（电气工程专业论文）风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用.pdf

a p p l i c a t i o no fw i n de n e r g yr e s o u r c ea s s e s s m e n ta n dw i n d t u r b i n eg e n e r a t o r ss e l e c t i o ni ns i t i n go fw i n df a r m s b y 刚gx i a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a lp o w e rsy s t e ma n di t sa u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw u z h e n g q i u a n d s e n i o re n g i n e e rp e n gw e i m a y ，2 0 1 1 删7川6 4 709川i舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：吻炙 日期：驯年广月2 铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 一) 作者签名吻笑 导师签 勃件 1 日期：夕p l7 年j - 月冲日 醐：加严j 且矽 工程硕士学位论文 摘要 随着社会和工业的发展，对能源的需求与日俱增。传统的化石能源如煤炭、 石油等越来越少。水资源的分布有地域性的不均匀，同时传统发电方式对环境也 会造成一定压力，寻找新型能源成为迫切的需求。风力发电作为一种环保的可再 生能源已经越来越受到世界各国的重视，逐渐得到了较为广泛的开发和利用。 风能资源虽然储量大，分布广泛，但是风能也具有随机性和功率密度较低的 问题。如何对风能资源状况进行评估，如何在设计风电场时获得较好的风能利用 率和较低的风电成本是一个值得研究的问题。本文根据风能观测点的测量数据进 行风能资源状况评估，通过计算平均风功率密度、有效风功率密度、年可利用小 时数三个参数来评估观测点的风能资源状况。 论文分析研究了有关风能的基本理论、风力机的风速功率特性和描述风速分 布的威布尔分布函数。本文从风力发电的风能利用和风电成本两个方面进行论述， 推导出风电场选址和风力机组选型的目标函数，研究了基于特定风能资源和风力 机参数的容量系数作为判断依据，选择和风电场风能资源最优匹配的风力机型的 方法。本文在算例中选择1 0 个实际风能观测点，从风能观测点的年平均风速、年 最大风速和空气密度出发，计算出每个风能观测点的风能资源评估参数，进行综 合比较。鉴于不同参数的风力机型对容量系数产生的影响较大，文章选择具有代 表性的不同风力机型，对于每一个风能观测点计算不同风力机型的容量系数，以 此进行特定风能资源情况下的风力组选型。经过实际计算分析，基于风能资源特 征和风力机参数的容量系数法能有效的反映出不同机型和不同风能资源状况下的 风力发电经济性，为风电场选址和风力机选型提供理论依据。 关键词：风力发电；风电场选址；机组选型；风能资源评估；容量系数 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n di n d u s t r y ，d e m a n df o re n e r g yi sg r o w i n g t r a d i t i o n a lf o s s i le n e r g y ，s u c ha sc o a la n do i la r el e s sa n dl e s s t h ed i s t r i b u t i o no f w a t e rr e s o u r c e si sr e g i o n a lu n e v e n ，a n dt r a d i t i o n a lg e n e r a t i n gm e t h o d sr e s u l ti ns o m e e n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n l o o k i n gf o rn e we n e r g yb e c o m e sa nu r g e n tt a s k w i n d p o w e ra sa k i n do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nr e n e w a b l ee n e r g y ，a l r e a d yh a sd r a wm u c h m o r ea t t e n t i o no fc o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d ，a n dg r a d u a l l yo b t a i n e dt h ew i d e l y d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n a l t h o u g hw i n de n e r g yi sr e s e r v e sv e r ya b u n d a n ta n d w i d ed i s t r i b u t i o n ，t h e r ea r e p r o b l e m so fr a n d o m n e s sa n d l o wp o w e rd e n s i t y h o wt oa s s e s st h ew i n dp o w e r r e s o u r c e ，a n dg e tb e t t e re f f i c i e n c yo fw i n de n e r g yu t i l i z a t i o na n dl o w e rc o s to fw i n d e n e r g y ，i saw o r t hr e s e a r c h i n gs u b j e c t t h ep a p e ra s s e s sw i n dp o w e rr e s o u r c eb a s e do n m e a s u r e m e n td a t ao fw i n dp o w e ro b s e r v a t i o ns i t e sv i ac a l c u l a t i n gn u m e r i c a ls i z eo f t h r e ep a r a m e t e r si n c l u d i n gw i n dp o w e ra v e r a g ep o w e rd e n s i t ya n de f f e c t i v ep o w e r d e n s i t ya n da n n u a lu t i l i z a t i o nh o u r s t h i sp a p e ra n a l y z e sb a s i ct h e o r yo fw i n dp o w e r , w i n ds p e e dv so u t p u tp o w e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dw e i b u l ld i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so fd e s c r i p t i o no nw i n ds p e e d d i s t r i b u t i o n t h i sa r t i c l ed i s c u s sf r o me f f i c i e n c yo fw i n de n e r g yu t i l i z a t i o na n dw i n d e n e r g yc o s t ，t h u s r e s e a r c h st h eo b je c t i v ef u n c t i o no fw i n df a r m ss i t i n g a n dw i n d t u r b i n es e l e c t i o n ，w i t hc a p a c i t yf a c t o rb a s e do ns p e c i f i cw i n dp o w e rr e s o u r c e sa n d w i n dg e n e r a t o r sp a r a m e t e r sa st h ec r i t e r i o nf o rs e l e c t i o no ft h eo p t i m a lw i n dt u r b i n e g e n e r a t o r si nw i n dp o w e rr e s o u r c e i nt h ee x a m p l e ，b yc h o s i n g1 0a c t u a lw i n dp o w e r o b s e r v a t i o ns i t e s ，c a l c u l a t ee v e r ys i t e s w i n dp o w e r r e s o u r c e s p a r a m e t e r s a n d c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n o nt h eb a s i so fa n n u a la v e r a g ew i n ds p e e d ，a n n u a l m a x i m u mw i n ds p e e da n da i rd e n s i t y b e c a u s e d i f f e r e n tw i n dt u r b i n ep a r a m e t e r s c a u s eg r e a ti n f l u e n c eo nc a p a c i t yf a c t o r ，t h ea r t i c l ec h o o s ed i f f e r e n tw i n dt u r b i n e g e n e r a t o r s t oc a l c u l a t ec a p a c i t yf a c t o ro ne a c hw i n do b s e r v a t i o ns i t e s ，a n d s e l e c t o p t i m a l w i n dt u r b i n eb a s e do ns p e c i f i cw i n dp o w e rr e s o u r c e s t h r o u g hp r a c t i c a l c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h em e t h o do fc a p a c i t yf a c t o rb a s e do ns p e c i f i cw i n dt u r b i n e a n dw i n dp o w e rr e s o u r c e sr e f l e c t se c o n o m i c a le f f i c i e n c y i nd i f f e r e n tw i n dp o w e r r e s o u r c e sa n dw i n dt u i b i n ep a r a m e t e r s i ta l s op r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rw i n d f a r m ss i t ea n do p t i m a lw i n dt u r b i n es e l e c t i o n h i 工程硕十学位论文 k e yw o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ：w i n df a r ms i t i n g ：w i n dt u r b i n es e l e c t i o n ： w i n d p o w e r r e s o u r c ea s s e s s m e n t ：c a p a c i t yf a c t o r i v 风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用 i = l 三罩 口习弋 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论。1 1 1 课题来源与选题意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 风能资源评估研究5 1 4 风力机组优化选型研究5 1 5 本文研究的主要内容以及方法一6 第2 章风能基本理论和风力机原理7 2 1 风能原理和基本理论7 2 2 风功率密度8 2 2 1 平均风功率密度8 2 2 2 有效风功率密度9 2 3 风能可利用时间1 0 2 4 风力机的种类1 1 2 4 1 水平轴风力机1 1 2 4 2 垂直轴风力机。1 1 2 5 风力机的气动原理一1 2 2 6 风速随高度的变化1 3 2 7 本章小结1 4 第3 章风能资源评估1 5 3 1 风能资源测量和数据处理1 5 3 2 风能资源原始数据的判定1 6 3 3 风功率密度和风区等级的划分1 7 3 3 1 风功率密度等级的划分1 7 3 3 2 风能分区1 8 3 4 风速统计的特性1 8 3 5 威布尔分布参数估计1 9 3 5 1 最小二乘法估计威布尔分布参数1 9 3 5 2 根据平均风速和标准差估计威布尔分布参数2 0 v 工程硕上学位论文 3 5 3 根据平均风速和最大风速估计威布尔分布参数2 1 3 6 风能资源评估。2 1 3 6 1 气象数据的整理分析以及初步的风能资源判定2 1 3 6 2 风电场宏观选址2 2 3 7 风能资源评估所需参数2 2 3 8 本章小结2 3 第4 章基于容量系数的风力机组选型2 4 4 1 风力发电机相关参数。2 4 4 1 1 叶尖速比2 4 4 1 2 风能利用系数2 4 4 2 典型风力机功率输出特性。2 5 4 3 风力发电的经济性研究2 7 4 3 1 风能利用率2 7 4 3 2 风电成本2 7 4 4 容量系数法2 8 4 5 本章小结2 9 第5 章算例和分析3 0 5 1 特定风电场的风能资源评估3 0 5 2 特定风电场的风力机组选型3 1 结论与展望3 6 参考文献3 8 j 1 5 t 谢q 1 1 v i t 程硕士学位论文 1 1 课题来源与选题意义 第1 章绪论 传统的电能主要由火力发电和水力发电提供，随着社会发展和工业规模的扩 大，对化石能源的需求日益增加，同时因为水资源的缺乏和分布不均匀等因素， 导致能源缺乏成为日益凸显的问题。以煤、石油、天然气、水资源和核原料为基 础的传统电力对环境造成了极大负担。环境污染、温室效应以及放射性污染等成 为日益严峻的问题。日本大地震引发的核电站核泄漏危机更是让人开始反思无限 制的发展核电是否是未来应该坚持的一条安全可靠的路线。伴随着全球环境的恶 化和资源的稀缺，开发清洁的可再生能源成为各国追求的目标。风能是由自然现 象所产生，可以说是取之不竭，风力发电也是一种几乎无污染无排放的发电方式。 风力发电因为具有比较成熟的技术和环保方面的优势，迅速成为重点发展的新型 能源。由于新技术和新材料等的应用，风力发电的成本也在逐年下降。我国风力 机组单位千瓦造价已经从6 0 0 0 多元人民币逐步下降至3 0 0 0 多元人民币，这意味 着国内风力机组制造已经开始进入具有竞争力的“3 0 0 0 元时代 。由于风电市场 的扩大和风力发电技术的发展，风力发电每千瓦时的成本也不断下降。根据统计， 在过去的1 5 年里，风电实际成本已经下降了超过5 0 ，而且这种趋势还在继续。 根据r i s 国家研究实验室对安装在丹麦的风力机组进行的评估，从1 9 8 1 1 9 9 5 年， 风电成本由1 5 8 欧分( k w h ) 下降到5 7 欧分( k w h ) 。这一可行性研究预计风电成 本到2 0 2 0 年将会下降至2 3 4 欧分( k w h ) 1 1 j 。 全球风能资源极为丰富，并且分布较为均匀，几乎在所有的地区和国家都有 比较均匀的分布。在技术上可以利用的风能资源总量估计约为5 3 0 0 0 t w 2 1 。根据 资料显示，我国风能资源的可利用潜能大约是目前全世界用电量总和的五倍。中 国1 0 m 高度层的风能资源总储量为3 2 2 6 1 0 8 k w ，其中实际可开发利用的风能资 源储量为2 5 3 x 1 0 8 k w l 3 1 。如此巨大的风能储量，如果得到充分合理的开发，必将 在很大程度上缓解环境、能源方面的压力。 风力资源的开发也面临很多问题。风电场开发涉及到开发地点的选择和风力 机组的选型等问题。这不仅关乎风电场建设的工程造价，而且会影响到风电场建 成投产后风电场运营的发电量和运营成本问题，从而影响上网电价【4 1 。所以在风 力发电厂的设计和建设中，设计者应该考虑风电场的建设成本和经济效益等多方 面问题。 风力发电场的选址和建设有着其自身的特点，这是不同于传统的水力发电和 风能资源评估和机组选型在风电场选址中的虑用 火力发电的。首先，我们应该考虑的开发点应该在风能资源较为丰富的地区，这 一部分工作可以通过对已知的数据进行风能资源评估得出。通常最为直接的决定 因素是年平均风速，年平均风速越大的地区，一般来说风能资源会比较丰富。对 某地风能资源开发利用价值的评估应当主要根据该地点风能资源的统计特性，按 照风能资源评估的程序进行。良好的风能资源是建设优秀风力电场的首要前提， 是不容忽视的重要工作。其次，就是风力发电机机型的选择。风力机组的实际输 出功率既跟风力机自身的设计参数有关，又跟安装地点的风能资源状况相关。对 于已经选定的待开发点，根据该地点的风能资源特点选择最佳匹配的风力发电机 机型将会决定风力发电场的经济效益和运营成本。在进行风力机组选型时，容量、 运行特性以及造价的不同都是影响风电场建设成本和经济性的重要因素【4 j 。 如今风力机机型很多，单机容量从数十千瓦到数兆瓦不等，如何选择最合适 的风力机机型成为必须考虑的问题。在某些风电场的设计建设中，不管拟建场址 的风能资源状况如何，在进行风力机组选型时一味追求m w 级的大容量风力机 组，对风电场的建设成本和经济效益估计不足，造成了风力机组选型不当，无谓 增加了风电场建设成本，造成资源的浪费。这都是因为忽略了待开发点的风能资 源特性，没有结合实际风能资源数据进行合理的风力机组选型【5 j 。所以，在风电 场机组选型的问题上，我们应该切实结合拟建地点的风能资源特性，考虑建设成 本和建成以后的运营成本，选取经济性最好的风力发电机，而不要一味追求单机 容量大的风力发电机。综合上述，在设计和建设风力发电场的时候，对拟建地点 的风能资源评估和基于风能资源特征和风力机组自身参数的机组选型是非常必要 和具有经济意义的。本课题正是在考虑风力发电机和风能资源特性的前提下，尽 可能提高风电场经济性的目标下提出来的。通过分析影响风电场经济性的各种因 素，选取能合理并且有效提高经济性的手段，从而达到提高风力机效率和降低风 力发电成本的目的。 1 2 国内外研究现状 全球风能资源丰富，分布较为广泛和均匀。上个世纪七十年代，自从发生石 油危机以来，欧美发达国家为了寻求替代化石燃料的新能源，投入大量的人力、 物力和财力，以及各个相关领域的新技术积极研发现代风力机组，开创了风能利 用的新时代。经过近3 0 年的努力，世界风力发电的发展已经取得了很大的成就， 风力发电的总装机容量不断增加，而风力发电的成本也逐年下降【2 j 。我国风力发 电的开发利用起源于2 0 世纪七十年代，经过长期的探索和实践，已经取得了长足 的发展。 从全球范围来说，风力发电是新能源发展中技术较为成熟，最具有开发潜力 的发电方式之一。风力发电除了前期风电场建设的投资外，几乎是一种完全绿色 t 程硕上学位论文 环保的发电方式。随着技术的进步，风力发电的经济性也越来越好，风电成本呈 逐年下降的趋势。由于风力发电的优越性和各国政府采取了许多促进风力发电发 展的法规和政策，因此近年来风力发电发展迅速。 风电市场和风电技术的发展使得目前全世界风力发电占所有发电方式的总比 达到了1 5 ，其中丹麦的风力发电比例高达2 1 。截止到2 0 1 0 年，全世界约有 8 0 多个国家和地区在使用商业风力发电。全世界风力发电装机容量以每年 2 0 3 0 的速度增长1 6 j 。下图给出2 0 0 1 年到2 0 1 0 年全球风力发电总装机容量和 增长详情。 2 0 0 0 0 0 1 8 0 0 0 0 1 6 0 0 0 0 1 4 0 0 0 0 譬1 2 0 0 0 0 警 画1 0 0 0 0 0 ：垂8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0丽明i j lj l 2 0 0 9 年2 0 1 0 年2 0 0 6 年2 7 年2 0 0 8 年 图1 12 0 0 1 年2 0 1 0 年全球风力发电总装机容量 我国风能资源丰富，开发潜力比较大。由于风具有较大的随机性和间歇性， 同时我国风力发电处于发展阶段，风力机制造能力尚不成熟，所以风力发电场前 期建设成本较高。我国风力发电发展必须依靠国家相关政策的引导和支持。为了 促使风力发电的发展，国家于2 0 0 3 年采取一系列措施以保护和促进风力发电的发 展，降低了风力发电上网电价，大大增强了风力发电的市场竞争力。全国人大又 于2 0 0 5 年通过了可再生能源法，从而确立了有利于风力发电发展的基本原则。 次年制定可再生能源发电有关管理规定，从政策和法律的层面上对风力发电给 予了保障，更加有利于我国风电的发展。 我国第一个并网型风力发电场马兰风力发电场建成于1 9 8 6 年山东荣成。经过 二十多年的发展，我国的风电事业取得了长足的进步，在可再生能源的利用方面 仅次于水电。加上国家对风力发电的大力支持，所以在未来的数年乃至数十年， 我国的风力发电一定会有迅速的发展，一定会进入了风力发电的一个全新时期。 我国近十年来风力发电开发速度不断加快，从2 0 0 6 年开始至今每年的新增风力机 组装机容量增长率都超过了1 0 0 。根据国家风电发展计划，2 0 1 0 年我国风机装 m圉i 一 2一t 衅 风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用 机容量要达到6 0 0 万k w , 从图1 2 的数据可以看出，实际发展远远大于此计划。 风力发电装机容量虽然不断增大，但是我国风电比重仍然较低，截止2 0 0 9 年大约 为3 ，还远远低于发达国家1 0 的平均水平【7 1 。图1 2 给出2 0 0 1 年至2 0 1 0 年全 国风力发电装机总容量和年增长容量的详细对比。 i _ 全国累计风机装机容量_ 全国新增风机装机容量f 4 1 8 o 2 5 8 0 5 ；9 5 5 l 0 2：0爹 l , 0 8 0 3 5 8 6 7 亭 6 1 5 3 一 3 9 95 7 4 6 56 6 竺7 6 0 。卯1 _ 2 6 7 旦6 ，雀玉8 _ rk_ ，已- 2 0 0 1 年2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年 2 0 0 7 年 2 0 0 8 年 2 0 0 9 年 2 0 1 0 年 图1 22 0 0 1 年2 0 1 0 年全国风力发电总装机容量和年增长容量 在风力发电的发展中，其发展趋势将有以下一些特点： ( 1 ) 风力机组装机总规模日益增大。绝大部分发达国家和一些发展中国家，在 认识到能源和环境的多重压力之后，已着手进行能源结构的调整。风力发电以其 绿色环保等方面的优势，迅速得到重视。风能资源的广泛性和庞大性使得风力发 电的发电总量在世界总用电量的比例逐年上升，并且分布越来越广泛。在风力发 电的未来发展中，风力发电必将呈现“井喷”的发展之势。 ( 2 ) 风力机组的单机容量不断扩大。风力发电机组目前正沿着单机容量不断增 大，减轻单位k w 的机组重量和造价，提高发电效率等方面发展。根据统计，以 德国为例，德国的风力发电平均单机容量1 9 9 8 年为7 8 0 k w ，2 0 0 2 年上升为 1 4 0 0 k w 。在全球范围内，m w 级单机装机的市场份额明显增大。从1 9 9 7 年的低 于1 0 ，到2 0 0 1 年超过5 0 。短短几年时间形成了飞跃式的发展。到2 0 0 3 年平 均单机容量达到1 2 m w 。我国的风力机组平均单机容量也正逐步迈向m w 级。 另外值得一提的是，海上风电场的建设促使更大的单机容量出现。2 5 m w 的单机 目前已经投入运行了。目前正在研发接近5 m w 的机组【5 】。 ( 3 ) 海上风力发电开始进入一个发展阶段。海上风力发电场风速较高而且风速 较为稳定，是现今风力发电发展的新方向。海上风电场有广阔的空间，不会受到 山脉和建筑物的影响，近海区域的风速更为平稳，风能资源的预测也更加准确。 但是海上风电场的建设成本昂贵，也有一些相应的技术难题【2 1 。 4 o 0 o 0 0 o o 0 o 0 0 o 0 o o o 0 o o 0 o 0 0 o o o o o 5 0 5 0 5 o 5 0 5 4 4 3 3 2 2 1 1 莹一犁斗 t 程硕+ 学位论文 ( 4 ) 主要的风力发电设备制造企业仍将集中在欧美国家。欧美国家中的前十位 制造企业提供了全世界风机装机容量的9 0 以上。相信在未来很长一段时间内， 欧美国家由于其技术的领先优势，风力机组的制造水平仍将处于领先水平。 1 3 风能资源评估研究 在风力发电场的选址和建设中，对风能资源的评估直接关系到风电场的经济 效益，是风电场建设成功与否的一个关键因素。特定地点的风能资源评估一般包 括了对风能观测点的初步筛选，对采集到的多年的风能数据的统计、分析、计算， 然后根据所得到的风能资源评估参数进行具体选择。风能观测点的风能资源数据 如年平均风速、年最大风速等都需要长期的观测才能得到能切实反映该观测点实 际风能资源状况的数据，一般至少需要3 0 年以上的实际观测数据和气象资料【引。 因为风具有随机性，需要选取一个数学模型来描述风速的分布概率，以便进 行具体的数学分析。国内外都有过很多这方面的研究，国外的的学者如 j o s e p h ，p a t a l 和j u s t u s ，c g 等【引。分析表明，一般认为风速分布是偏正态分布，用 于拟合风速分布的函数很多，其中最常用的是威布尔分布。r g a s c h 和j t w e l e 建 立的威布尔分布及其特殊情况下的瑞利分布的风速评估模型，阐述和研究了风速 的垂直分布规律和对风能的估算方法【1 0 l 。鉴于威布尔分布被普遍认为适合用于描 述风速统计的概率密度函数，本文也将采用威布尔分布来分析和进行相关计算。 1 4 风力机组优化选型研究 对于特定的风电场，其风能资源特性是已经确定的。风力机组的实际输出功 率除了跟风电场的风能资源数据相关外，也和风力机组本身的特点相关，包括风 力发电机的设计参数如切入风速、额定风速、切出风速和风轮轮毂高度等。在风 力机组的选型研究方面有多种方法。比如根据风力机组安装受到空间约束以及电 网电能需求的约束，在给定的风力机组型号中，实现风力机组和风能资源的最佳 匹配f 1 1 l ；也有从风力发电系统承载峰荷能力的角度合理选择风力机组参数使之与 风电场风能资源实现最佳匹配的方法【1 2 】。本文将利用容量系数最优的方法研究在 特定的风能资源条件下风力机组的选型方法。风力机组选型不仅需要考虑风电场 建设的成本问题，同时也应该考虑风电场建成投产以后的经济性等问题【l3 1 。在一 些风能资源确定的风能观测点中，本文将通过已有的风能资源数据和已知的风力 机参数进行分析，从容量系数最优的角度确定开发的先后顺序和安装的机组型号， 以求达到最佳的经济性i l 4 。 风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用 1 5 本文研究的主要内容以及方法 风力发电的发电量与风电场的风能资源状况、风力机组参数等有着直接的联 系。风能观测点的风能资源状况和风力机组参数对容量系数有很大影响【1 5 , 1 6 】。通 过评估风能资源和对风力机组在特定风电场的容量系数计算，再进行比较确定最 优匹配以获得较好的经济性是本文重点进行的工作。 风电场的容量系数是风电场某段时间内的实际发电量与该时间内额定发电量 的比值，即风力机组年平均输出功率和额定功率之比【9 , 1 7 】。容量系数作为考察风 电场经济性的重要指标，可以作为风电场建设中选址和机组选型的重要依据。显 而易见，容量系数越大，则风力发电场的实际发电量越接近额定发电量，所以在 实际工程中要求容量系数越大越好。本文利用基于特定风能资源状况的的风力发 电机容量系数法，通过计算出不同风力机组在特定风能观测点的容量系数，将此 容量系数作为风电场选址与风力机选型的判据。通过分析，可以发现风力发电的 发电成本也和容量系数有密切关系，所以从技术角度出发，容量系数可以作为风 力发电的发电成本和风能利用率二者的目标函数。 风速具有随机性，所以我们只能用统计学的方法来研究风速的分布特性【l 引。 本文选用双参数威布尔分布函数作为风速概率模型来计算容量系数。而特定地点 的观测风速也需要一个长期的过程才能得到比较准确的数据。同时由于风力机组 功率特性曲线与实际功率特性也有一定差别，所以常用的功率曲线并不能非常好 的反映风力机的输入输出关系【1 9 】。在计算风速时同时也忽略了风电场的地理特点 引起的风速变化，在进行风速修正时采取的是统一的修正系数。基于以上原因， 本文的分析仅能从技术角度说明容量系数对风力发电场经济性的重要性。本文主 要有以下内容： 风能基本理论和相关原理的介绍和公式推导；风能资源特性的分析和研究。 对风能资源评估的方法和所需参数进行分析，并选取风能观测点的实际测风数据 进行计算和分析。 风力发电机和风力机功率输出特性的简单介绍；基于风能资源评估和风力机 型参数的风力机组选型的方法和研究。分析风力机组选型的关键因素，研究了风 力机组选型的具体分析计算方法。结合实际的特定风能资源数据进行计算，分析 所得结果。总结分析本文所得结果，剖析存在的不足以及对风力发电经济性研究 的展望。 工程硕士学位论文 第2 章风能基本理论和风力机原理 什么是风。概括来说，风就是大气的运动。风是一个矢量，既有大小又有方 向，所以在描述风的时候有两个参数：风向和风速【2 0 1 。 风的成因是空气流动的结果。空气流动是因为日地距离和方位的不同，地球 不同纬度的地区所受到的太阳辐射强度有差异，从而形成了温差。这种温差导致 了南北气压形成一个梯度，空气的流动最终形成了风。风具有的动能我们称为风 能。本章主要介绍有关风能资源的一些基本原理和风力机的简介等。例如风能原 理、风功率密度、风能可利用时间、风力机的气动原理等相关理论，并将给出相 应的详细推导过程，作为文章后面工作的理论基础。 2 1 风能原理和基本理论 流动的空气具有一定的动能，通过风力机可以把这部分动能转化为机械能， 再通过风力机拖动发电机发电，通过整流器得到直流电流就可以供给直流负荷， 也可以通过逆变器转换为三相交流电，给三相负荷供电，蓄电池的作用是在风力 机组的输出功率较大时将多余的电能储存起来，在风力机组功率输出较小时向系 统提供功率【”l 。风力发电的基本原理可以由下图表示。 图2 1 简单风力发电系统原理图 气流和任何运动着的物体一样具有动能，流动的空气具有的动能就是风能。 按照空气动力学原理，流动的空气所具有的动能为： 1 = 去m 1 ，2 ( 2 1 ) 二 式( 2 1 ) 中m 空气的质量，单位为k g y 空气流动的速度，单位为m s 。 如果我们假设在单位时间内流过一定截面积的气体体积为y ，可以得到 v s v ( 2 2 ) 风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用 式( 2 2 ) 中s 空气流过的截面积，单位为时。 若以p 表示空气的密度，则空气的质量可以由下式表示 m t p v p s v( 2 3 ) 这时候我们得到的空气总动能可以用下式表示 11 e 三m y 2 。三p s v 3 ( 2 4 ) 22 一 、 上式就是风能的表达式。采取国际单位制，p 的单位为k g m ，y 的单位为m ， ，的单位为m s ，e 的单位为w 【2 1 1 。 根据以上公式可以知道，空气动能的大小与空气的密度、通过的截面积、空 气流动速度的立方成正比。空气密度、空气流动速度都跟风电场的地理位置、气 候以及季节时间有一定的关系。风能除了有可再生和绿色环保的特点之外，也有 一些缺点，比如风能是过程性能源，具有很大的随机性。风能的还有一个弱点是 风能的能量密度比较低。所以衡量风能资源特征需要考察风能资源的功率密度。 2 2 风功率密度 风功率密度是气流垂直于旋转轴通过单位面积的能量。风功率密度是表征一 个地方风能资源多少的重要指标【2 2 1 。所以在结合风能公式的前提下，设风轮的面 积为单位面积，则风能的密度为 w 去3 ( 2 5 ) 评估一个地方风能资源状况，需要参考该地的常年平均风能。因为风速具有 较大的随机性，所以考察一个地方风能功率的状况，需要通过长期的观测数据来 统计。所以在某一段时i b q ( 假如为一年) 内的平均风功率密度可以将( 2 5 ) 式先对时 间进行积分，再取平均值，我们可以得到以下公式 形一三，参3 d t t j o2 ( 2 6 )、， 上式中的形平均风能密度，单位为w m = 丁总时长，取小时数h 。 2 2 1 平均风功率密度 根据式( 2 5 ) ，形是p 和，两个变量的函数，在某一特定地点，空气密度的变 化微乎其微，我们在此处忽略不计。由此可见风能的变化主要取决于v 的变化。 进一步我们可以知道，风功率的概率分布特性仅取决于风速 ，的概率分布特征。 所以从数学期望的角度我们得到下式 8 丁程硕上学位论文 e o r ) 。互lp e ( v 3 ) ( 2 7 ) 进一步分析风速立方的数学期望 e ( v 3 ) = f y 3 p ( v ) d v ；，f 。o - k c ( v c - o x p 一( 詈) y j d 矿 一。v a e x p k ) = r c 3 ( 詈) 3 e x p 一( 詈) 】d ( 詈) c 2 8 ， 式( 2 8 ) 中的p ( v ) 为风速的分布函数，本文选取p ( v ) 为双参数威布尔分布。我 们令y 一( 詈) ，( 詈) 3 - ) ，；，詈= ) ，；，代入式c 2 8 ，可以得到以下关于风速立方的数 学期望表达式 附) = f c 3 y 一y 】方吒赁几3x p 一y 】咖计( 纠 ( 2 9 ) 由此可见，风速立方的妇望是一个双参数威布尔分布函数，只是他的形状参 数变成3 k ，尺度参数变成了c 3 。所以，只需要确立威布尔分布的形状参数k 和 尺度函数c ，风速立方的平均值就能计算出来，进而求出平均风功率密度的大小 形= 三加( 纠 ( 2 2 2 2 有效风功率密度 根据式( 2 - 1 0 ) ，我们还可以进一步来计算有效风功率密度。在有效风速范围( 通 常为3 m s 一2 0 m s ) l 内，假设风速分布函数为p ( ，) ，那么风速立方的期望应该为 e ( y 3 ) 一r 例v ) 咖一r y 3 稿咖 一r y 3 币咖 风能资源评估和机组选型在风电场选址中的应用 。r ，3 j h e x p 一( 詈) 】一e x p 【一( ) 】 桦) h 唧卜 仁 式( 2 1 1 ) 中代入风功率密度公式可以得出有效风能功率密度表达式 ：y 3 ( 詈) 一e x p 【一( 詈) 】咖c 2 1 2 ， 谚一丢丽v 3 p ( v ) 咖- 三1p v 3 p ( y ) 咖+ ry 3 p ( y ) 咖+ ( y 3 p ( y ) 咖】( 2 1 3 ) 上式中的h 实际上是风力机的切入风速，屹是风力机的切出风速。对于实际 谚- 丢坼却( y ) 咖 ( 2 “) 联系式( 2 1 2 ) ，可以得出有效风功率密度的实际计算式 蛆一 q 1 5 ) 2 3 风能可利用时间 在风速概率分布确定以后，还可以计算风能的可利用时间【9 1 。在有效风能范 卜2 p ( v ) d v 。项2 鲁( 詈) 。1e x p 一( 詈) 】咖 r e x p 一( 詈) 】一e x p 一( 詈) 】 c 2 1 6 ， 工程硕士学位论文 就是全年的总时数8 7 6 0 。 2 4 风力机的种类 风力机经过长期的发展，到目前已经有多种类型。包括已经不再使用的老式 风力机，目前正在广泛使用的现代风力机，也有正在研究之中的新型风力机。虽 然风力机的类型多种多样，但是它们的工作原理都是相同的：利用风轮捕获风能， 再通过某种方式转换成其他形式的能量1 1 5 l 。 风力机的类型多种多样，按照习惯归纳起来可以分为两大类：水平轴风力机 和垂直轴风力机。顾名思义，水平轴风力机其风轮旋转轴与风向平行。而垂直轴 风力机的风轮旋转轴垂直于地表或者垂直于风向。 2