（电路与系统专业论文）海洋环境小型独立风电系统避灾机理研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东：l k ! j f f i 范大学可以将 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 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：盘兰圣旦 指导教师签名： 日 期：2 2i ! ：6 ： 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 风能作为人类应用最为广泛的可再生能源，正以其迅猛的速度发展。作为风能的主 要利用形式，风力发电技术历经1 2 0 余年的发展，趋于成熟。我国作为风力资源丰富的 国家，风力发电技术虽然起步较晚，但前些年国外先进技术的引进以及国内发展新能源 的迫切需求，促使风力发电的研发和应用在跨入2 1 世纪后有了突飞猛进的发展。当前 风力发电正走向各个地区和领域。海岛及沿岸地区处于我国的风力资源丰富区，年平均 可利用风能时间达到6 0 0 0 小时以上。狭长的海岸线和众多的岛屿为大力发展风力发电 提供了优越的条件。这些地区大多无法被电网覆盖，能源的匮乏严重制约当地居民的生 产生活，发展风力发电大有可为。小型独立风电系统具有布局灵活、扩容便捷、自主供 电和安全的优点，适合海岛及沿岸地区的风能开发利用。但这些地区地处海洋环境，由 于潮湿、高盐、多雷电和破坏性大风等极端气候条件的存在，给独立风电系统的稳定运 行提出了严峻的考验。本文作者结合现有科研成果和自身科研经历，探讨小型独立风电 系统的运行，及其在海洋环境下面临的挑战，致力于研究运行在海洋环境下的小型独立 风电系统的避灾机理，提出具有抗海洋盐雾腐蚀、高可靠轴承、防雷电以及大风下限速 保护等功能的海洋独立风电系统，为此类风电系统的安全稳定运行提供可靠保证。为今 后在保护当地生态环境的前提下，开发海岛及沿岸风力资源，改善当地的生产和生活状 况提供技术支撑。 关键词：风力发电；小型独立风电系统；海岛及沿岸；避灾 a bs t r a c t a sar e n e w a b l ee n e r g yw h i c hi sm o s tw i d e l yu s e db yh u m a n s ，w i n dp o w e rn o wi s g r o w i n gr a p i d l y a st h em a i nu s ef o r mo fw i n de n e r g y , w i n dp o w e rt e c h n o l o g yh a sb e c o m e m a t u r ew i t hm o r et h a n12 0y e a r s d e v e l o p m e n t c h i n ai sac o u n t r yr i c hi nw i n dr e s o u r c e a l t h o u g hw i n dp o w e rt e c h n o l o g ys t a r t i n gl a t e ，t h ei n t r o d u c t i o no ff o r e i g na d v a n c e d t e c h n o l o g ya n dt h eu r g e n td o m e s t i cn e e d sf o rd e v e l o p m e n to fn e we n e r g yp r o m o t et h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fw i n dp o w e rg r e a t l yi nt h e21s tc e n t u r y a tp r e s e n tw i n dp o w e ri s m o v i n gt o w a r da l lr e g i o n sa n da r e a s i s l a n da n dc o a s t a lr e g i o n s ，a r el o c a t e di nt h ea r e a sw h i c h a r er i c hi ns o u r c eo fw i n d ，h a v ea na v e r a g eo fm o r et h a n6 0 0 0h o u r so fa v a i l a b l et i m ef o r w i n dp o w e rp e ry e a r n a r r o wl o n gc o a s t l i n ea n dn u m e r o u si s l a n d s p r o v i d ef a v o r a b l e c o n d i t i o n sf o rd e v e l o p i n gw i n dp o w e r m o s to ft h e s ea r e a sc a n tb ec o v e r e db yg r i da n da r e r e s t r i c t e ds e r i o u s l yb yt h el a c ko fp o w e r s oi th a sb r i g h tp r o s p e c t st od e v e l o pw i n dp o w e r s m a l li n d e p e n d e n tw i n dp o w e rs y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so ff l e x i b l el a y o u t ，c o n v e n i e n c e ， i n d e p e n d e n tp o w e rs u p p l ya n ds a f ea p p l i c a t i o n a n di ti ss u i t a b l ef o ri s l a n d sa n dt h ec o a s t s t h e s ea r e a sa r el o c a t e di nt h em a r i n ee n v i r o n m e n t a st h ee x i s t e n c e so fe x t r e m ew e a t h e rs u c h a sm o i s t u r e ，h i g hs a l t ，l i g h t n i n ga n dd e s t r u c t i v ew i n d ，i tm a k e st h es y s t e mt of a c eo r d e a l t h e a u t h o rc o m b i n et h e e x i s t i n ga c h i e v e m e n t so fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n do w ne x p e r i e n c et o d i s c u s st h eo p e r a t i o no ft h es y s t e ma n dt h ec h a l l e n g e si nt h em a r i n ee n v i r o n m e n t a l s ot h e a u t h o rd e d i c a t e st or e s e a r c ho na v o i d i n gd i s a s t e rm e c h a n i s mo fs m a l li n d e p e n d e n tw i n d p o w e rs y s t e mi nm a r i n ee n v i r o n m e n tt op u tf o r w a r dam a r i n ei n d e p e n d e n tw i n dp o w e rs y s t e m w h i c hh a st h ef u n c t i o no fr e s i s t a n c et oc o r r o s i o no fm a r i n es a l tf o g ，h i g hr e l i a b l eb e a r i n g ， l i g h t n i n gr e s i s t a n ta n ds p e e dp r o t e c t i o nu n d e rd e s t r u c t i v ew i n d m a k es u r et h es y s t e mc a nb e o p e r a t e ds a f e l ya n ds t a b l y i tc a na l s op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t sf o rd e v e l o p i n gw i n d r e s o u r c e so ft h ea r e a sa n di m p r o v i n gt h el o c a lp r o d u c t i o na n dl i v i n gc o n d i t i o n sw h i l ep r o t e c t s t h el o c a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：w i n dp o w e r ；s m a l li n d e p e n d e n tw i n dp o w e rs y s t e m ；i s l a n da n dc o a s t a l ；a v o i d d i s a s t e r i i 目录 中文摘要i 英文摘要i i 目录：i i i 弓i言”一”“一”1 第一章海洋风能资源与利用3 1 1 海洋风能资源3 1 2 风力发电技术3 1 3 海洋风能发电技术5 第二章海洋环境下独立风电系统的运行7 2 1 独立风电系统7 2 2 独立风电系统的运行参数1 0 2 3 海洋环境对于独立风电系统运行的影响1 1 第三章独立风电系统的避灾1 6 3 1 风电设备在海洋环境下的防腐1 6 3 2 高可靠轴承和防雷电设计1 9 3 3 大风限速保护2 2 3 4 结论”2 7 第四章结语2 9 参考文献3 1 后记”一”“3 2 东北师范大学硕士学位论文 己i言 l仁j 在我国东南沿海、辽东半岛和山东半岛沿海以及附属海岛等地区，接近电网术端， 有些地区无法被电网覆盖，能源供给尤其是电能供应不足，严重制约当地经济的发展和 人们生活水平的提高。近些年，国家加大了对新能源的扶持力度，无论是新能源产业还 是新能源科研领域都有了迅猛的发展。风能作为一种新型的清洁能源，在我国更是得到 前所未有的推广及应用。海岛及沿岸地区风力资源丰富，有很大的利用价值。此外山东、 浙江等海洋风能资源较丰富的省份，最近几年相继出台了支持海岛及沿岸地区风力发电 发展的政策，大力开发上述地区的风力发电资源，便可为解决这些地区生产用电不足和 生活用电短缺问题提供可行方案。 但是这些地区大多交通不便，环境比较恶劣，j x l 力资源分布极为不稳定，有时甚至 遭遇台风和雷电等极端恶劣天气，还有海洋环境下特有的腐蚀的严重影响。据了解当前 安装运行在海岛及沿岸海洋环境区域的风机，多以离网型中小型风力发电机( 独立风电 系统) 形式存在，数量虽然在快速增长，但正面临着复杂气候环境的严峻考验，故障率 和损毁率很高。以作者实地调查研究的山东黄海海域大管岛为例，在前后两年时间罩， 共安装6 台i o k w 及以下的风机，有2 台风机由于雷电和海洋盐雾腐蚀无法正常工作，2 台风机由于大风的来袭而出现叶片或轴承损毁，仅剩余2 台勉强维持正常工作，可见利 用海洋风力资源确实存在很大的技术难度和严峻的现实挑战。 与当前我国内陆地区的地方政府所大为推广的兆瓦级风力发电机不同，独立风电系 统多用于在电网不易到达的边远地区，如高原、牧场和海岛等。此外离网型风力发电机 具有初次投资低，发电成本低，耐用，扩容灵活，自主供电等优点，还可以减少公用电 网故障给用户带来的不良影响及危害。但此类风机还有自身的不足：由于风力发电功率 的不稳定性和随机性，需要配置储能装置：风能利用率的限制，加之蓄电池充、放电过 程有能量损失，系统效率还较低。此外风力发电技术还有诸多急需解决的难题：构造较 复杂，需要定期维护检查：风能极不稳定，需要风机有很好的适应性，即低风速时启动， 而大风甚至台风极端状态下实现保护；发电设备多工作在气候环境恶劣的地区，保证设 备稳定运行的任务也很艰巨。 除了需要解决离网型风力发电机的技术难题之外，在海洋环境下工作的独立风电系 统还需要应对特殊复杂环境的挑战。作者拟通过实践研究对适用于海岛及沿岸环境下的 离网型风力发电机的稳定运行问题进行研究，分析当前该领域内解决风机避灾避险问题 的方法，研究在海洋环境下工作的小型独立风电系统的避灾机理，并结合作者所在实验 室设计的安装于青岛大管岛的海岛风机实物，提出一套完整的解决海岛及沿岸风力发电 机避灾避险问题的可行方案。这个过程对于大力提升风力发电的技术水平，大力拓展海 洋风能的开发利用，更为广阔的发展海岛及沿岸风力发电技术，都具有十分重要的意义。 东北师范大学硕士学位论文 在本文中，作者通过阅读相关书籍和学术论文，获取我国海岛及沿岸风能资源分布， 现行离网型风力发电机在此环境下的开发利用现状，现存的极端气候条件下的风机稳定 运行的解决方法，试分析研究相关的核心技术难题，对当前技术领域内提出的解决方案 提供科学的研究评价，同时提出优化建议。 作者注重研究与认识当前风电技术领域内确保陆地独立风电系统安全稳定运行的 技术解决方案，总结和提炼优势及劣势，及其适用于离网型海岛及沿岸风力发电机的可 能性。提出一种新型的适用于海岛及沿岸复杂环境条件下的安装简便、在极端气候条件 下具有避灾避险功能的运行高可靠的小型独立风电系统，着重解决安装可行、高可靠塔 架设计、大风限速保护、防雷电、防海洋盐雾腐蚀、高可靠轴承和发电机防腐等七项关 键技术难题，力求达到高效、节能、可靠的目标，并在我国广大海岛及沿岸地区推广使 用这一系统。 2 东北师范大学硕士学位论文 第一章海洋风能资源与利用 1 1 海洋风能资源 风能从根本上说是太阳能在地球上的一种能量表现形式，属于可再生的自然资源。 根据资料显示，全球供人类开发和利用的风能储量约为2 1 0 7 m 1 l 。为满足全球能源的需 求，人类仅需要设法获取地球上1 的风能资源。 我国属于风能资源较丰富的国家，探明储量为3 2 2 6 亿k w ，并且主要集中在东北、 华北、西北、沿海地带和岛屿上，近海地区可利用总量为7 5 亿k w 。风能是太阳照射 地球，使地表受热不均，空气因密度差异而定向流动所具有的动能。基于此，尤其考虑 海洋和陆地吸收太阳辐射能的差异，使海洋环境特别是接近陆地的海岛及沿岸地区拥有 丰富的风能资源。我国拥有将近1 8 0 0 0 公里的海岸线，6 0 0 0 座以上的岛屿，处在我国风 能资源最佳区域的这些地区，平均每年拥有7 5 0 0 小时左右的风能利用时间，而东南近 海岸地区，每年可利用风能时间也在3 5 0 0 小时左右，应用前景十分广阔。 图1 - 1 我国风能资源分布概况图 由于海水表面摩擦力小，因而风切变( 风速随海拔的变化) 小，较低高度即可获取 能量，降低了技术难度和设备成本。与此同时海风的低湍流强度使主风向相对比较稳心3 ， 这两个因素促使人们把更多的注意力集中到海洋风能的利用上。 1 2 风力发电技术 东北师范大学硕士学位论文 1 2 1 风能的利用 人类拥有2 0 0 0 多年开发利用风能的历史，最初主要是在农业上的应用，如利用风 车取水和灌溉。1 3 世纪，风能利用技术传到了欧洲，在这里，特别是英荷两国，风能的 利用被提到了新的高度。到1 9 世纪末，欧洲和美国都分别拥有数十万和百万台的风力 提水设备，单机功率达到数十千瓦。人类利用风能获取所需要的机械能的同时，也进一 步深化了对风能的认识，提高了其利用技术水平。特别是在叶片的初步设计、风车的对 向和刹车等方面都有了很大的进步，为风能的发电技术奠定了坚实的科学基础。口1 图1 - 2 荷兰的风车 1 2 2 风能的发电技术 风能被用于发电始于十九世纪末的丹麦，从1 8 9 1 年人类建立第一座风力发电站 开始，1 2 0 年的时间里风能发电技术发展十分迅速。尤其是二战之后，伴随着社会的飞 速进步和世界人口的急剧膨胀，人类对于能源的大量需求和消耗使得传统的能源面临着 枯竭的威胁。从京都议定书的签订和生效到哥本哈根会议的举世瞩目，人类把解决 关乎自身发展的能源问题投放到了污染小、可持续开发和利用的新能源领域。风能具有 得天独厚的优势，电能是需求最广、应用最成熟的能源，又具备转换、存储和控制方便 的优点，因而实现风能转化为电能的风力发电技术自然得到巨大的发展，并拥有美好的 发展前景。 风力发电机由风力机和发电机两部分组成，是实现风能向电能转化的装置。其工作 过程如图1 - 3 所示： 东北师范大学硕士学位论文 风力发电机有多种分类方法，本文只介绍几种主要的划分方式，如表1 - 1 ：n 表1 - 1 常用的风力发电机分类 水中射 | j 戏力z 乏电 ! i 【 依据。j ：风机j ：轴j 地l l ：i f 的丰l j 刈化後划分 录r f 靳lj x 【力发哇三机 掰 力，弘从l 力发i 也 j l 依据i l o l n t f f , j 受力疗- r 划分 丁| 力犁诫力发电扣l 依赫l 川j | 数甜划分 i ! r l ”i j ；、j 【l l i j ；、l 。j 私l 多i f l l j 杖力发l 乜丰j l 彳j 撕轮秕刮风力发i 也l j i 【 依技专机械传动力。式划分 无街轮幸j f 犁“驱掣风力发l 也机 定浆辫ij 斌力发电机 依撕浆n l 足i ! r i l j 以溺铀划分 变浆距风力发i 乜 l 即微帮( 1 k w 以f ) 、小犁( 1 一1 0 k w ) 、l j 掣 依据风力发q o l l l ：j 额定功率划分 ( i o - i o o k w ) 科l 大型( 1 0 0 i 硼 坳i ：) 作为一种发展前景广阔的新型可再生能源，风能有着诸多优势：口1 ( 1 ) 风能是太阳能的一部分，不消耗自然界的资源，发电过程中几乎对环境无影响，在 这方面与火电相比优势更为明显。 ( 2 ) 从规划建设到发电，周期短，灵活确定机组的容量。 ( 3 ) 离网式的独立运行方式在解决偏远地区和海岛及沿岸等海洋环境地区的生产生活 用电时，作用巨大，此外还可以与光伏、柴电和海洋能发电等互补运行，形式多样。 然而考虑到风能的能量密度低，单机容量的限制使其与火电和水电在发电规模上相 比处于劣势。此外独立工作的风力发电机尚需优化和解决若干技术问题，以适应特定环 境下的工作，由此可见风电技术还有很大的发展空间。 1 3 海洋风能发电技术 前文已经提到，海洋环境下特别是人类赖以生存和发展的海岛及沿岸地区蕴含着丰 富的风能资源，而海洋风能特有的优势吸引了人们的关注。资料显示，陆地上的风力发 电技术在1 0 0 多年的时间里经历了创始、徘徊和迅猛发展期，目前是世界上发展最快的 能源之一，世界上参与风电的研制或利用的国家已经超过5 0 个，技术发展己日趋成熟。 而海洋风能的开发利用有所不同：海上风力发电开发始于2 0 世纪的8 0 年代，最早 参与海洋风电开发的是北欧国家以及英荷等国，目前在欧洲已经拥有数百台海洋风电设 备。国外对于海上施工已经有了较深的研究，并且有了较成熟的方案，正逐步从浅海区 域向深海区域发展。我国海洋风能开发属于刚刚起步阶段，目前虽然也在筹划建设具有 自主知识产权的海洋风力发电机，但受到技术水平的限制，利用范围还主要集中在海岛 5 东北”币范大学硕士学位论文 及沿岸地区。陆1 目前在我国部分岛屿已经安装了风力发电机，中科院广州能源研究所在 广东珠海担杆岛研制投产一台1 0 5 k w 海岛多能互补发电装置，其中9 0 k w 来自于风能。 而广东的南溃。岛也安装了海岛隈力发电机，切罔卜 昕示 7 弼黑嘲黪! 赛翼爨 。| + 。；参黉鬻 鬻懑灞囊繁爹瀵麓霾滋 图1 - 4 安装于广东南澳岛的风力发电机 海洋风能资源丰富，结合人类对陆地风力发电机的科研成果，将海洋风能，尤其是 开发难度相对较低、社会价值较高的海岛及沿岸风能转化为电能，将具有十分重要的科 学价值和应用前景。然而海洋风力发电技术并不是将陆地风力发电技术直接移植的过 程，下文研究的内容则是海洋环境下风电系统涉及的关键技术问题。 6 东北师范大学硕士学位论文 第二章海洋环境下独立风电系统的运行 2 1 独立风电系统 2 1 1 独立风电系统介绍 图2 - 1 实验用0 4 k w 小型离网型风力发电机 独立运行是风力发电机一种比较常见的运行方式，尤其是对装机容量需求较小，供 电用户布局较分散，地处偏远或海岛及沿岸等无法被公共电网覆盖的地区尤为适用。独 立运行既是与并网运行风机相对应的离网运行方式，同时又是区别于风一光、风一柴等互 补运行方式的。 独立风电系统以独立运行的风力发电机为核心，利用电机及其配属设备实现风能的 获取、风能到电能的转化以及电能的供给等功能的一套独立工作的系统。这种运行方式 相对比较简单，但考虑到风能的不稳定性，为实现电能供给的持续和可控，系统中加入 储能装置及控制设备是十分必要的。系统选用直流和交流风力发电机均可，选用直流风 力发电机时，电能储存到储能设备，除了基本的控制器，另需配备d c d c 斩波器以及防 止逆流的继电器或二极管。而选用交流发电机时，则需额外配备整流电路。 2 1 2 独立风电系统的基本组成 独立风电系统相对并网运行的风力发电系统以及其他互补运行风力发电系统，运行 原理较简单，组成部件也不是很繁杂。 主要部件包含： 7 东北师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 风力发电机组：包括风力机、发电机和控制系统三部分。 ( 2 ) 蓄电池：用于储存发电机产生的电能，同时为用户提供稳定的电能。 ( 3 ) 控制器：控制系统的工作，包括蓄电池的充放电控制和保护，电能输出。 ( 4 ) 能耗负载：当系统长时间工作在大风条件下，消耗多余的电能。 ( 5 ) 整流器和逆变器：整流器将独立运行的交流风力发电机产生的交流电整流后存储起 来，而逆变器为交流负载提供交流电。 图2 2 独立交流风电系统工作示意图 2 1 3 独立风电系统的应用 当前，独立运行的风电系统主要以额定功率i o k w 以下的小型风机为主。它省去了 并网运行的大型风机复杂的并网系统，也避免了互补运行的中型风机复杂的配合系统。 风机的并网是一项非常复杂的技术1 ，由于风机并网运行，对电网会产生一定的影响， 因此风力发电机输送给电网的电能必须可靠。对于额定功率小于2 m w 的单机容量相对较 小的风力发电机，几乎可以忽略其对于大电网的影响。但对一个由几十甚至上百台风机 组成的总装机容量超过数十万千瓦的大型风电场来讲，其并网运行对于电网的影响是要 考虑的。丹麦专家在上世纪末提出，对于一个风电比例低于1 0 的电网，其运行不会受 到风电的影响。而我国电力部门也规定稳态运行下的电能质量、最小线路损失和暂态稳 定性等因素作为风电场容量与电网统一调度的原则。当风电容量低于电网统一调度容量 的5 时，一般不用安装控制设备；当超过5 时，应采取必要的调度方案。可见，为 了保证电网安全可靠运行，风电与电网的匹配问题是并网运行风机必须要面对的。 考虑到风速是不稳定的，而经过变压器变压后并网输送的交流电则要求是恒压恒频 的，这就存在风机的恒速恒频运行和变速恒频运行两种方式。前一种方式是风机转速不 随风速的变化而变化，保持转速恒定，这种方式虽然简单可靠，但也具有风能利用不充 分的弱点。而在后一种方式中，风机转速随风速变化，输出恒频的交流电，风能利用率 较高，但实现变速恒频的电子部件比较复杂，技术上有一定的难度。综上所述，风机并 网运行是复杂而又不容忽视的技术，而并网风机应用到海岛及沿岸环境中，不仅需要解 决技术难题，同时也很难适应这些地区用户分散、需求灵活的实际情况。 8 东北师范大学硕士学位论文 瀹镌熏 譬办一+ 。 ；稻黪i ； 图2 3 安装于我国白城地区的风力发电机及其并网设备 对于风机的互补运行也是一种应用较广泛的方式，如图2 - 4 所示。它主要应用于偏 远地区，风能丰富，需要长时间可靠稳定的输出生产生活用电的区域。风能和太阳能具 有天然的互补性：白天阳光充足而风力相对较小，夜间则风力相对较大。而柴油发电机 则更加具有使用灵活和方便的优点，在风能不是很稳定时采用太阳能或柴电作为补充。 应用的原则是尽可能多的利用风能，通过可靠的互补运行，保证储能系统的充放电自如， 这种运行方式除了要解决互补的问题，光伏发电和柴油发电的高成本也是应当考虑的。 应用于海洋环境中，除了运输、安装和维护等制约因素外，光伏发电受复杂多变的海洋 气候环境影响很大，而柴油发电则会在使用过程中对海洋生态环境造成致命的破坏。 图2 4 风光互补发电装置示意图 风机的独立运行是本文要探讨运行方式，它具有发电成本和一次性投资低的特点， 同时装机规模和容量扩展都可以依据实际情况灵活调整，分布式供电的方式不仅可以更 9 东北师范大学硕士学位论文 大限度的减小因偏远地区用户分散给布线带来的损耗，也可以满足这部分地区的用电需 要。 但储能装置的加入也增加了独立风电系统的复杂性，合理的利用蓄电池等储能装 置，优化电路控制结构，提高效率减小充放电过程中的能量损耗，增加电池使用寿命， 这些都是科研人员努力的方向。m 2 2 独立风电系统的运行参数 2 2 1 风力发电机与风力资源 上一节提到，并网风力发电系统工作时存在电压和频率与电网匹配的问题，独立风 电系统虽不用考虑这一问题，但却与并网系统共同面临风机功率和风能资源匹配的问 题。由于风力发电是一种通过吸收自然界的风能转化为电能的装置，与火力发电和柴油 发电不一样，这两种传统的发电方式是能耗发电，消耗的能量越多，装机容量越大，就 越能获取更多的能量。而风力发电要考虑装机位置的平均风速状况，结合风力发电机组 的工作特性，选择适合的发电机，额定功率不是唯一考虑的因素。为反映风力发电机与 风能资源的匹配状况而引入平均容量系数口1 ，容量系数c ，是平均功率( 与风场平均风 速有关) 和额定输出功率之比，c ，越大风机与风能资源匹配越好，一般c ，为o 2 0 4 。 2 2 2 风力发电机性能参数 ( 1 ) 风能利用系数c 。 这是表征风轮机效率的重要参数，单位时间内转变为风轮机械能的风能与穿过风轮 桨圆面a 的全部风能( 这部分能量为单位时间内穿过a 面的风的动能) 的比值，即： 牛嘉 1 ) 其中，p 为风机的实际输出功率，p 为空气密度( 一般取1 2 9 k g m 3 ) ，a 为风机叶 片扫掠的面积，v 是风速。依据贝茨理论，e 最大值为0 5 9 3 。一般地，垂直轴风力发 电机的风能利用系数为0 3 - 0 4 ，而对于本文研究的水平轴风力发电机的风能利用系数 为0 2 - 0 5 。4 1 ( 2 ) 尖速比 也称为高速性系数，是风机叶片叶尖线速度和风速之比，即： 五：造= 2 z r n( 2 2 ) v l6 0 v l 其中，v 0 是叶尖线速度，v l 是风速，r 风轮转动半径，n 是风轮转速。尖速比反映 东北师范大学硕士学位论文 在一定风速下风轮转速的高低。风力发电机叶轮在允许范围内转动，尖速比越大，风机 获取风能的效率就越高。尖速比和风轮叶片数有个匹配值，如下表： 表2 1 叶片数与尖速比的匹配值| 4 1 1 j ；数炎迷比 i il ；数 _ ：述比 8 2 4l 3 5 4 6 1 2 2 4s 8 一 3 - 8，1 28 1 5 ( 3 ) 实度一 风轮的叶片面积之和与风轮扫掠面积之比值称为实度，是标志风机性能的重要特征 系数。一般而言，风力发电机要求转速高，风轮的实度取的较小，这样的风力机具有叶 尖速比大的小扭矩、高转速型的特征。对于低风速启动的风机，叶片的实度取的相对较 大。通常风力发电机组的实度大约在0 0 5 - 0 2 范围内。 2 3 海洋环境对于独立风电系统运行的影响 2 3 1 独立风电系统在海洋环境下的适用 一 首先，海洋环境风能资源丰富。以我国为例，海洋风能储量是陆地风能储量的3 倍， 而且海岸线长，岛屿众多，这些地区处于电网的末端或无法被电网覆盖，交通不便，与 外界沟通受阻，居民生产生活用电得不到满足，海洋风力发电应用前景广阔。 图2 - 5 矗立在海岸的风力发电设备 其次，在海岛及沿岸等特殊地理条件下，安装风力发电设备，并不需要像安装陆地 风机那样过多考虑噪声污染和干扰公共视觉等问题，而解决能源供给也必然会得到当地 政府和群众的支持。 l l 东北师范大学硕士学位论文 再次，从技术角度，海洋风力资源不受复杂地质环境的影响，风与海水表面之间的 摩擦力小，风切变比陆地小得多，低海拔高度便可获取较多的风能资源，降低了设计建 设成本；同样受这一因素的影响，海风的主风向变化较小，这也直接减少了风机的频繁 调向，降低了损耗，增加风机使用寿命2 0 左右哺1 。 最后，海岛及沿岸地区发展规模有限，尤其是急需能源解决方案的地区，生产生活 规模不是很大，采用小型独立风电设备，确立风能利用的分布式布局，既很好的满足了 实际需求，又避免了并网所带来的技术难题。 图2 6 即墨市大管岛上的风力发电机 以山东省为例，其拥有得天独厚的地理区位优势和自然条件来开发海洋风力资源。 地处东部沿海的风能丰富区，拥有3 1 0 0 公里的海岸线和数百个岛屿，风功率密度大，年 平均风速高。为响应国家号召，解决能源供给难题，该省在长岛和荣成的岛屿上建立了 风力发电场，并逐步在沿海地市建设较大规模的海洋风力发电场，拟未来向海上拓展。 2 3 2 海洋环境独立风电系统运行面临的挑战 为确保海洋独立风电系统安全稳定运行，既要很好的解决独立风电系统在陆地上运 行过程中面临的技术难题，又要充分考虑海洋环境对于系统运行的影响。难题未得到解 决而灾难到来之时，系统就不会提供很好的处理方案，后果也将不堪设想。海洋环境独 立风电系统的避灾研究应该在整个风电系统设计中占有重要位置。 风能资源的利用本身就是一项难度很大的技术，机组多工作于艰苦恶劣的环境中， 为确保机组稳定运行，避灾措施是十分必要的。独立风电系统在陆地工作环境中常考虑 的避灾措施包括： ( 1 ) 防雷击保护，主要采用在风机附近加装避雷针的富兰克林式防护和机组接地保护； ( 2 ) 大风限速保护，这个方面研究的比较多，包括优化叶片设计，加装偏航设备等； ( 3 ) 机组振动保护，加装振动传感器，研制实时振动检测与监控分析系统h 。，监测系统 运行，紧急状态采取刹车措施； 东北师范大学硕士学位论文 ( 4 ) 发电机和蓄电池保护，在发电机内加装温度传感器，防止过热损毁电机，利用控制 电路保护蓄电池的充放电，提高系统效率和蓄电池的使用寿命。 人们在陆地上研究使用独立风电系统时，对于影响风力发电机安全稳定运行的因素 已经提高了相当的认识和提出了很多的解决方案。我国本身就是世界上自然灾害种类 多、次数频繁和损害严重的国家，每年气象灾害造成的经济损失约2 0 0 0 多亿人民币， 占我国g d p 的1 - 3 吣1 。海岛及沿岸地区处于陆地和海洋环境的交融地，具有海洋和陆 地气候的双重特点，是水圈、岩石圈、生物圈和大气圈相互作用的交汇地带憎1 ，气候环 境非常复杂。当独立风电系统工作在此地区时，避灾问题就将更加突出，海洋恶劣环境 带给风力发电机最具破坏性的是台风、强雷电以及海洋盐雾和潮湿气候带来的电化学腐 蚀等。 图2 - 7 影响我国东南沿海及内陆地区的台风“韦帕” 首先是海岛及沿岸地区的大风甚至台风气候天气。海洋陆地气温气压差异，决定了 气流活动的频繁，而冬季冷空气的南下也加强了空气的流动。我国地处太平洋西北地区， 是台风活动最频繁的区域。根据近百年的资料显示，每年在我国登陆的台风达到5 7 个， 年平均经济损失达到了2 4 6 亿人民币，死亡人数高达5 0 0 多人呻1 ，与台风给我国内陆地 区造成的严重破坏相比，台风给沿海和海岛地区造成的破坏更为严重。可见，这些地区 丰富的风力资源给当地风力发电的发展带来重大机遇的同时，也给风电系统的运行带来 了严峻的挑战，八九级甚至十几级的大风都是风力发电机要面对的，处理不好这一问题 就会引起灾难性的后果。轻微的后果会引起系统部件的松动和震动，严重的会引起风机 的损毁，如图2 8 和2 9 所示，目前这个问题已经引起了科研人员的重视，但应用于特 定环境的解决方案并不多，本文将加以探讨。 东北师范大学硕士学位论文 图2 - 8 大风过后风机的轮毂损毁 图2 9 大风损毁的叶片根部 其次是海洋特殊环境的影响。海洋大气环境与内陆相比有很大的差异，在风电系统 运行过程中，需要考虑到高温、高湿、盐雾环境和紫外线照射等多种因素n 伽： ( 1 ) 氯离子含量 沿海地带由于海浪水沫的飞散，使含有盐分的海水混入大气中，致使低空大气中含 有较多盐分，这些盐分与金属设备表面的水分结合形成电解质溶液，对风电设备的金属 材料造成很严重的腐蚀。海洋大气中的氯离子会破坏金属表面镀层的致密性，而严重的 小孔腐蚀会使金属或金属表面的镀层完全消失，这对于从事高强度作业的风电设备无疑 是致命的。 ( 2 ) 高温和高湿的环境 海洋环境的空气湿润度相对内陆要大很多，水蒸气对于金属设备的腐蚀影响很大。 水充当了腐蚀的良好介质，携带大量离子渗入与基材金属接触，产生化学或电化学反应。 再加上海洋环境阳光充足，白天的高温度加速了离子传输的速度，加快了金属腐蚀的进 程，如图2 - 1 0 所示。 鼹二焉l 图2 - 1 0 由于生锈和腐蚀而失去使用功能的海岛金属机械设备 1 4 东；l l ：v i l i 范大学硕士学位论文 ( 3 ) 强烈的光照环境 海洋环境下，没有建筑物和树木的遮掩，加之阳光在海水表面的镜面反射，光照特 别是紫外线照射异常强烈。这对金属设备涂层的老化起关键性的作用：涂层经紫外线暴 晒后形成了一些亲水基团使涂层一金属体系的腐蚀进程加速。在光老化过程中涂层还会 产生了很容易被水冲刷掉的一些小分子如酮、酸等，使得涂层成分不断损失，涂层收缩， 厚度减小，这样就导致脆化、开裂。 除以上三个因素之外，由于风机的塔架和保护钢索与土壤直接接触，海岛及沿岸地 区的土壤中多含坚硬的泥沙，设备长时间的与土壤发生磨损使钝化膜破坏，而腐蚀微生 物代谢产物反应生成的物质沉积于金属表面也会引起金属的腐蚀。可见海洋特殊环境对 于风力发电机的运行提出了很大的挑战，通用的陆地上的金属防腐工艺并不会取得良好 的效果。只有提出有效的技术解决方案才能为独立风电系统在海岛及沿岸地区的适用提 供可靠保证。 东北师范大学硕士学位论文 第三章独立风电系统的避灾 3 1 风电设备在海洋环境下的防腐 3 1 1 发电机防腐 作为能量转换的重要器件，发电机无疑在风电设备中占有重要地位。为风电系统选 择合适的发电机，除了考虑满足设计要求的功率之外，和风力机协调工作也是应该考虑 的。对于独立风电系统的发电机，储能装置必不可少，直流电机省去了逆变部分，可以 直接供蓄电池充电，但直流电机内部较交流发电机复杂，增加了制造和系统维护成本， 因此作者选用独立风电系统较常用的三相同步交流发电机。 发电机的选择不是本文的讨论范围，本文重点讨论的是确保发电机稳定运行的避灾 问题。普通的用于直驱式水平轴独立风电系统的发电机内部构造很简单，包含定子、转 子和主轴，外部有铁质的外壳包装。这几部分是需要重点保护的。 ( 1 ) 主轴的防腐 主轴是传递扭矩的重要部件，保证足够的强度是首要的，关键是它的防腐，需要注 意的是主轴的一部分需要密封在电机内部，一部分要与风力机的法兰盘紧密配合，尽量 减小直接裸露在外边的面积，减小其被腐蚀的几率。这部分也可以进行防腐处理，方法 与电机外壳相似，但需要注意不要对轴承与其它部件的连接处造成影响，使主轴的旋转 受阻，此外主轴与外壳的连接处密封也要可靠。 ( 2 ) 转子和定子的处理 转子和定子尽管位于发电机的内部，但由于转子的高速旋转和发电过程中漆包线绕 组生热，需要特殊处理，否则会影响发电机的工作，严重的会损坏发电机。作者提出的 方案是保证发电机内部的密封，这样既可以阻止杂质的进入，也可以最大可能的减小海 洋特殊环境对发电机内部的腐蚀和破坏。系统的腐蚀及杂质的进入，以及防腐方法采用 不当均可能引起发电机内部运行的异常n 1 1 。发电机内部的杂质来源于外来杂质和次生杂 质，次生杂质是由于外来杂质的引入而引发的，外来杂质多是可以避免的。例如由于制 造和检修过程中带入以及系统设计的原因造成的，可以通过细致的工作杜绝。而由于冷 却系统和外部环境等因素引起的，也是可以避免的。发电机在工作过程中内部特别是铜 线圈会产生大量的热，必须加以冷却，当前冷却的办法很多，我国有相当数量在线运行 的发电机采用直接水冷方式进行冷却n 幻，这样的办法虽然简单，但却会给内部的铜线带 来腐蚀的危害。发电机内部的水中溶解氧引起铜发生电化学腐蚀，水中二氧化碳的存在 促进铜氧化物的溶解n 引，而海洋潮湿环境、高盐度环境和雨水的渗入不但可以引起铜线 的腐蚀，也会对内部铁芯和磁钢造成破坏。 1 6 东北师范大学硕士学位论文 表3 1 挠性树脂产品特性及使用方法 ，托赫名：d i a p o l 5 0 9f g 3 l 挠性树脂 属r 无需溶解荆的柯脂1 0 0 聚合：在室温卜h l 以同化：无化学腐蚀；具宵良 产。鼎特性 好的空问稳定性：反墩，托生少盛热照，对金聪及掣料柯高的粘附性。 应用领域n j 作为若十电予电力方嘲所用的铸横树膊。 将存储查密闭的容器巾的 l 脂和催化剂按照履比1 0 0 ：3 0 混合搅拌均匀( 搅拌 使用方法 5 一1 0 分钟) 按照所需要求完成铸梭。 完全聚合时叫 1 0 小时( 6 0 ) 拉仲强度2 2 m p a 衷i i | i 电阻率3 1 0 “ 电阻值 2 1 0 1 3 保持电机内部的密封，利用挠性树脂( 详见表3 - i ) 将电机外壳的缝隙填充，隔绝 外部环境的接触，主轴与外壳采用多重轴套实现密封。与此同时，考虑到发电机位于塔 架顶部，工作环境空气流动性较好，特别是在大功率发电时，恰恰也是空气流动性好时， 即使有尾流效应的影响，采用风冷的方式也是可行的。 图3 1 组装之前的发电机转子 ( 3 ) 外壳的防腐 发电机外壳直接暴露在外部环境中，金属质地的外壳若不作防腐处理，发电机的寿 命将大打折扣。通用的做法是涂防锈漆或是镀锌，但镀锌表面很容易给发电机内部带来 杂质，威胁发电机的安全，而其需要安装在十几米高的塔架上，为减轻重量( 电机已经 重达8 0 0 公斤) ，阻止电化学反应，本文的做法是采用涂装防锈漆的方式。基本步骤是n 钉： 手工除锈，即用手持电动工具除去表面的锈蚀和油污，已达到良好的涂装效果；修整底 材，即除掉黑皮、红锈等腐蚀生成物，保持涂膜的附着性；最后是涂装，先涂抹性能优 越的底漆，再涂抹具有耐候性及对外界起屏蔽作用的，同时能起到美观效果的面漆，要 采用多次涂抹，每次涂抹要注意剂量均匀和表面的平整，尤其要注重焊点和其他结合点 1 7 东北师范大学硕士学位论文 的处理，此外要注意的是发电机外壳的防腐处理要在密封处理之后。 图3 2 经防腐处理的发电机 。t 。0 。7 3 _ + ? 麓誓 ( 4 ) 输电线与导电滑环的处理 考虑到这两部分具有易被盐雾和强紫外线腐蚀破坏的弱点，应当做密封处理。将滑 环及输电线接头置于支撑电机的塔顶的密封舱内，隔绝与外部环境的接触，保持内部环 境的气温恒定，这样可以减小其被腐蚀破坏的几率。输电线不仅需要在制作时采用高规 格的护套线缆，也要避免直接裸露在外。由电机引出接入密封舱内滑环的电缆外部要套 上耐强光照射和盐雾腐蚀的线管，而其它部分的电缆则放置于塔架圆筒内。接线处要可 靠绝缘和密封，并用结构胶处理。 3 1 2 设备整体的防腐 金属是风力发电机的主要材料，而金属在保证足够强度的同时，其易腐蚀的缺憾也 是需要科研人员面对的。特别是为保证安装方便，在确保安全稳定的前提下提倡轻量化 设计，塔架和尾杆都是空心结构，钢材的厚度也仅有几毫米。如不加任何防腐处理，很 容易在海洋潮湿、高盐度环境中腐蚀，进而危及整个机组的安全。考虑到防腐工作涉及 塔