分散式風力發電

將風能轉換電能分散式發電系統

分散式風力發電特指採用風力發電機作為分散式電源,將風能轉換為電能的分散式發電系統,發電功率在幾千瓦至數百兆瓦(也有的建議限制在30~50兆瓦以下)的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發電模式。它是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電和能源綜合利用方式。

風力發電技術是將風能轉化為電能的發電技術,可分為獨立與併網運行兩類,前者為微型或小型風力發電機組,容量為100W~10kW,後者的容量通常超過150kW。風力發電技術進步很快,單機容量在2MW以下的技術已很成熟。隨著全球能源緊張進一步加劇,可再生能源越來越受到人們的廣泛關注。作為重要的可再生能源,風電資源得到了進一步的開發利用。風力發電技術發展到今天已經相對成熟,其應用前景在全球能源枯竭的背景下也越來越光明。風電資源清潔無污染、安全可控,是一種優質的可再生新能源,分散式發電技術在我國已經得到廣泛的應用。

應用方案


應用場景

分散式風力發電系統主要運用領域:可在農村、牧區、山區,發展中的大、中、小城市或商業區附近建造,解決當地用戶用電需求。

解決方案

分散式風力發電的原理,是利用風力帶動風車葉片旋轉,再透過增速機將旋轉的速度提升,來促使發電機發電。系統主要由風力發電機、蓄電池控制器併網逆變器組成,依據現有風車技術,大約是每秒三米的微風速度(微風的程度),便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮,因為風力發電不需要使用燃料,也不會產生輻射或空氣污染。

方案特點

1、環境適應性強,無論是高原、山地,還是海島、邊遠地區,只要風能達到一定的條件,都可以正常運行,為用戶終端供電。
2、分散式風力發電系統中各電站相互獨立,用戶由於可以自行控制,不會發生大規模停電事故,所以安全可靠性比較高。
3、分散式風力發電可以彌補大電網安全穩定性的不足,在意外災害發生時繼續供電,已成為集中供電方式不可缺少的重要補充。
4、可對區域電力的質量和性能進行實時監控,非常適合向農村、牧區、山區,發展中的中、小城市或商業區的居民供電,可大大減小環保壓力。
5、輸配電損耗很低,甚至沒有,無需建配電站,可降低或避免附加的輸配電成本,同時土建和安裝成本低。
6、可以滿足特殊場合的需求,如用於重要集會或慶典的(處於熱備用狀態的)移動分散式發電車。
7、調峰性能好,操作簡單,由於參與運行的系統少,啟停快速,便於實現全自動。

原理


技術種類

風力發電從技術角度可以分為恆速恆頻和變速恆頻兩種類型。
1、恆速恆頻技術
當風力發電機與電網並聯運行時,要求風力發電機的頻率與電網頻率保持一致,即恆頻。恆速恆頻指在風力發電過程中,保持發電機的轉速不變,從而得到恆定的頻率。採用的恆速恆頻發電機存在風能利用率低、需要無功補償裝置、輸出功率不可控、葉片特性要求高等不足,成為制約併網風電場容量和規模的嚴重障礙。
2、變速恆頻技術
變速恆頻是指在風力發電過程中發電機的轉速可隨風速變化,通過其他控制方式來得到恆定的頻率。
變速恆頻發電是2O世紀70年代中後期逐漸發展起來的一種新型風力發電技術,通過調節發電機轉子電流的大小、頻率和相位,或變槳距控制,實現轉速的調節,可在很寬的風速範圍內保持近乎恆定的最佳葉尖速比,進而實現追求風能最大轉換效率;同時又可以採用一定的控制策略靈活調節系統的有功、無功功率,抑制諧波、減少損耗、提高系統效率,因此可以大大提高風電場併網的穩定性。儘管變速系統與恆速系統相比,風電轉換裝置中的電力電子部分比較複雜和昂貴,但成本在大型風力發電機組中所佔比例並不大,因而發展變速恆頻技術將是今後風力發電的必然趨勢。

實際運用

變速恆頻技術因其利用風能充分、控制系統先進、靈活而成為風電技術的主流。在實際利用中,分散式風力發電一般與其他發電形式相互組合,例如風力發電同太陽能發電相組合形成的風光互補發電系統;風力發電同柴油機組發電組合形成的“風油”發電系統;還有三者共同組合成的“風光油”發電系統。
風光互補發電系統
風光互補發電系統
不同地區根據各自不同的特點選擇適合自身條件的組合形式,充分利用環境優勢發展新型能源。尤其值得關注的是“風光”組合發電系統,使用純天然、無污染的風能和光能發電,代表著分散式發電技術的未來發展方向。從嚴格意義上來說,風能也是來自於太陽能,是太陽對地球大氣造成影響產生的氣流,無論是在時間還是在空間上,二者都有著很強的互補性,太陽能光伏發電技術和風力發電技術在環境適應性上不相上下,都適合建立分散式發電機組,二者組合擁有良好的匹配性,在未來很長一段時間裡會成為引領可再生能源開發的趨勢潮流。
從風能資源的地域分佈上看,越是位置偏遠、人煙稀少的地方風能資源就越豐富,而這些地方無論是交通成本還是常規電網供電成本都相當的高,由於人口稀少,用電負荷普遍不高,在這些地區周邊發展風力發電,能夠充分利用好豐富的風能資源,除供應周邊居民用電外,還可以接入大電網支持周邊城市的電網供應。

風機應用

考慮到分散式發電系統的安全性、可靠性、經濟性與適用廣泛性的要求,需要風力發電機有較寬的工作風速範圍 (3—25m/s),在不穩定的自然風況中,能可靠運行並有良好的電能品質,能捕獲最大風能以提高發電效率、降低單位功率發電成本。
大型風力發電機
大型風力發電機
以上技術在大型風力發電機中得到了較好的解決,例如,為捕獲最大風能,大型風力發電機主要通過兩個階段來實現。在額定風速 (14m/s)以下時,通過調節發電機反力距使轉速跟隨風速變化,在高於額定風速時,通過變槳距系統使系統輸出功率穩定。所謂變槳距指安裝在輪載上的葉片通過控制改變其 風源WP-5000A風力發電機槳距角的大小,定槳距是指槳葉與輪載的連接是固定的,槳距角固定不變,即當風速變化時,槳葉的迎風角度不能隨之變化。
中小型風力發電機
中小型風力發電機
中小型風力發電機方面,面向分散式發電的高效、可靠、低成本、大功率 (5—50kW) 的併網型變槳距中小型風力發電機,輸出功率不會因風速大於額定風速而下降。從分散式電源本身入手提高電能質量。如風源WP-5000A風力發電機,額定功率:5000瓦,最大功率:6500瓦,啟動風速:0.2米/秒~0.4米/秒,額定風速:12米/秒,工作風速:1.8米/秒~25米/秒,當風速大於額定風速12米/秒時,其輸出功率仍然向上平緩上升,所獲風能並沒減少,發電效率高,非常符合分散式風能發電的要求。

影響


1、分散式風力發電對電網規劃的影響
分散式發電的引入使得配電網的結構發生根本性變化,主要表現在分散式發電的引入使傳統的配電網路規劃、運行(如無功補償、電壓控制等)發生徹底改變,配電網自動化和需求側管理的內容也需要重新加以考慮,分散式電源之間的控制和調度必須加以協調。
配電網規劃是動態規劃問題,其動態屬性同其維數密切相關,配電網本身節點數非常多,系統增加大量分散式發電機節點使得在所有可能網路結構中尋找最優網路布置方案更加困難。因此,系統運行規劃者必須準確評估這些影響,尋求精確的負荷預測和合適的優化方法,並給出 DG最優位置和容量以保證含 DG的配電系統運行安全性和經濟性。
2、分散式風力發電對電網調度的影響
中國地區電網的電源接入的網架有限,大量分散式電源接入配電網將給電網的電源平衡帶來難度。一般地區電網的負荷主要為民用負荷,因此負荷的峰谷差較大,風力發電的隨機性、反調峰性給電網的調峰以及常規火電機組的開機方式安排增加了難度,必須做到儘可能多地接納風電電力,同時保證火電機組運行的經濟性。
3、分散式風力發電對繼電保護的影響
大多數配電系統其結構呈放射狀,採用這種結構的主要目的是為了運行的簡易性和線路過電流保護的經濟性,當配電網中接人了分散式電源之後,放射狀網路將變成遍布電源和用戶的網際網路路,潮流在變電站母線與負荷點間不定向流動,這對配電網原有的繼電保護將產生較大影響。

發展意義


1、分散式風力發電是解決我國環境污染和保障我國電力安全的重要途徑之一。
我國是人口大國,也是能源消耗大國,隨著經濟的發展對電能的需求愈加迫切,傳統的火力發電已經很難滿足社會的電能需求,而且日益突出的環境問題也不適合再大力發展 以燃煤為主的火力發電。放眼全球,能源緊張已經成為困擾世界各國的一大難題,能源安全成為新的國際問題。在這種背景下,大力發展可再生能源成為解決這一難題的有效途徑。分散式風力發電技術投資小,見效快,無二次污染,系統運行安全可靠,是解決我國環境污染和保障我國電力安全的重要途徑之一。
2、分散式風力發電是發揮分散式風力發電供能系統效能的最有效方式。
分散式風力發電除直接向終端電能用戶提供電能外,還可以將分散式發電供能系統以微網的形式接入電網,與大電網併網運行,相互支撐,在電能利用結構上,有效調節用電峰谷,減輕用電高峰期電網負荷壓力,促進電能資源的優化配置,是發揮分散式風力發電供能系統效能的最有效方式。
3、採用分散式發電技術實行離網發電可以有效解決邊遠地區的用電難題。
在眾多的可再生能源中,風電資源是目前應用最為廣泛、技術條件最完備、投資成本與產出比例最高的一種,隨著分散式發電與供能技術的發展,風能與太陽能等可再生能源作為分散式電源併網發電是必然趨勢。我國風能資源分佈廣泛,很多地區都具備利用風能建設分散式風力發電廠的優良條件,當前應當大力發展可再生能源,加大對相關科學研究項目的投入力度,提高風力發電裝備製造水平,對分散式發電系統與接入電網併網運行相關控制技術加快研究步伐,儘快優化電網運行結構,提高電力資源的利用率。
行會對傳統電網的運行穩定性和整個電力系統的系統控制和繼電保護帶來一定的影響,所以相關的微網運行控制技術和關鍵的電子設備研發技術一定要研究成熟。分散式風力發電機按照機組容量可以分為大型風力發電機組與中小型風力發電機組。我國幅員遼闊,邊遠地區架設輸送 電網路十分艱難,採用分散式發電機組實行離網發電可以有效解決邊遠地區的用電難題。

發展現狀


風能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大,全球風能資源總量約為2.74×109兆瓦,其中可利用的風能為2×107兆瓦。
在我國,隨著經濟建設的飛速發展,我國集中式供電網的規模迅速膨脹。這種發展所帶來的安全性問題不容忽視。由於各地經濟發展很不平衡,對於廣大經濟欠發達的農村地區來說,特別是農牧地區和偏遠山區,要形成一定規模的、強大的集中式供配電網需要巨額的投資和很長的時間周期,能源供應嚴重製約這些地區的經濟發展。而分散式發電技術則剛好可以彌補集中式發電的這些局限性。
我國是世界上風力資源佔有率最高的國家之一,同時也是世界上最早利用風能的國家之一。據資料統計,我國10 m 高度層風能資源總量為3226GW,其中陸上可開採風能總量為253GW,加上海上風力資源,我國可利用風力資源約為1000GW。如果風力資源開發率可達到60%,僅風電一項就可支撐我國現有全部電力需求。我國利用風電起步較晚,和世界上風電發達國家如德國、美國、西班牙等相比還有很大差距。風電是20 世紀80 年代開始迅速發展起來的,初期研製的風機主要是1kW、10kW、55kW、220kW 等小型風電機組,後期開始研發可充電型風電機組,並在海島和風場廣泛應用。至今,我國已經在河北張家口、內蒙古、山東榮城、遼寧營口、黑龍江富錦、新疆達坂城、廣東南澳和海南等地建成了多個大型風電場,並且計劃在江蘇南通、灌雲鹽城等地興建GW 級風電場。
截止2007 年底,我國風機裝機總量已達6.05 GW,年發電量佔全國發電量的0.8%左右,比2000 年風電發電量增加近10 倍。2012 年一年新增風電裝機容量625 萬千瓦,比過去20年累計的總量還多,新增裝機增長率約為89%。累計風電裝機容量約1215 萬千瓦,佔全國裝機總量的1.5%,累計裝機增長率為106%。風電裝機主要分佈在24 個省,比2007 年增加了重慶、雲南和江西三個省。2006 至2012 年風電增長狀況。
中國政府為了推動併網風電的商業化發展,國家發改委明確提出我國風電發展的規劃目標:2005 年全國風電裝機總量達到100 萬千瓦,2012 年全國風電裝機總量達到400 萬千瓦,2015 年全國風電裝機總量達到1000 萬千瓦,2020 年全國風電裝機總量達到2000 萬千瓦,佔全國總裝機容量的2%左右。可以預計,中國即將成為世界風電發展令人矚目的國家之一。
隨著世界經濟的發展,風能市場也迅速發展起來。2009年全球風力發電新增31%,共增加37500兆瓦新裝機容量,全球總裝機容量達到157900兆瓦的新高峰。風能的持續增長,主要來源於世界主要市場積極的國家能源政策,以及許多國家政府將可再生能源作為其經濟復甦計劃有限考慮的一部分。
中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊,預計未來很長一段時間都將保持高速發展,同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。隨著中國風電裝機的國產化和發電的規模化,風電成本可望再降。因此風電開始成為越來越多投資者的逐金之地。風電場建設、併網發電、風電設備製造等領域成為投資熱點,市場前景看好。

國家政策


我國分散式發電起步較晚。進人21世紀,我國社會經濟發展迅速,工業化、城鎮化進程不斷加快,隨之而來的是能源消費總量增長速度加快,應對氣候變化的壓力加大。發展分散式發電,對於能源結構調整、轉變能源發展方式,構建穩定、經濟、清潔、安全的能源供給體系,滿足多樣化能源需求,促進經濟平穩較快發展具有重要意義。
一、2011年年初,國家能源局起草了《分散式發電管理辦法》(《辦法》)初稿,並組織國家部委、政府機構、科研院所、企事業單位等就管理辦法召開了3次專題研討會,徵求各方意見,對《辦法》進行討論修改。7月中旬,國家能源局又下發了《關於分散式接入風電開發的通知》。
1、從國家能源戰略層面大力推進分散式風力發電發展。我國已相繼出台了鼓勵可再生能源發展的政策法規,但就分散式發電的認識還不到位,尚未形成詳細、完善的政策法規體系。因此,各級政府應理清思路,從創新的、更高的、長遠的角度推動分散式發電的持續、快速發展。
2、制定支持分散式發電的總體戰略。分散式發電在中國屬於新興產業,必須在戰略上提前謀划避免出現科技與產業脫節、生產與應用脫節等問題。我國政府應確定具體的分散式發電裝機目標,這有利於明確市場預期,增強市場信心,提高未來行業發展的可預見性及規劃部署的準確性。
3、制定高效的、持續的、長期穩定的、可操作性強的法律、法規及條例。美國的分散式發電政策法規,既有約束性法規,又有財政、稅收及融資優惠政策;既有宏觀的,又有具體翔實的;既有聯邦層面的全局性指導政策法規,又有各州針對當地實際情況推行的地方特色政策。我國在制定分散式風力發電政策時應盡量避免出現“重號召而缺操作性”的問題,制定長期有效的、具備可操作性的政策法規,尤其要明確項目電網接人、運行管理及電價補貼等關鍵措施,促進行業平穩快速的發展。
4、政府對風電開發商給予適當的激勵。我國可借鑒美國的經驗,政府組織開展風機質量檢測與認證,並結合實際風資源情況對已投運分散式風電場的運營表現予以評價,對性能優良的風機廠商及運營狀況良好的運營商給予適當獎勵。如此能夠激勵風機製造商不斷提高和完善設備質量,同時鼓勵運營商提高項目整體運營維護水平。
5、加強分散式風電的技術研發、市場應用、教育培訓與人才培養等方面工作。我國在分散式風力發電領域與美國的差距較大,各級政府應在技術研發、市場應用、教育培訓與人才培養方面加大資金投入。此外,絕大多數分散式發電項目並非由專業公司開發,通過開展專業教育與培訓,能夠在更大範圍里傳播專業技術,解讀明晰項目開發流程、審批手續及相關政策,提高分散式風力發電項目的開發與建設效率。
二、2013年7月18日國家發改委發布了最新的《分散式發電管理暫行辦法》發改能源[2013]1381號的通知,進一步對於分散式發電項目做了政策性細則規定,正文如下:
《分散式發電管理暫行辦法》
第一章總則
第一條為推進分散式發電發展,加快可再生能源開發利用,提高能源效率,保護生態環境,根據《中華人民共和國可再生能源法》、《中華人民共和國節約能源法》等規定,制定本辦法。
第二條本辦法所指分散式發電,是指在用戶所在場地或附近建設安裝、運行方式以用戶端自發自用為主、多餘電量上網,且在配電網系統平衡調節為特徵的發電設施或有電力輸出的能量綜合梯級利用多聯供設施。
第三條本辦法適用於以下分散式發電方式:
(一)總裝機容量5萬千瓦及以下的小水電站;
(二)以各個電壓等級接入配電網的風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等新能源發電;
(三)除煤炭直接燃燒以外的各種廢棄物發電,多種能源互補發電,餘熱余壓餘氣發電、煤礦瓦斯發電等資源綜合利用發電;
(四)總裝機容量5萬千瓦及以下的煤層氣發電
(五)綜合能源利用效率高於70%且電力就地消納的天然氣熱電冷聯供等。
第四條分散式發電應遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則,充分利用當地可再生能源和綜合利用資源,替代和減少化石能源消費。
第五條分散式發電在投資、設計、建設、運營等各個環節均依法實行開放、公平的市場競爭機制。分散式發電項目應符合有關管理要求,保證工程質量和生產安全。
第六條國務院能源主管部門會同有關部門制定全國分散式發電產業政策,發布技術標準和工程規範,指導和監督各地區分散式發電的發展規劃、建設和運行的管理工作。
第二章資源評價和綜合規劃
第七條發展分散式發電的領域包括:
(一)各類企業、工業園區、經濟開發區等;
(二)政府機關和事業單位的建築物或設施;
(三)文化、體育、醫療、教育、交通樞紐等公共建築物或設施;
(四)商場、賓館、寫字樓等商業建築物或設施;
(五)城市居民小區、住宅樓及獨立的住宅建築物;
(六)農村地區村莊和鄉鎮;
(七)偏遠農牧區和海島;
(八)適合分散式發電的其他領域。
第八條現有適用於分散式發電的技術包括:
(一)小水電發供用一體化技術;
(二)與建築物結合的用戶側光伏發電技術;
(三)分散布局建設的併網型風電、太陽能發電技術;
(四)小型風光儲等多能互補發電技術;
(五)工業餘熱余壓餘氣發電及多聯供技術;
(六)以農林剩餘物、畜禽養殖廢棄物、有機廢水和生活垃圾等為原料的氣化、直燃和沼氣發電及多聯供技術;
(七)地熱能、海洋能發電及多聯供技術;
(八)天然氣多聯供技術、煤層氣(煤礦瓦斯)發電技術;
(九)其他分散式發電技術。
第九條省級能源主管部門會同有關部門,對可用於分散式發電的資源進行調查評價,為分散式發電規劃編製和項目建設提供科學依據。
第十條省級能源主管部門會同有關部門,根據各種可用於分散式發電的資源情況和當地用能需求,編製本省、自治區、直轄市分散式發電綜合規劃,明確分散式發電各重點領域的發展目標、建設規模和總體布局等,報國務院能源主管部門備案。
第十一條分散式發電綜合規劃應與經濟社會發展總體規劃、城市規劃、天然氣管網規劃、配電網建設規劃和無電地區電力建設規劃等相銜接。
第三章項目建設和管理
第十二條鼓勵企業、專業化能源服務公司和包括個人在內的各類電力用戶投資建設並經營分散式發電項目,豁免分散式發電項目發電業務許可。
第十三條各省級投資主管部門和能源主管部門組織實施本地區分散式發電建設。依據簡化程序、提高效率的原則,實行分級管理。
第十四條國務院能源主管部門組織分散式發電示範項目建設,推動分散式發電發展和管理方式創新,促進技術進步和產業化。
第四章電網接入
第十五條國務院能源主管部門會同有關方面制定分散式發電接入配電網的技術標準、工程規範和相關管理辦法。
第十六條電網企業負責分散式發電外部接網設施以及由接入引起公共電網改造部分的投資建設,並為分散式發電提供便捷、及時、高效的接入電網服務,與投資經營分散式發電設施的項目單位(或個體經營者、家庭用戶)簽訂併網協議和購售電合同。
第十七條電網企業應制定分散式發電併網工作流程,以城市或縣為單位設立並公布接受分散式發電投資人申報的地點及聯繫方式,提高服務效率,保證無障礙接入。
對於以35千伏及以下電壓等級接入配電網的分散式發電,電網企業應按專門設置的簡化流程辦理併網申請,並提供諮詢、調試和併網驗收等服務。
對於小水電站和以35千伏以上電壓等級接入配電網的分散式發電,電網企業應根據其接入方式、電量使用範圍,本著簡便和及時高效的原則做好併網管理,提供相關服務。
第十八條鼓勵結合分散式發電應用建設智能電網和微電網,提高分散式能源的利用效率和安全穩定運行水平。
第十九條國務院能源主管部門派出機構負責建立分散式發電監管和併網爭議解決機制,切實保障各方權益。
第五章運行管理
第二十條分散式發電有關併網協議、購售電合同的執行及多餘上網電量的收購、調劑等事項,由國務院能源主管部門派出機構會同省級能源主管部門協調,或委託下級部門協調。
分散式發電如涉及供電營業範圍調整,由國務院能源主管部門派出機構會同省級能源主管部門根據相關法律法規予以明確。
第二十一條分散式發電以自發自用為主,多餘電量上網,電網調劑餘缺。採用雙向計量電量結算或凈電量結算的方式,並可考慮峰谷電價因素。結算周期在合同中商定,原則上按月結算。電網企業應保證分散式發電多餘電量的優先上網和全額收購。
第二十二條國務院能源主管部門派出機構會同省級能源主管部門組織建立分散式發電的監測、統計、信息交換和信息公開等體系,可委託電網企業承擔有關信息統計工作,分散式發電項目單位(或個體經營者、家庭用戶)應配合提供有關信息。
第二十三條分散式發電投資方要建立健全運行管理規章制度。包括個人和家庭用戶在內的所有投資方,均有義務在電網企業的指導下配合或參與運行維護,保障項目安全可靠運行。
第二十四條分散式發電設施併網接入點應安裝電能計量裝置,滿足上網電量的結算需要。電網企業負責對電能計量進行管理。分散式發電在運行過程中應保存完整的能量輸出和燃料消耗計量數據
第二十五條擁有分散式發電設施的項目單位、個人及家庭用戶應接受能源主管部門及相關部門的監督檢查,如實提供包括原始數據在內的運行記錄。
第二十六條分散式發電應滿足有關發電、供電質量要求,運行管理應滿足有關技術、管理規定和規程規範要求。
電網及電力運行管理機構應優先保障分散式發電正常運行。具備條件的分散式發電在緊急情況下應接受並服從電力運行管理機構的應急調度。
第六章政策保障及措施
第二十七條根據有關法律法規及政策規定,對符合條件的分散式發電給予建設資金補貼或單位發電量補貼。建設資金補貼方式僅限於電力普遍服務範圍。享受建設資金補貼的,不再給予單位發電量補貼。
享受補貼的分散式發電包括:風力發電、太陽能發電、生物質發電、地熱發電、海洋能發電等新能源發電。其他分散式發電的補貼政策按相關規定執行。
第二十八條對農村、牧區、偏遠地區和海島的分散式發電,以及分散式發電的科學技術研究、標準制定和示範工程,國家給予資金支持。
第二十九條加強科學技術普及和輿論宣傳工作,營造有利於加快發展分散式發電的社會氛圍。
第七章附則
第三十條各省級能源主管部門會同國務院能源主管部門派出機構及價格、財政等主管部門,根據本辦法制定分散式發電管理實施細則。
第三十一條本辦法自發布之日起施行。