制，风力机的功率调节完众依靠叶片的气动特性，在风速高于额定风速是，由于浆叶结构设计发生失速效应使功率减小，但由于失速点的设计，很难保证风力机在失速后能维持输出功率的恒定，所以一般失速后输出功率都降为小于额定功率；而变浆矩控制，随着风速的变化调节浆叶节矩角，稳定发电机的输出功率。 在并网过程中，变桨矩控制还可实现快速无冲击并网，而紧急关机时，变桨矩机构调节桨叶节矩角为90°，使桨叶逆桨，风轮转速降低，减小对风力机负载冲击，提高系统寿命。变桨矩控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。变桨矩控制研究对变速恒频风力机组的研制有着重要的意义。国外大型尤其是兆瓦级以上的变速恒频风力机组基本上地采用了变桨矩控制技术，例如Vestas的V66—1．65MW、V80—2MW，Enercon的E-66-1.8MW、E一58—1MW，Enron Wind的1．5s—I．5MW，Nordex的S77/1500kW、N80/2500kW，Dewind的D6—1.25MW都采用变桨矩控制方式。 其实在风力机研制的初期，设计人员就已经考虑到控制桨叶节矩角，但由于一开始设计对空气动力学特性和运行的工况认识不足，风力机设计的变矩机构可
- 9 -
某某学院毕业设计
靠性远不能满足风力机组正常工作的要求，所以灾难性的飞车事故不断发生。经过了10多年的研究实践，设计人员对风力机组的空气动力学特性和各种运行工况已有深刻了解。在20世纪90年代以后，变桨矩机构重新受到了设计人员的重视并得到广泛应用。变桨矩控制方式一般可以分为两种，一种是电机执行机构；另一种是液压执行机构。液压执行机构通过液联系统推幼桨叶转动，改变桨叶节矩角。该机构以其响应频率块、扭矩大、便于集中布置和集成化等优点在目前的变浆矩机构中占有主要的地位，特别适合于大型风力机的场合。国外著名的风力机厂丹麦的Vestas、德陵静Dewind、Repower等等都采用液压变浆矩方式，目前美国研制最大的容量7MW的风力机也采用液压执行机构。电机变桨矩执行机构利用电动机对浆叶进行单独控制。由于其机构紧凑，可靠，没有象液压变桨矩机构那样传动结构相对复杂，存在非线性，泄露、卡涩时有发生，所以也得到许多生产厂家的青睐。但其动态特性相对较差，有较大的惯性，特别是对于大功率风力机。而且电机本身如果连续频繁地调节桨时，将产生过量的热负荷使电机损坏。国外比较具有代表性的公司如德国的Cnordex和GE Wind Energy公词等。 此外美国国家风能技术中心目前正在研制的自适应变浆矩风力机，力图通过桨叶材料上进行设汁，桨叶在低于额定风速下，风力机桨叶保持最优捕获风能状态；当风速高于额定风速时，在风力的作用下，根据风速的大小作出相应的变形，从而自动改变桨叶的节矩角。
2.3国内风电技术发展
我国的风电技术发展虽相对滞后，但其成就亦令人瞩目。我国自20世纪50年代开始研制小型和微型风电机组，80年代开始大量应用。1972年研制出18kWwfd一13型风力发电机组；1975年研制了FD—1.5风力发电扭组，它结构简单，适于牧区使用；1976年研制适于牧区使用的FD—4风力提水机；1978年研制FD4-LBl45提水机。当时的风力机主要用于提水灌溉或蓄电电池储能。1989年从国外开始引进55kW和100kw的并网型风力发电机。现柱，在小型风电机组的生产和应用方面，我国以15万台拥有量居世界首位；但在大型并网风力发电方面，起步较晚，发展速度不尽人意，但仍然取得了可观的成绩。目前我国风场中使用的风力机95％都来自国外，如内蒙吉辉腾锡勒风场，设备几乎全都是进口的。为了建立自己的风电工业，提升国产风力机组生产能力和应用比重，近
- 10 -