新能源与分布式电源系统(下)

核心提示：　　新能源与分布式电源系统下）程明东南大学电力需求侧管理研究所江苏南京210096分布式电源系统的基本原理、关键技术内容以及国内外发展现状，评述了分布式电源对电力系统的影响和发展前景。　　23风力发电

　　新能源与分布式电源系统下）程明东南大学电力需求侧管理研究所江苏南京210096分布式电源系统的基本原理、关键技术内容以及国内外发展现状，评述了分布式电源对电力系统的影响和发展前景。

　　23风力发电风是人们非常熟悉的一种自然现象，它是因太阳加热空气，热空气上升，冷空气适时地补充导致空气流动而形成的其中蕴藏着巨大的能量。因此，风能与太阳能一样，是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源。但风能是一种过程性能源与煤、石油、天然气等化石类能源不同，不能被直接储存起来，只有被转化成其它能量才能被存储。按照不同的需要，风能可以被转换成其它不同形式的能量，如机械能、电能、热能等。由于电能所具有的无可比拟的优越性，将风能转换成电能，即用风力发电，便成为人们利用风能的首选，并在近年来得到迅速发展。1997年末全球风电装机容量7636MW，到2001年末就增加到24000MW短短4年容量增加了214X，成为世界上发展最快的发电方式。

　　风力发电是目前新能源开发中技术最成熟、最具规模化商业开发前景的发电方式。风力发电的原理是：天然风吹转叶片，带动发电机转子旋转而发教授、博士生导师、系主任JEEE高级会员中国电力教育协会电气工程学科教学委员会副主任委员，江苏省电工技术学会副理事长兼秘书长。主要研究方向有：微特电机及其测控系统、电力电子与电机集成系统、电动车驱动与控制、分布电源技术等。

　　电。风力发电机的风轮机多采用水平轴、三叶片结构。叶片的直径随单机容量的增大而加长目前世界上最大的旋转叶片的直径达66m，培架高度达80m16.功率调节是风轮机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有2类功率调节方式：一类是定浆距失速控制；另一类是变浆距控制。大部分风力发电机都有对准风向机构，自动使风轮机处于迎风状态。随着技术的发展已出现了浓缩风能型风力发电机迎风及限速自动控制系统等新型风力发电机系统17. 2.3.1风力发电机类型按照风轮发电机转速是否恒定，风力发电可分为定转速运行与可变速运行2种方式；按照发电机的结构区分，有异步发电机、同步发电机、永磁式发电机、无刷双馈发电机和开关磁阻发电机等机型。早期的风力发电机大多采用附带增速装置的异步发电机。异步发电机结构简单发出的工频交流电可直接使用或经变压器输入电网。多数情况下异步风力发电机定速旋转线式异步电机可通过在转子接入可变电阻实现低频励磁来调节转矩大小，也可以变速运行。因为要从电网获得励磁电流，所以异步风力发电一般不能脱离电网单独运行，除非用某种方式获得励磁。

　　同步风力发电机不需要增速传动结构，整体结构简单。随着电力电子变流技术的进步，先进的同步风力发电常采用交-直-交的接入方式，即先把发科技新苑新能源与分布式电源系统（下）出的交流变成直流，然后再逆变成工频交流接入用户或电网。这种发电方式的优点是发电机转速不必与电网频率要求的转速同步。

　　永磁式发电机是利用永久磁铁取代励磁磁场，结构上没有励磁系统的同步发电机。随着高性能、低价格的钕铁硼'dFeB磁铁的普及j制造性能更加优|良、结构更加简便的永磁同步风力发电机已成为可能。

　　无刷双馈电机实际上是由2台绕线式异步电机组成2转子的同轴连接省去了滑环和电刷，该发电机可在转子转速变化的条件下通过控制励磁机的励磁电流频率来确保发电机输出电流频率保持在50H-不变因此无刷双馈发电机可实现变速恒频发电。2.3.2风力发电的运行方式/4风力发电的运行方式可分为独立运行、并网运行、与其它发电方式互补运行等。独立运行是指风力发电机输出的电能经蓄电池储能再供应用户使用。这种方式可供电网达不到的边远农村、牧区、海岛等地区使用，一般单机容量数百到数干瓦并网运行是在风力资源丰富地区，按一定排列方式安装风力发电机组，成为风力发电场发出的电能全部经变压器送至电网这是目前风力发电的主要方式风力同其它发电方式互补运行，如风力-柴油机组互补发电方式，风力-太阳能光伏发电方式，风力-燃料电池发电方式等，这种方式不仅可弥补风速变化所带来的发电量突然变化的影响保证一年四季均衡供电，而且可延长蓄电池寿命，同时还可以使离网型小型用户发电系统的发电成本降低，自然资源得到充分利用。

　　2.3.3风力发电的国内外发展概况20世纪70年代初，受中东石油危机影响，风力发电在艰难中起步20世纪80年代以美国和丹麦为中心开始建设风力发电场。进入90年代风力发电装机容量以年均203的速度增加。欧洲是世界风能发电最为发达的地区去年一年欧洲的风能发电功率提高了4500MW，使欧洲风能发电的总功率达到17 000MW，占全世界风能发电能力的703以上。随着风力发电设备生产规模的扩大和技术水平的提高风力发电成本正不断下降，例如过去20年来美国风力发电的成本降低了803.上世纪80年代安装第一批风力发电机时，每干瓦时风电的成本为30美分而现在只需4美分。与此同时人们正在研究各种新型风力发电技术。据报道3家英国机构和德国斯图加特大学最近开始着手试验高层建筑群间的风力发电技术这种技术的原理并不复杂人们只要站在楼群之间便会感到一股风的吸力。两楼之间墙体垂直，风到这里不会被吹散，且直接吹入涡轮机，比空旷地带的风更集中。根据计算用这种方法可比普通风力发电机多发253的电能。如果研究成功，它将有望改变城市的供电结构。

　　我国是一个风能资源丰富的国家，全国可供开发利用的风能资源总量为2.53亿kW.东南沿海及附近岛屿新疆、内蒙古和甘肃河西走廊等地区属我国风资源丰富区具有很大的开发利用价值。我国风力发电从20世纪80年代开始起步，到2000年末，全国风电装机容量只有344MW.“十五”期间我国计划新增风电1 192MW，发展重点：一是新建设100MW风电场3~5座海拮海上风电场），并取得规模效益；二是鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电力企业或非电力企业开发风电项目。

　　为了鼓励风电发展，最近国务院批准了风力发电实行按增值税应纳税额减半征收的优惠政策。按照这一新政策我国风电电价平均将降低0.05~0.06元/Wh），新建风电场电价水平有望降至0.5元/fcWh）以下。该政策的出台将对我国风力发电产业化发展产生积极的影响。

　　2.4高速飞轮储能系统高速飞轮技术在20世纪70年代至80年代初曾是技术发展的一个热点。在中东石油危机之后人们对它的兴趣慢慢减退了。近年来随着高强度复合材料和低耗轴承的发展，以及分布电源和电动车应用的需要，高速飞轮再次成为研究热点。

　　高速飞轮储能系统是一种典型的高科技机电一体化系统，它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术，包拮能够承受超高速运行的高强度飞轮，能够将电能和机械能进行高效双向转换的电机和功率变换器损耗很小的磁悬浮轴承等18气高速飞轮的基本结构如所示。

　　与传统质量飞轮不同的是，超高速飞轮重量轻而转速极高这是因为：轮转速。由上式可见，所储能量与转动惯量成正比，科技新苑而与飞轮转速的平方成正比。因此为了增加能量，在飞轮强度允许的条件下，应该尽量增加飞轮转速。现时典型的超高速飞轮的最高转速在30 000~50000r/min最先进的高速记录为60万r/min.飞轮储能系统中的电能与机械能之间的转换是以电机及其控制系统为孩心来实现的，飞轮在储存和释放能量的过程中，电机和飞轮的转速不断变化，因此除采用高效率的电机外还必须配备一个高效率的电力电子功率变换装置，以保证飞轮储能系统在储能时能控制电机的速度不断增大，在释放能量时能满足负载对频率和电压的要求。飞轮储能系统中的电动机-发电机已经集成为一个部件，充电“时它充当电动机，从外部吸收电能，以使飞轮加速；而”放电“时充当发电机，将动能转化为电能向外输出，此时飞轮的转速不断下降。对于高速运转的飞轮储能系统，有多种电机可供选择：感应电机、开关磁阻电机、永磁无刷直流电机和双凸极永磁电机等。特别值得一提的是近年出现的新型双凸极永磁（DSPM）电机具有非常适合于飞轮储能的潜在特性i3*2".为DSPM电机的结构示意图，该电机不仅具有传统永磁无刷直流电机效率高、无换向器和电刷、无需维护等特点，最突出的优点是永磁体置于电机定子，凸极转子上既无永磁体，也无绕组2几械强度高，特别适于高速运行，并且转子上基本没有损耗、不发热，这对于为减少风摩损耗而抽真空的飞轮转子来说是非常重要的。因为在真空条件下转子损耗产生的热量很难散发。

　　飞轮储能的一个特点是在相当长的待机时间里飞轮仍不停地高速旋转。因此，要保持飞轮的旋转功能，消除轴承的摩擦损耗0这也是延长轴承寿命所必须的眉实现高效飞轮的关键。传统机械轴承的摩擦系数较大，不适宜在高速、重载的飞轮储能装置中作飞轮转子承重用，但其结构简单紧凑、坚固一般作紧急状态时的备用轴承。近几年来磁悬浮轴承因具有高转速、无机械接触、无摩擦、不需润滑、寿命长、动态特性可调等突出优点，特别适合应用在飞轮储能系统中，因为磁性轴承是无接触的，采用这种轴承可以大大减少飞轮的摩擦损耗。最近，超导技术也已被引入了这种轴承，摩擦损耗可望进一步减少22飞轮储能技术的应用前景十分广阔。首先，它可用于电网调峰在电网负荷处于低谷时，飞轮系统的电动机拖动飞轮加速2把电能转换为动能储存起来，在用电高峰时，飞轮拖动发电机把动能转化为电能。

　　和抽水蓄能相比，飞轮储能系统比抽水蓄能电站明显优越，尤其在缺乏水利资源的地区呗设飞轮储能调峰电源应是首选方案。飞轮储能系统在电网中投入运行后可以有效地调节电力系统负荷水平同时可使电力系统的静态稳定和暂态稳定水平有较大的提高。

　　飞轮储能机组还可作为可调无功电源和事故备用电源有效地提高了系统的电压水平和供电可靠性B.其次，飞轮储能系统与风能、太阳能等新能源发电系统结合，可有效克服风能和太阳能随季节和时间变化大的缺点，充分发挥飞轮系统响应速度快的优点使新能源发电系统平稳发电能源得到充分利用。

　　再者，飞轮储能系统可安装在电动汽车里作为动力源，称之为飞轮电池，飞轮系统还可应用于火车、轮船等交通运输工具。当制动时将制动能耗通过电动机转化为飞轮的机械动能储存起来，成为再生能源，当需要大功率工作时再将动能释放出来供系统使用2制动能量的再利用，提高了交通运输工具的效率。此外，飞轮系统在航空航天、军事设备、医疗设备、计算机站等场所均有重要的应用价值。

　　3结束语综上所述，与新能源紧密相关的分布式电源系统是典型的高新技术系统，涉及到当今新材料技术、电力电子技术、电机驱动技术、半导体技术、电化学技术、需求侧管理等。它具有规模小、建设周期短、占地少、运行维护容易及高效、经济、可靠、污染少等一系列优点不仅可以为工商企业、居民小区、高层建筑等用户以及孤立、偏远地区的用户提供电力，而且可以纳入现有电力系统的需求侧管理DSM）系统，为电力企业提供紧急功率支持等服务。分布式电源供电与大电网供电相互补充、协调是综合利用现有资源和设备、为用户提供可靠和优质电能的理想方式。因此，分布式电源将在电力市场特别是新增负荷中占据越来越大的比重，从而对整个电力系统产生巨大而深远的影响。首先新增负荷中相当大的部分将由分布电源来满足，集中式发电厂和远距离输电线路的需求将减少并且，由于分布式电源具有削峰填谷和平衡负荷的作用，现有发输电设施的利用率将大大提高，那些利用率极低、仅为满足高峰负荷科技新苑需要的发输电设施将不再有建设的必要。其次分布式电源的引入将彻底改变传统的配电网结的规划与运行。再则分布式电源的普及；将对电力市场的走向和最后格局产生深远的影响。由于用户既可从电力公司买电，也可用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司提供有偿削峰等服务，电力公司与用户之间将形成新的关系同时分布式电源为其他行业邮天然气公司班入电力市场打开了方便之门，整个电力市场的竞争将更加激烈。因此新能源及分布式电源系统的发展，无论对从事新能源与分布式电源系统研究与开发的技术人员，还是对传统电力企业来说，既是机遇也是挑战。