[实用新型]高耗能产业的非并网式大型风力发电机

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电机，特别是一种主要为高耗能产业提供一种直 接使用的非并网式大型风力发电机，属于供电或配电领域。

背景技术

风能是人类最早利用的最廉价、最方便、最清洁的一种可再生的绿色能源， 将风能转变为电能的风力发电已越来越受到世界各国的重视，在风力资源丰富的 风场安装大功率风力发电机的技术和设备已基本成熟，目前对大规模风电的使用 主要靠与市电并网后再输送给用户使用，能够与市电并网的风电必须做到其频 率、相位和电压均应与市电相同，同时还要将发电机在并网瞬间对电网的冲击电 流值限制在规定的范围内(一般为1.5倍额定电流以下)，使之得到一个较为平 滑的并网暂态过程才能并网。现有的大型风力发电机均为变速恒频式水平轴风力 发电机，其结构主要由风轮、低速联轴器、增速器、高速联轴器、发电机、塔架、 调速装置、调向装置、制动器等组成，其中有许多结构都是为了能够与市电并网 而设计的非常复杂，如风轮中的叶片必须要设计成变桨距叶片或固定桨距叶尖可 变桨距或叶尖设有阻尼器等几种叶片，还要与调速装置配套使用才能使风轮在风 速变化较小(如5-12m/s)的范围内调整转速而进行正常工作；又因市电电网频 率为50HZ，而风轮的转速较低，为了与发电机匹配，都必须要在与风轮联接的 低速联轴器和与发电机联接的高速联接器之间接一个增速器，增速器的增速一般 是几十倍，需要多级齿轮增速，其齿轮箱的重量有的达到几吨重，使发电机结构 复杂，造价昂贵，再加上与稳压、稳频、稳相位等控制系统配套，造成风电的价 格反而高于市电价格，如果缺乏政府扶持则无价格优势。但即使采取包括降低发 电效率等各种措施，还会因风速波动太大等原因而还会使风电频率等参数变化很 大，且又由于技术条件的限制以及电网稳定性的要求，使风电在电网中所占比重 往往限制在5％之内。风电是一种受风速控制而不同于常规电源，其主要表现在 以下几方面：

(一)风速是波动且随机变化的，因此风电机组发出的电能也是波动的。尽 管这种波动可以控制或者可以预测，但是目前来讲，多数是不可控的或者控制效 果是极其微弱的。这便增加了电网调度人员调度的不确定性和复杂性。

(二)风电机组中的发电机形式多样，可以是异步发电机、同步发电机或是 双馈感应发电机。因此，无功功率特性复杂，这便带来了电网电压的偏差问题， 这就需要电网设计时应考虑无功补偿和输出电压自动调正系统，从而减少对电网 的影响。

(三)风力发电的技术特点与常规发电不匹配，现有的电力系统运行规范不 适用，需要针对风电特性进行改进和补充。

(四)风力发电技术因其不同特性，因此要求随着风力机技术的特点，制定 相应的规定和管制条例。

(五)风电场位置一般远离负荷中心，也远离常规电厂，这是目前国内风电 场建设中的一个普遍现象。风能资源丰富的地区往往远离主要的电力需求区域， 这就给传输风电带来了困难，意味着需要对现有电网结构或框架进行改造和变 动，如扩建电网等，而这不仅仅是替换一些设备就可以实现的。在世界各地，电 网扩建是一个大问题，一方面它导致了风电成本的升高，另一方面大范围的传输 系统改造也会延迟风电的上网和使用。例如英国北部风能资源丰富地区的许多风 电项目，从投产到真正联网发电，这期间电网的更新往往需要十年的时间。

因而，风电与市电并网，会对市电电网产生比较大的负面影响，这些影响主 要有：

(一)风电输出功率的大幅变动对电网的影响

从对电网的影响角度看，风力发电第一个特点就是出力变动大，且呈不规则 变动性状，不易预测。由风力发电机组的输出功率表示式可知，风力发电机组的 输出功率与风力发电机组风叶扫风面积成正比，与空气密度成正比，与风速的三 次方函数成正比。风力发电机组的机型确定后，其风叶扫风面积是不变的，在固 定的地域空气密度变化不大，惟独风速变化相当大且是随机性的，因此风力发电 机组输出功率变化大主要是由于风速变化而引起的。根据美国风电场的运行经 验，即使由数十台风电机组成的风电场，通常在1分钟内最大输出功率变动也达 40％左右。

(二)风力发电对电网的无功功率影响

在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是 视在功率，而能起到作功的一部分功率(即有功功率)将小于视在功率。

(三)风电对并网潮流分布的影响