V2.1 东北地区风电供暖分析研究.doc

华北电力大学硕士学位论文分类号： 学校代码：10079 密级：华 北 电 力 大 学 硕 士 学 位 论 文题 目：东北地区风电供暖分析研究英 文 题 目：The Analysis of Wind Heating in Northeast Grid 研 究 生：（四宋） 专 业：（四宋）研 究 方 向：（四宋）指 导 教 师：（四宋） 职称：（四宋）论文提交日期：（四宋） 华 北 电 力 大 学声 明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 摘 要随着东北地区的风电装机容量的逐年增大，风电的大规模并网给电网安全、稳定运行带来较大影响。至2012年已经带来严重的弃风问题，其中东北电网为弃风限电“重灾区”。笔者结合东北电网风电增长形势，通过探究分析辽宁省风电负荷特性、系统调峰能力，分析出东北地区风电现状不容乐观而解决该问题最为实际的出路就是风电供暖。国家能源局在2013年春节后紧急发布关于做好2013年风电并网和消纳相关工作的通知，并将风电储能和供暖系统作为重点。基于此本文以后对风电供暖系统关键技术进行深入分析，并以吉林白城洮南市和沈阳龙源法库的风电供暖试点项目为依托。然而通过前期的调研和综合分析，笔者发现目前风电供暖系统尚处于起始阶段，关键的技术有待进一步调查，关键设备有待研发和引进，并得出风电供暖的关键技术难点在于储能和热能效率。同时笔者分析得出风电供暖的发展将成为制约风电领域发展的最关键因素，由于时间所限调整研究方向，因此笔者后期将进一步重点通过文献综述分析国内外风电供暖关键技术和核心关键设备，并拟依据东北电网供暖试点系统所需解决问题和思路引起关联设备作为解决依据，并将进一步探究更佳的技术和经济解决方案。风电弃风问题是世界风力发电共同面临的难题。本文着重分析了东北电网风电弃风量的变化规律，发现弃风严重期与城市冬季供暖期在时间上吻合。在此基础上，进一步分析了将目前弃风电量能够为集中供暖系统提供的供热能力，和改造现有系统的发杂程度，证明在东北地区实施风电供暖的可行性。并结合东北地区现有的集中供暖设备以及并网型风电机组，提出相应的改造方案，使风能利用率得到进一步提高。最后用Simulink仿真证实了方案的可行。关键词：风电并网；东北电网；弃风；风电供暖；热能效率ABSTRACT along with the northeast region of wind power installed capacity increase year by year, Large scale grid connected wind power bring bigger impact to power system security, stability operation. In 2012 this problem has brought serious problems of abandoned wind, the Northeast power grid for wind power from the heavy disaster area. The author combine the Northeast power grid wind power growth situation, through the analysis of Liaoning provinces wind power system load characteristics, load capacity, analysis of the northeast wind power is not optimistic and solve the problem of the most practical way is to wind power heating. National energy administration after the Spring Festival in 2013 emergency publish the notice , which is about be wind power grid in 2013 and given the related work of, and put the wind power energy storage and heating system as the key. In this paper , in future, we will based on the deep analysis on the key techniques and the wind power heating system. According to JiLin BaiCheng TaoNaShi and ShenYang LongYuan library based on the pilot project of wind power heating. However the prophase investigation and comprehensive analysis result shows that the current wind power heating system is still at the initial stage, the key technology needs further investigation, to research and development and the introduction of key equipment, and it is concluded that the key technology of wind power heating difficulties lies in energy storage and thermal efficiency. At the same time, the author analyzed the development of wind power heating will become the key factors restricting the development of wind power field, due to the limitation of time adjust the research direction, so the author will further focus on late through the literature review analysis wind heating key core technology and key equipment at home and abroad, and proposed on the basis of the northeast power grid heating pilot system needed to solve problems and cause the device context as a basis, and will further explore a better technical and economic solutions. The abandoned of wind is the world wide problem. This paper analyzes the variation of abandoned wind in the Northeast. The search find that the time of the worst abandon of wind is just the time of Winter Heating. On this base, the paper further analyzes the heating capacity if applies those abandoned wind to Winter Heating and whether transformation o the current system is difficult, it proves that its feasible. Combining with the existing central heating system and the grid wind turbine, the paper also propose the modification plan, to further improve the utilization of wind energy. Finally, the plan is proved by the Simulink simulation. Keyword：abandoned wind, wind power heating, non-grid-connected wind turbine, energy storage 目 录中文摘要英文摘要第一章 绪论 X1.1选题背景及意义 X1.2 国内外研究动态 X121 风电发展困境研究 X122 风电发展的经济性与市场价值分析 X123风电发展机制与策略研究X124风电发展的容量分析X125风电消纳容量分析X1.3课题研究的主要内容 X第二章 风力发电与集中供暖的基本原理 X2.1风力机基本原理 X2.1.1常用符号定义 X2.1.2风能利用系数最大值（贝茨）理论 X22 风力机各组成部分 X2.2.1桨叶系统 X2.2.2齿轮箱系统 X2.2.3发电机系统 X2.2.4偏航系统 X2.2.5 解缆系统 X2.2.6刹车系统 X2.2.7塔架 X2.2.8控制系统 X23 集中供暖基本原理 X2.3.1集中供暖系统的结构 X2.3.2热源中心 X2.3.3热力管网系统 X2.3.4终端用户 X2.4本章小结 X第三章 东北地区风电供暖可行性分析 X31东北电网电量形式分析 X3.2东北电网风电负荷及弃风状况分析 X3.3东北地区风电供暖能力分析 X3.4对原有供暖系统结构改造的可行性分析 X3.5本章小结 X第四章 风电供暖系统改造研究 X41非并网风电系统改造 X42混合储能结构改造 X4.2.1风速模型 X4.2.2混合储能系统模型的分析 X4.2.2.1输出功率的提高 X4.2.22内部损耗的降低 X4.2.23运行时间的延长 X4.2.3非并网风电的混合储能结构 X4.2.4非并网风电混合储能系统的仿真分析 X4.3本章小结 X第五章 结论及其展望 X参考文献 X致 谢 X攻读硕士学位期间发表的学术论文 X第一章 绪论1.1 选题背景及其意义20世纪70年代中期，作为发电的主要资源，煤、油等化工燃料资源日益干涸，世界范围内的能源危机由此发生。除水电以外，风电是目前技术最成熟、建设成本最低，也是在未来最具有开发价值的绿色能源，因而逐渐受到重视。风能作为绿色能源得到国家发改委的大力支持，为中国十一五、十二五以及未来发展的重点，并制定了一些相关的电价补偿等经济政策，如风力发电的增值税优惠政策、可再生能源法等。从2003年开始，我国风电产业在技术上已经相对成熟，在此基础上得到了飞速的发展，装机容量快速增长，该阶段，风电场建设逐渐规模化和国产化。尤其从2006年起，装机容量连续5年翻倍。到2012年6月底为止，我国风电并网容量已经达到52.580 GW，而当时美国的风电并网容量为46.919 GW，德国为29.060 GW，西班牙为21.674 GW，我国已经成为世界风电总装机容量最多的国家。我国全国2011年风电并网容量净增加值为1.398 GW，其中三北地区，即东北、华北、西北地区并网容量分别为15.183lGW、16.7837GW、8.298 1GW，总并网容量占全国89%，同比分别增长43.50、42.94、147.47，分别占其总装机容量的16.65、8.25、8.20。东北地区的并网风电容量占总并网容量的15，其中辽宁地区全省初步探明可利用风能资源约42 GW（近海可开发风电约7 GW），是风能资源较丰富地区。“十一五”期间，辽宁风电装机容量发展迅速，从2005年底的容量127 MW，增长到2012年的4564.8 MW，是2005年的约36倍。沈阳、阜新、大连、锦州、铁岭、朝阳地区风电并网装机容量都达到200 MW以上。到2012年7月底，笔者所在单位，辽宁省电力有限公司，辽宁省发电装机总容量36633.1MW，其中风电占12.46%，为4564.8MW，同比增加32.33%，已经成为辽宁省内第二大电能资源，预计目前辽宁风电装机容量将超过5000 MW。截止2012年底，我国风电并网装机容量达62.66 GW，与上年相比，增加了14.82 GW，增长率为31%，居全球第一。2012年我国风电发电总量达到1008亿千瓦时，与2011年相比，增长了41%，风电发电电量已占到我国上网电量总额的2%，成为最重要的清洁能源。依据我国火电相关指标换算，2012年的风电发电量可以节约3286万吨标准燃煤、1.67亿吨水，减少8434万吨二氧化碳、22.8万吨二氧化硫、4万吨烟尘、24.2万吨氮氧化合物排量。但是，2013年8月26日全国人大常委会执法检查组关于检查中华人民共和国可再生能源法实行情况的报告中指出，可再生能源发电全额保障性收购制度还没有得到有效的实施，2012年被弃风力发电量达到208亿千瓦时，约达到实际发电量的17%，且尤以东北电网弃电最为严重。2012年东北四省区风电利用小时数分别如下：黑龙江为1780小时，吉林为1420小时，辽宁为1732小时，蒙东为1499小时，同比2011年分别减少228小时、190小时、70小时、364小时。东北电网已经成为我国风电弃风限电“重灾区”，其弃风限电量总计达我国风电总弃风限电量的1/2，总量达到100亿千瓦时，而且形式还在加剧。风电弃风问题并不是由于发电比例过高，而是由于本地消纳风电的能力不足，并且外送通道不畅，伴随着风力发电建设规模的不断扩大，风电窝电的辐射范围和严重程度也随之加大。丹麦、西班牙、德国全国风电装机容量的比率分别达到40%、20%、15%，电量则分别占到了22%、18%、10%，然而消纳很顺畅。反观中国“弃风”现象严重的区域，除了内蒙古地区装机容量比例达到20%以上之外，其它地区距达到上述水平还有很大的距离。比如，2011年黑龙江省风力发电量仅占本省全部用电量的5.57%，吉林省的比例为6.32%。包含蒙古东部四盟（市）在内的东北地区，2011年风电发电量约226千瓦时，占全地区用电量的比例仅为6.5%。为此，在2013年春节后，国家能源局紧急公布关于做好2013年风电并网和消纳相关工作的通知，预期将对风电弃风采取措施。“冬季大夏季小、夜间大白天小”是我国北方地区风资源的特点，也就是说，我国北方风能资源相对在冬季夜间时段比较集中，由于风电供暖没有得到合理实施，而此时恰是供热取暖的高峰和用电负荷的低谷时段。对于我国北方地区来说，在冬季供暖期间，风电机组运转与热电联产机组运转矛盾较大，且热电价格低于风电，导致风电机组不得不大量弃风。随着风电装机规模的扩大，风电弃风问题特别是冬季的弃风限电问题将愈加严峻。解决弃风问题无论对风电未来的发展还是对保护环境、节约地球化石能源来说都具有非常重要的意义。针对我国东北地区的弃风特点，“风电供暖”可能成为解决我国东北地区冬季弃风严重的有效方式。1.2国内外研究动态目前国内外学者主要针对风力发电发展的困境、风力发电电发展的经济性与市场价值、风电发展机制与策略研究、风电发展的容量分析以及风电消纳能力分析等方面进行了探索与研究。1.2.1风电发展困境研究针对风电发展窘境分析方面，American Wind Energy Association (1997)1，周昌思等2 (1999)，余岳峰、姚国平、王志征3(2003)、施鹏飞4 (2006)、朱俊生5等，Susanne Agterbosch6 (2007) 等分别从不同的政策、资源、技术背景和市场方面分析了风电市场化的环境，提出了风力发电在市场化过程中所遇到的突出的共性技术难题。经济与社会困境：主要是指对于风力发电来说，它投资小、发电成本高、现有融资形式的风险大，对风电绿色特性的认识和评估不够等。例如：在我国，风电还贷期间，平均上网电价约为常规火电电价的3倍，因此，当地电力公司往往不愿意使用风电，在这样的形势下，同技术己经相当成熟的常规火电相比，风电在市场上的竞争力必然处于弱势。制度与政策困境：促进风力发电产业发展的优惠政策缺乏详细的规则并且实施力度不够，缺乏连贯性政策以及缺乏长期、综合战略等。例如：目前，许多法律、法规和政策都规定对风电的收购方式，但是这些规定往往比较粗糙，缺乏具体的可执行方式，在实际的操作过程中，总是遇到许许多多的困难。但若完全依据市场竞争的原则，对风电事业的发展是很不利的。产业与技术困境：风能资源评估数据的准确程度不足、风力发电设备制造业水平不高、风电产业服务体系不够健全，风电相关产业发展的相对滞后致使风电产业链不完整等一些列问题较严重。最严重的问题是，要使拥有复杂技术设备的风力发电机组经受住种种极端恶劣气候和及其复杂的风力交变载荷，在野外可靠运行20年，不积累大量的实践经验是很难办到的。美国的西屋公司、波音公司，中国的火箭研究院和直升机研究所都进行过风电机组研发，到都以失败告终。据了解，一台新式的兆瓦级风力发电机组要经历多年的运行后才能真正掌握它的性能，以这些为基础，才能研发出多兆瓦级更大功率的风力发电机组。市场困境：如风电随季节性的变化与目前电网性能之间存在着一定的矛盾，市场分割与市场垄断导致了风电市场的地区间壁垒的产生，风电上网电价机制还不算成熟，以及长期稳定的风力发电供电协议难以达成等。中科院电工研究所的王亦楠博士尖锐的指出，导致风力发电建设不足的主要因素是缺乏激励风电发展的种种配套政策以及风电与电网的连接、储能等技术环节薄弱。另一个不可忽略的重要因素7是风电规模小、机组依赖进口、开发一次性投资较大、与煤电和水电相比发电价格高、市场化运作难度较大。1.2.2风电发展的经济性与市场价值分析在风电发展的经济性与市场价值分析方面，L.Neij (1999)把风力发电的成本跟常规电力成本进行了比较，并且运用了学习曲线和GM（1，1）等方法对风电成本的演化趋势进行了分析和预测，来对影响风力发电发展经济性的主要因素进行分析，并提出相应的风电定价策略8。雷亚洲等将电力系统的运行成本分类为固定成本和可变成本两部分，指出风力发电向电力系统提供的电力的价值可以用二者之间的差值来衡量，风电的价值跟风电机组的技术参数、风电场所在地址的风资源特性、配合风电运行的火电机组的耗量特性以及风电占电力系统负荷的比例都有关系9。Christinesantora从社会事项、环境和地方法律等综合角度提出风电产业市场化发展规划，他认为发展风电具有多种好处，比如减少对矿物燃料的依赖、抵御价格波动、改善空气质量等10。张正敏等从成本的角度对风电成本构成及其影响因素进行了分析，研究了系统造价、发电量、融资条件的变化对风电电价产生的影响。其认为，首先风能资源是影响风力发电电价的重要因素之一，对于改善风能经济性来说，合理选择风场场址至关重要；其次，如果系统的造价平均降低了22%，那么电价几乎成等比例减少，将平均降低20%，从中可以看出，降低造价将是降低上网电价的一个重要因素之一。研究结果还显示出，电价水平在很大程度上也受融资条件变化的影响，尤其是适当延长还贷期限的作用更加明显11。Martin Pehnt, Michael Oeser and Derk J. Swider 从环境效益的角度出发，综合海上风力使用率与生命周期评估模型对随机模型进行全面系统的分析研究，结果表明，海上风力发电对环境的意义十分特殊，相比于其它替代能源，风力发电的二氧化碳排放量是较低的12。与采用技术手段来降低传统能源发电时二氧化碳的排放量相比，风电的减排效果远远优于传统方式。K. strand等则从社会效益角度、电力系统运行成本的角度出发，运用成本一效益模型和系统方法来分析评价风力发电项目的运行价值13。1.2.3 风电发展机制与策略研究随着发达国家对能源和环保问题的重视，风力发电逐渐得到许多国家的高度关注，甚至有些国家已经把风电作为重要的能源供应形式，如丹麦，西班牙等国。在风电发展的初期阶段，很大程度上依靠政府的优惠政策和国家的重视，这方面，欧洲各个国家和美国等对风电市场的开发研究和政策的制定与实施都走在世界前端，如绿色证书交易、可再生能源配额制度、税收返还、绿色电力体制、国家采购和专项基金支持、直接补贴等，都为我国风电事业的发展提积累了宝贵的经验和提供了有益的借鉴14。同时风电发展机制以及策略方面的研究也是国内外专家研究的重点，已经取得了一些重要成果：Peter Meibom (1999)对在北欧能源储备库（Nordic power pool）中进行风电交易的方案进行了探讨，指出丹麦官方能源计划“21世纪能源”要求供电部门提供的电力中，风电必须占有一定的数额的比重。这一做法将能源供应系统的焦点放到了能源多样化上 15。王淑娟（2001）从社会系统工程角度提出了一些观点，指出风电发展机制的核心是政府，它起着协调所有参与主体的作用，建立风电的发展机制首先要确保对风电的管理的协调、有力，设立全国性的风电管理机构。政府要将促进风电发展，增加风电装机容量作为目标，从而获得经济和环境效益；而业主将实现利润最大化作为目标，因此政府要采取适当政策来激励和引导业主，使业主行为跟政府的意愿相吻合，最终向着有利于风电发展的方向发展l6。P. E. Morthorst（2000）等指出由于技术不成熟，目前大多数可再生能源还没有相当的竞争力。如果放置可再生能源于纯粹的市场竞争的氛围中，可再生能源的发展将被抹杀。因此，他探讨了风电绿色证书交易市场的发展，在这种绿色证书交易制度中，一个绿色证书被指定赋予一定数量的可再生能源发电量的意义，当国家实施法定的可再生能源配额制度时，为了满足自己的法定义务，如果一个发电企业无法完成配额任务，它就需要向拥有绿色证书的市场主体购买绿色证书。这种可再生能源交易制度是建立在在配额制度基础上的，这种机制用于对目前相对较弱的可再生能源发电市场做出保护性规定17.夏阳等（2005）对我国的若干风电并网问题进行了博弈性的研究，他认为，从风电并网发展的战略选择上，目前我国风力发电行业应该以引用外来技术为主，完全没有必要同发达国家进行研发上的竞赛。然而要想使国内产业的整体水平得到提高并加速风电的成本下降，必须充分利用后发优势，通过多种方式，加强技术上的吸收和引进18。同时他还指出引进的方式应该是不同样式的，包括常规设备的引进、鼓励外资企业投资、特许权国际招标、多渠道的国际合作、清洁发展机制（CDM）等。并提出政府对电网企业接受风电上网进行的补助不会起到预期有效的作用，反过来，对不接受风电的电网企业适当额度进行处罚（也就是说，处罚额度要大于政府规定的风电上网电价与电网平均上网电价之间的差值加上技术改进所需要的的单位成本）能够有效地促进风电并网。然而，同时采取补贴和处罚这两种政策措施意义并不明显。顾为东指出在风电发展方面，一直以来存在着风电规模较小、上网电价成本很高（超过火电50%以上）、核心技术落后（主要设备来源于西班牙等国）、国产化程度低（近年来才陆续有国内设备生产厂家提供1.5MW风力电机）、专业化人才稀缺、自主研发力量薄弱等弱势环节，我国的风电发展不能盲目借鉴美国、丹麦、德国等西方风电大国的发展思路，而应该着重于技术引进，并依据中国风电场风能国情循序研发前进；探讨了由高耗能产业作为大规模风电并网的负荷终端，而不是电网，由个例实现风电清洁能源，其实风电供暖也是这种模式应用的一种机制，该体系为东北电网风电的发展道路提出了一种创新的模式和思路。丙晓明，康传明（2005）指出风力发电模式分为独立发电和并网发电，这两者之间的区别并不是绝对的。风的随机性决定了风能利用的模式是多种多样的，独立大型的风力发电机组可以给小城镇提供用电，也可并网发电；小型风力发电机组（如内蒙古数量庞大的小型风力发电机组），在满足生活上的用电需求之后，也可以用于并网发电19。例如美国计划将要在2020年实现小型风力发电机组为美国提供3%的能源消费。现在我国仍有2000万人处于无电的生活状态，小型风力发电机组将要在解决当地用电这个问题上发挥重要作用。另外，L. Bird20（2005）等、高虎等21（2004）分别从国家和地方层面，在财政、津贴、增值税率优惠、可变关税、批发市场原则（Wholesale MarKet rules）、系统效益基金、风电特许权制度、风机测试与认证和风电接入系统技术服务在内的风电服务体系建设、可再生能源立法以及包括风能资源前期评估与日预测等方面概述了风电发展的推进策略；H.lttinen（2005）从生产商的视角阐述了通过风电产量的日预报和市场预交易来建立风电市场最优化这个构想22。HenriK Lund（2005）等国外学者探究了大规模风电并网的机制，应对风电波动问题电网管理机制，并且运用演化经济学原理构建风电产业在地方市场中的经济生存力模型23 ，运用了随机模拟方法构建了风电的供给模型来模拟自由电力市场中风电的短期最优产能力。1.2.4 风电发展的容量分析由于风电的发展存在外部经济性，国内外大部分风电发展都是从政策支持条件下风电生产的角度定性的考虑风电发展的前景，而对于面向风电消费的风电容量研究尚处于起步阶段。李俊峰，高虎等（2007）认为：从2006年新增1330MW、增长105%的发展形势来看，2010年底我国风电累计装机达到1215GW。按2010年底全国风电累计装机12GW估算，2010年当年风电上网电量可以达到240亿KWh24。参照过去10年全球风能的平均发展速度25.3%，这一目标将提前5年就得以实现。依据目前欧洲19%的水平，2015年后的增长预期为19%（全球风能理事会GWEC预测全球平均14%）、年均新增8GW装机，则在2020年，中国风电累计装机可以达到70GW。届时风电在全国电力装机中的比例将接近6%，风电电量约占2.8%。如果风电发展的政策环境进一步得到完善，2020年风电累计装机可以达到120GW。从2020年开始，风电和常规电力相比，成本优势将比较明显。根据“中速发展目标”，每年新增装机超过11GW，约占全国每年新增装机的30%，即达到欧盟过去5年中风电占新增发电装机的比例，那么至2030年中国风电累计装机可以达到180GW。在这种情景下，风电在全国电力容量可以满足全国5.7%的电力需求。根据“高速发展目标”，2020年平均新增装机可以保持在14GW，至2030年中国风电累计装机可以达到270GW。在这种情况下，风电在全国电力容量中的比重将超过16%，可以满足全国将近8.6%的电力需求。根据欧洲风能协会绿色和平组织签署的关于2020年风电达到世界电力总量的12%蓝图的报告，预测2020年全球的风力发电装机将达到1231GW（为2002年世界风电装机容量的38.4倍），年安装量达到1.5亿千瓦，风力发电量将占全球发电总量的12%。目前，国内外学者大部分是从国家角度对风电发展优势、瓶颈及其发展的前景和政策支持进行研究，但是并没有具体结合地方性风电发展特征来分析和预测地方性风电消纳能力，然而东北电网有其特殊实施方式和模式，这正是东北风电发展需要亟待解决的问题，也是本研究的主要目的。1.2.5 风电消纳能力分析张运洲，白建华等25（2010）通过建立一套电力系统中风电消纳能力的研究方法，研究分析了适应风电发展的电源结构及布局、风电的开发规模及消纳市场等问题，并分析风电等能源开发对优化我国能源结构和减少排放温室气体的贡献度。沈又幸等(2009)从局部均衡福利分析角度，建立了风电社会效益的概率数学模型，该模型能保守估算出风电的社会效益，运用此模型进行了实证研究，结果表明模型具有一定的应用价值26。曾鸣等（2009）通过采用风电社会效益评价数学模型，分析了风电社会效益对风电比例、CO2损害成本、煤炭成本、平均风速的敏感性27以及风电投资成本。定量分析表明，保持一定规模的风电比例，减小CO2损害成本、降低风电投资成本，及提高平均风速将使风电得到正的社会效益。申洪，王伟胜（2003）提出基于实际年发电量和故障停运时间来分析风电场实际运行情况的新方法，科学的隐射出弃风问题28。通过风电场的历史运行数据来估算风电场理论的年发电量，并引入衡量风资源、风电机组分布、和故障停运对风电场年发电量影响的三个新指标即风资源系数、风电机组分布系数和损失系数。通过合理运用三个新指标分析可以定量分析风电场风资源、风电机组分布和风电机组故障对风电场运行情况的影响。朱世伟等（1991）依据国内外风力发电概况和我国风力资源的实际情况进行分析，并站在政治、经济、国防、技术、社会、环境生态、资源等角度对我国风电发展进行了综合评价分析，得出我国具有良好的发展风电资源的条件，发展风电具有积极意义29。藏锐，冯守忠（1997）通过对内蒙古风能资源概况的分析，从风能量、风速、风频、海拔和风能季节性等多个角度对风场风能进行分析，对内蒙古制定风电的发展战略具有重要意义30。综合以上风电研究策略分析，可以看出很少有学者依据地区实际情况和风电消纳情况，总电力趋势的全方位具体情况对风电消纳能力方面进行深入探究，尽管有些文献针对风电特性的某些方面进行了探讨，但却没有能够根据我国东北地区的特殊情况给出合理的冬季弃风严重问题的解决方案，因此对这方面的进行深入研究具有重要意义。1.3 课题研究的主要内容本文以解决我国东北地区冬季弃风严重现象为目标，分析风电供暖在东北地区的可行性，并针对目前现有的供暖系统和并网型风机提出将二则结合的改造方案。内容主要分五章：第一章绪论。介绍介绍了本课题的研究背景、意义、国内外现状。第二章介绍风力发电与集中供暖的基本原理。为二者有机结合提供理论依据。第三章分析东北地区实施风电供暖都的可行性。针对我国东北地区弃风原因及季节变化规律，分析风电应用与城市集中供暖这一做法在时间上和设备改造上的可行性。第四章介绍了本文风电供暖系统改造方面的研究。针对供暖系统对电能质量要求相对不高、及风能的随机性等特点，提出对风力发电机系统的一些改造方案，使风电系统能够与供暖系统结合程度更佳，从而进一步提供风能利用率。第五章是对前面章节内容的总结，并计划在将来的工作中继续完善这方面的研究。第二章 风力发电与集中供暖的基本原理2.1 风力机基本理论风力机的理论主要有以下几种：贝茨（Betz）理论，葛劳渥（Glauert）理论，萨比宁（Sabinin）理论，徐特尔（Hutter）理论，斯特法尼亚克（Stefaniak）理论等。2.1.1 常用符号定义（1）风能利用系数Cp该系数用于表示风力机从自然风能中吸取的能量大小程度： （2.1）式中 P 风力机实际从自然风能中获得的功率，W； 空气密度，kg/m2;S 风轮的扫风面积，m2; 上游风速，m/s。（2）叶尖速比为了表示在不同风速中风轮的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称之为叶尖速比。 （2.2）式中： n 风轮转速，r/s; 风轮角速度，rad/s;R 风轮半径，m; 上游风速，m/s;（3） 转矩系数CT及推力系数CF通过对气流作用于风轮所产生的转矩和推力进行比较，并以为变量绘制转矩与推力的变化曲线。因此，转矩与推力是无因次化的。 （2.3） （2.4）式中：T 转矩，Nm;F 推力，N。（4）失速风吹在翼型上所产生的升力FL与阻力FD之比定义为翼形的升阻比，用L/D表示： （2.5）式中：CL 升力系数； CD 阻力系数。升力随着迎角的增加而增加，阻力随着的增加而减小。而当增加到某一临界值时，升力突然减小而阻力急剧增大，这种现象称之为失速。2.1.2 风能利用系数最大值（贝茨）理论根据德国物理学家贝茨于1926年提出的第一个有关风力机的贝茨理论，该理论通过设定风轮是“理想”的，这种“理想”的风轮接收全部风能，叶片无限多，没有空气阻力。空气流是连续且不可压缩的，气流均匀流过叶片扫掠面，不论在叶片前还是叶片后，气流速度的方向都是垂直叶片扫掠面的。设风轮前方无限远处的风速为1，实际通风轮的风速为，叶片扫掠后无穷远处的风速为2，通过风轮叶片前的风束面积为S1，叶片扫掠后的风束面积为S2。风吹到叶片上所产生的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，因此必有2S1。如图2.1所示。图2.1 贝茨理论简图由于，风作用在叶片上的力可以由欧拉定理来求得 （2.6）式中： 空气密度。风轮接受的功率为： （2.7）该功率是根据风的动能转化而来的，则上游至下游风动能的变化总量为 （2.8）令 （2.9）得 （2.10）因此，风力在风轮叶片上产生的轴向力F和风轮输出功率P分别表示为： （2.11） (2.12)根据上述结果，风速是已知的，因此P的大小由决定，即P是的函数，对P求微分可得到最大值 （2.13）令其等于0，解方程得 ，令 为Cp，有Cp=0.593证明叶片所获得的最大功率为经过扫掠面积大小的风机械能的59.3%。贝茨理论说明，理想风轮从风中获得能量的极限效率为59.3%，部分损失的能量为留在尾流中形成的旋转风动能。2.2 风力机各组成部分2.2.1 桨叶系统风能具有很大的随机性，在风力发生变化时，风力机轴上输出功率也将随之发生改变，因此调节风力机的输出功率，使其平衡稳定对风力发电机的并网运行来说是非常重要的关键技术问题之一。对于水平轴风力机而言，功率调节方式主要有两类，即变桨距功率调节和定桨距失速功率调节。定桨距系统：根据计算所得到的桨叶的实际安装角将其以一定角度固定到轮毂上，该安装角是不能改变的。通过在桨叶尖部安装叶尖扰流器，并在制动的时候将其打开。由于叶尖部分到轴的距离最远，整个叶片可以看成一个长的杠杆，因此扰流器产生的气动阻力很大，足以迅速使风力机在几乎没有任何磨损的情况下减速，这一过程称为桨叶空气动力刹车。变桨距系统：就是叶片用可旋转的轴连接到轮毂上，轮毂上安装的多个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足在不同的风速条件下使风力发电机得到最大功率。2.2.2 齿轮箱系统齿轮箱的作用就是产生变速，当桨叶的转速达不到发电机所需的转速时，为了保证发电机的同步转速，就需要再二者之间添加增速齿轮箱。增速箱的低速轴与桨叶端连接，高速轴与发电机端连接。增速箱的特点是：（1）高速级采用行星架浮动（也就是行星减速），低速级采用太阳轮浮动，这样使结构简化而紧凑，同时均载效果好。（2）输入轴的材质具有强度高、刚性大，并结构上通过加大支撑设计使其可承受更大的径向力、轴向力及传递更大转矩，以适应风力发电的转速要求。在大型风力发电机中，发电机的级数如果越多，增速箱的传动比就会越小，但级数越多，发电机的效率也会越低。国内一般采用2-4级的发电机，当然最多的时候也就是低速大扭矩发电机采用极速为40极。同时在齿轮箱的使用过程中，需要视使用地周围的环境温度工况，并采用添加润滑油冷却或者升温机构以保持一定温度，确保齿轮箱的润滑状态良好，延长其使用寿命。2.2.3 发电机系统当今，风力发电机的单机容量日益增大，对发电机的要求也越来越高。风力发电机所采用的发电机一般为异步发电机，目前技术进步主要体现在以下二点：一、定桨距风力发电机组通过采用单绕组双速异步发电机技术，成功解决了低功率时发电机的工作效率问题，并改善了低风速时的叶尖速比。二、风力发电系统采用无刷双馈电机，该电机定子有两套级数不同的绕组，转子为笼型结构，无须滑环与电刷，可靠性高。解决了绕线式异步发电机得偶滑环电刷摩擦接触式故障问题。但是该电机的设计和制造工艺仍然存在一些难题。2.2.4 偏航系统偏航系统类似于向日葵的转盘的结构，是指调整风力机的风轮叶片旋转平面与空气流动方向相对位置的装置机构，通过调整风轮叶片旋转平面使其与气流方向垂直时，这样风力机从流动的空气中获取的能量将达到最大，并使得风力机的输出功率最大，该系统对风力发电具有重要意义。2.2.5 解缆装置由于风能是自然界中的非稳定资源，具有可变速度与风向。因此风力发电机就需要经常偏航对风，并且偏航的角度也随风速和风向改变，因此电缆会随风力发电机的转动而扭转。如果偏航现象严重，将造成风力发电机多次向同一方向转动，会使得电缆缠绕，绞死，甚至绞断，因此解缆装置应运而生。自动解缆主要包含程序控制的凸轮自动解缆和纽缆开关控制的安全链动作的预警系统实现双保险。解缆时的缠绕圈数需视的风力发电机最大圈数设定，当达到预定解缆圈数时，屏蔽自动偏航动作，并进行自动解缆作业，将发电机返回电缆无缠绕位置。如果发生故障时自动解缆失效，在风力发电机达到极值圈数，系统将报警，停机待人工解缆。凸轮解缆系统：依据角度传感器所反馈的偏转角度信息，确定解缆方向为顺时针或逆时针。然后松动偏航闸，封锁传感器故障的警报，当解缆记录数字为负时，控制偏转电机正转，当解缆记录数字为正时，控制偏转电机反转。在此过程中让偏航中心电机处于待机状态，自动解缆完成时，向中心控制器发出信号开始启动。纽缆开关控制的安全链预警系统：若凸轮控制的自动解缆失效，则纽缆情况将会更严重，当纽缆达到预