风电与能源问题浅谈

马玉波 马成威

摘 要：为了使风力发电机输出电压电流恒定，其频率也保持恒定。保证用户使用风电的电能质量，为风力发电机加装中间装置，提高转子转速，使其更容易并入电网，电力系统人正做着不懈的努力。

关键词：风力发电机；中间装置；力臂整定；转子转速

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0177-02

中国电力能源与其他能源之间有着千丝万缕的联系。只要提到电，就离不开绝缘的问题。尤其是导线的绝缘。而导线的绝缘离不开橡胶能源。废旧塑料回收，重新加工利用是国家的废物回收制度中的一项措施。但是如果这些回收再利用的塑料橡胶再用到导线绝缘上，那么由于废旧的塑料和橡胶本身再用到导线的绝缘上，由于废旧的塑料和橡胶本身是老旧的，与新塑料相比，绝缘强度本身就降低了。如果再利用它制成绝缘材料，用到导线外皮上，那么导线外皮的绝缘强度就与废旧塑料橡胶的绝缘强度相同了。所以如果将具有这样绝缘外皮的导线接入到二次设备的接线中而不进行绝缘保护试验，就会使导线即使在正常工作电流时也会发生绝缘击穿烧毁现象。风力资源发电是当前新能源发展的重点，其重要性已形成共识，发展空间可期。但是我们也要注意到风力发电可能带来的负面因素影响，以及风力发电目前遇到不少瓶颈问题，有待进一步研究解决。

1 风力资源发电的负面影响分析

电力系统是电能发、输、变、配的一个过程，与其他能源的关系非常密切。比如一次能源煤炭，非一次能源风力资源、水利资源 、核能、太阳能和秸秆等。每一种能源在产生电能的过程中，都会有利弊，都会形成对自然的危害。燃煤电厂会造成CO2 和SO2的排放污染；核能发电会造成核辐射及核泄露的污染。水资源会造成水灾害。那么清洁能源——风力资源会不会也存在对环境的危害呢？

以水资源发电为例，水利发电的特点是蓄水量决定发电量。水利发电的大坝长而且宽，蓄水量大，对地面的压力相当大。在强大重力的作用下，水对地壳的压力发生变化。利用水的势能和水的落差动能推动水轮机蝸壳的叶片旋转带动水轮发电机发电。是水的势能转变成机械能最后转变成电能。同水利发电相比，风力资源也是发电成本低，价格廉的。并入电网的电能质量也是一样的。那么风力资源的利用会不会对气候产生影响呢？设想一下；风力发电机被风吹动的同时，除了空气动力学的原理外，还有一个作用力与反作用力的作用结果。风在吹动风力发电机叶片转动的同时，发电机的叶片也对风产生反作用力。对外侧风是阻力，对内侧风是旋转作用力。所以外侧风是作功状态而内侧风是涡流状态。这时风的速度与方向都会在发电机叶片的转动产生的力的作用下发生略微的改变。在风力发电机密集的区域，这种影响力汇聚到一起，就会形成风的低速带，从而形成大面积涡流，进而影响到气候的变化。这种变化体现在暴雨和龙卷风等。现在，风力发电在世界上已经形成了成熟的四大发电体系之一，并且所占比重逐年增加。如果说现在风力发电和其他生产方面的废气CO2和SO2气体排放影响气候和造成自然灾害，那么风力资源发电过程中对风的影响造成的危害也是一个潜在的危机，不容忽视。

2 破解风力发电遇到瓶颈的方法

风力发电目前的瓶颈在于很难大规模应用，并提高风力资源利用效率。目前最重要的是提高风力发电机转子转速，如何提高的有以下三条途径

2.1 调整风力发电机中力臂的长短，确保风力发电机转 子转速恒定

风力发电机的工作原理是利用风吹动叶片产生的机械能转变成电能。如果以一个大的力臂去带动发电机的转子，那么发电机转子的转速就会大大增加。所以把发电机的叶片加长， 就可以达到这个效果。加长的多少要根据所要获得转子的转速来决定。我们需要获得的转子转速是3 600转/min。主要是应用杠杆原理。在风吹的方向，风遇到风力发电机的叶片时，在风垂直吹到的叶片的内侧，风发生衍射，这使叶片前后的风速发生变化，形成风速差。这时叶片受到风的合力最大。当衍射结束后，叶片受到的合力最小，转动的速度减小，这时叶片转动依靠惯性的作用。当下一个叶片转动到这个位置时，也同样在叶片的背面发生衍射，此时叶片受到的合力最大，同时增大了叶轮的转速。所以每片风力发电机的叶片都要经过这个位置，受到风的最大作用力，保持叶轮持续不断的转动。如果多增加几片风力发电机的叶片，那么就增加了叶片受到风最大作用力的频率。比如用5或6片都可以，并且提高叶轮转动的速度。增加了风的利用效率。由于自然界风速有大有小，不是一个恒定的量，所以风力发电机转子所获得的转矩也不同，转子转速也不能稳定，不会是一个恒定的值，导致发动机输出的频率也不会是一个恒定值。如何改变这种情况，并充分利用风能是关键的问题。

我们知道风有12个等级，陆地上能承受的只有10级，而海上能承受12级。所以我们把1、2级风忽略不计，取陆地上3-10级风和海上3-12级风为设计目标。我们把陆地上风速定为8（海上10）个档。在与转子同轴的这8（10）个档是由设置长短不同的8（10）个力臂来实现的。一个级的风速设置一个长度的力臂。在风速变化时，通过測风仪测出风速，选择相应风速级别的力臂长度，这8（10）个力臂长度可以建立在1根长的铜质或钢质的带阀的槽型金具上调节。在某个风速作用下，风力发电机叶片转动对应这个风速下力臂的长度，可以使风力发电机转子转速达到一个恒定值。那么如何去确定每级风速下的力臂长度？我们可以通过我们确定的恒定转子转速3 600转/min来整定每级风速下所对应的力臂的长短。可以得到8（10）级档的力臂的长短，也是这8（10）级档的力臂的整定值确定了。这个力臂的中心轴与风力发电机转子的轴是同轴。整定力臂的长短是为了风力发电机转子转速的恒定，使风力发电机输出电压值恒定。频率恒定。设想中间装置为鸟笼式非同轴装置。

如果说6、7、8、9、10级风这么一整定浪费了，力臂太短，那么我们可以重新确定转子的频率，比如确定输出频率为100 Hz然后再进行变频为50 Hz也可以。但是这样需要单独安装变频装置。能够将二次谐波转换成基波。我们将转子转速确定为 7 200转/min，将6、7、8、9、10（11、12）级风速对应的力臂整定的足够长，使风力发电机转子转速达到7 200转/min，每一级风速下对应的力臂长度即是该级风速下的整定力臂。这就需要在两根与风力发电机转子同轴的铜质或钢质的带阀的槽型金具上调节。3-5级风速为一根金具，6-10级风速为一根金具。风力发电机的定子和转子结构也必须同时满足频率为7 200转/min分的要求。

2.2 增加风力发电机塔筒基底部面积

如果将风力发电机的叶片传递的旋转动能最大限度发挥作用，那我们必须将它的塔筒基底部转变成足够大面积 ，才能满足大力臂的旋转，发电机也可以考虑使用最小型火力发电机。水轮发电机与蝸轮相连，火力发电机与汽轮机相连，风力发电机直接与转动叶片相连。所以要想将风力发电机的叶轮转动的作用力效果扩大，就需要加装中间装置。这样才能将发电机的转子转速提高到我们需要的转速。就像水力发电要把水坝修的很高增加水的势能一样。这就是我产生上述想法的原因。至于供给风力发电机定子电源的变压器额定电压的确定，可根据发电容量大小来解决。

2.3 设置发电机集中控制装置

如何对发电机进行保护装置的控制，可以设置监控站，对发电机进行集中控制。主要控制方式包括对发电机的继电保护装置，厂用电，电气运行控制装置（运行负荷，电压，电流）包括对中间装置的监控等形成集中控制站。可以对方圆十公里的风力发电机使用一个主控室，便于操作和维护。控制范围依据实际运行情况而定。与火力发电机电气运行的原理相似。

综合上述三点，我们可以得到这三点都能提高风力发电机转子的转速。比现有的风力发电机结构要复杂，对转子的转速要提高很多。

参考文献：

[1] 宋亦旭.风力发电机的原理与控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 叶杭冶.风力发电机组监测与控制[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 付蓉，马海啸.新能源发电与控制技术[M].北京：中国电力出版社，2015.

[4] 周鹤良.加快发展风电新能源[J].科技潮，2002，（10）.