專利名稱：高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種為高耗能產(chǎn)業(yè)提供一種直接使用風電或風電與市電相結合的供電方法和供電裝置，屬于供電或配電領域。
背景技術：
風能是人類最早利用的最廉價、最方便、最清潔的一種可再生的綠色能源，將風能轉變?yōu)殡娔艿娘L力發(fā)電已越來越受到世界各國的重視，在風力資源豐富的風場安裝大功率風力發(fā)電機的技術和設備已基本成熟，目前對大規(guī)模風電的使用主要靠與市電并網(wǎng)后再輸送給用戶使用，因風速波動太大等原因會使風電頻率等參數(shù)變化很大，即使采取包括降低發(fā)電效率等各種措施，但由于技術條件的限制以及電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求，風電在電網(wǎng)中所占比重往往限制在5％之內(nèi)。能夠與市電并網(wǎng)的風電必須做到其頻率、相位和電壓均應與市電相同，同時還要將發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間對電網(wǎng)的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(nèi)(一般為1.5倍額定電流以下)，使之得到一個較為平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程才能并網(wǎng)。但風電由于完全受風速控制而不同于常規(guī)電源，其主要表現(xiàn)在以下幾方面(一)風速是波動且隨機變化的，因此風電機組發(fā)出的電能也是波動的。盡管這種波動可以控制或者可以預測，但是目前來講，多數(shù)是不可控的或者控制效果是極其微弱的。這便增加了電網(wǎng)調(diào)度人員調(diào)度的不確定性和復雜性。
(二)風電機組中的發(fā)電機形式多樣，可以是異步發(fā)電機、同步發(fā)電機或是雙饋感應發(fā)電機。因此，無功功率特性復雜，這便帶來了電網(wǎng)電壓的偏差問題，這就需要電網(wǎng)設計時應考慮無功補償和輸出電壓自動調(diào)正系統(tǒng)，從而減少對電網(wǎng)的影響。
(三)風力發(fā)電的技術特點與常規(guī)發(fā)電不匹配，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)運行規(guī)范不適用，需要針對風電特性進行改進和補充。
(四)風力發(fā)電技術因其不同特性，因此要求隨著風力機技術的特點，制定相應的規(guī)定和管制條例。
(五)風電場位置一般遠離負荷中心，也遠離常規(guī)電廠，這是目前國內(nèi)風電場建設中的一個普遍現(xiàn)象。風能資源豐富的地區(qū)往往遠離主要的電力需求區(qū)域，這就給傳輸風電帶來了困難，意味著需要對現(xiàn)有電網(wǎng)結構或框架進行改造和變動，如擴建電網(wǎng)等，而這不僅僅是替換一些設備就可以實現(xiàn)的。在世界各地，電網(wǎng)擴建是一個大問題，一方面它導致了風電成本的升高，另一方面大范圍的傳輸系統(tǒng)改造也會延遲風電的上網(wǎng)和使用。例如英國北部風能資源豐富地區(qū)的許多風電項目，從投產(chǎn)到真正聯(lián)網(wǎng)發(fā)電，這期間電網(wǎng)的更新往往需要十年的時間。
因而，風電與市電并網(wǎng)，會對市電電網(wǎng)產(chǎn)生比較大的負面影響，這些影響主要有(一)風電輸出功率的大幅變動對電網(wǎng)的影響從對電網(wǎng)的影響角度看，風力發(fā)電第一個特點就是出力變動大，且呈不規(guī)則變動性狀，不易預測。由風力發(fā)電機組的輸出功率表示式可知，風力發(fā)電機組的輸出功率與風力發(fā)電機組風葉掃風面積成正比，與空氣密度成正比，與風速的三次方函數(shù)成正比。風力發(fā)電機組的機型確定后，其風葉掃風面積是不變的，在固定的地域空氣密度變化不大，惟獨風速變化相當大且是隨機性的，因此風力發(fā)電機組輸出功率變化大主要是由于風速變化而引起的。根據(jù)美國風電場的運行經(jīng)驗，即使由數(shù)十臺風電機組成的風電場，通常在1分鐘內(nèi)最大輸出功率變動也達40％左右。
(二)風力發(fā)電對電網(wǎng)的無功功率影響在直流電路里，電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路里，電壓乘電流是視在功率，而能起到作功的一部分功率(即有功功率)將小于視在功率。
(三)風電對并網(wǎng)潮流分布的影響由于風力發(fā)電不可控的間斷性，不論以何種方式接入，對地區(qū)電網(wǎng)的潮流分布影響是明顯的。以高電壓等級并網(wǎng)，潮流分布影響較小，但不能實現(xiàn)電力電量的就近消化。
(四)風力發(fā)電的諧波對電網(wǎng)的影響“諧波污染”已經(jīng)成為電網(wǎng)內(nèi)三大公害之一。理想的發(fā)電機，其電動勢可以認為是純正弦的，即不含高次諧波，由于風電的特殊性導致諧波對所并電網(wǎng)的危害較大。諧波對線路的主要危害是引起附加損耗。諧波可引起系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大，如在某個特定諧波時卻可能引起諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，電網(wǎng)諧振引起設備過電壓，產(chǎn)生諧波過流，對設備造成危害。當諧波引起系統(tǒng)諧振時，諧波電壓升高，諧波電流增大，引起繼電保護及安全自動裝置誤動，損壞系統(tǒng)設備(如電力電容器、電纜、電動機等)，引發(fā)系統(tǒng)事故，威脅電力系統(tǒng)的安全運行。諧波還干擾通信設備，增加電力系統(tǒng)的功率損耗(如線損)，使無功補償設備不能正常運行等，給系統(tǒng)和用戶帶來危害。
(五)風電并網(wǎng)對系統(tǒng)的沖擊風電接入系統(tǒng)后不僅影響電網(wǎng)的潮流分布，而且由于發(fā)電機內(nèi)部電感雙磁鏈不能突變導致異步發(fā)電機在并網(wǎng)時會產(chǎn)生沖擊電流，其大小與發(fā)電機的暫態(tài)電抗并網(wǎng)時電壓的高低以及并網(wǎng)時的滑差大小有關，滑差越大則交流暫態(tài)衰減時間就越長，并網(wǎng)時沖擊電流有效值也就越大。
(六)對公共連接點(PCC點)電能質量的影響風力發(fā)電對PCC點的影響主要由穩(wěn)態(tài)電壓波動、電壓閃變、諧波電壓不平衡、瞬態(tài)電壓跌落或凹陷等，從目前一些地區(qū)運行經(jīng)驗看，大量引入風電產(chǎn)生的聯(lián)網(wǎng)問題主要是薄弱系統(tǒng)的電壓問題，其次是閃變和諧波問題。
以上分析可知，由于技術條件的限制以及電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求，風電在電網(wǎng)所占比重往往限制在5％之內(nèi)，大規(guī)模風電場已因并網(wǎng)制約而使發(fā)展受限，這就迫切需要為其尋找更適合使用大規(guī)模風電的有效途徑，才能進一步促進風電事業(yè)的迅速發(fā)展。否則就會使大規(guī)模風電場的發(fā)展受到影響。
另一方面，高耗能產(chǎn)業(yè)如氯堿工業(yè)的電解食鹽水和電解鋁、電解銅等金屬冶煉過程中都需要消耗大量的電能，而這些電能目前還由電網(wǎng)提供，使電網(wǎng)在供電不足的情況下還無法減輕這種沉重負擔。
例如一個年產(chǎn)4×20萬噸氯堿基地的用電量按照目前國內(nèi)常用的離子膜法制堿工藝和生產(chǎn)水平，每生產(chǎn)一噸氫氧化鈉約耗電2500千瓦時，可得年產(chǎn)4×20萬噸氯堿基地的用電量為4×20萬噸×2500千瓦時/噸＝20億千瓦時。
再如一個年產(chǎn)4×20萬噸電解鋁有色金屬基地的用電量按照目前國內(nèi)電解鋁的生產(chǎn)水平，每生產(chǎn)一噸鋁的直接耗電15000千瓦時，年產(chǎn)4×20萬噸電解鋁有色金屬基地的用電量為4×20萬噸×15000千瓦時/噸＝120億千瓦時。
由上可見，高耗能產(chǎn)業(yè)的耗電量實在厲害，而我國的電力供應不足，在要求各行各業(yè)節(jié)約用電的情況下，還要在用電高峰經(jīng)常拉閘停電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是要克服人們對大規(guī)模風電的使用主要靠與市電并網(wǎng)后再輸送給用戶使用的偏見，避開風電與市電并網(wǎng)供電的不足之處，尋找出能直接使用大規(guī)模風電的高耗能產(chǎn)業(yè)，為迅速發(fā)展風電提供市場，又要為市電減輕高耗能負擔而提供一種設計簡單合理、能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益的切實可行的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電方法。
本發(fā)明的另一個目的是為了實現(xiàn)上述方法而設計的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電裝置。
經(jīng)過多年研究，發(fā)現(xiàn)氯堿工業(yè)和電解鋁、電解銅等產(chǎn)業(yè)中必須使用的電解槽才是真正的高耗能項目，如電解食鹽水的制堿、氯氣和氫氣的電解槽，目前工業(yè)生產(chǎn)上離子膜電解的槽電壓一般是3.2-3.8V直流電，由于離子膜工藝技術的不斷改進，電解槽管理的不斷完善，能迅速適應一定范圍內(nèi)電負荷改變的需要或電流的變化，例如調(diào)研的一家氯堿企業(yè)的電解槽用Nafion NX-90209膜經(jīng)過20個月的試驗，以一天為循環(huán)周期，白天(8:00～22:00時)在1.9kA/m2下操作，夜間(22:00～8:00時)在3～3.5kA/m2運行，其陰極電流效率能穩(wěn)定在96％以上。經(jīng)過多年的實踐，電解槽運行電流密度在1.5～4.0kA/m2波動下對電流效率影響不大。所以，直接使用大規(guī)模風電為高耗能產(chǎn)業(yè)中的食鹽水電解槽提供工作電源是一種極佳選擇。
電解鋁的主要生產(chǎn)過程也是在電解槽中完成的，每個鋁廠都是很多電解槽串聯(lián)或并聯(lián)起來構成一個電解槽系列，它是鋁生產(chǎn)的基本單元。各電解槽的工作電壓在3.6V-4.1V時，能進行正常的電解鋁生產(chǎn)。所以，直接使用大規(guī)模風電為高耗能產(chǎn)業(yè)中的食鹽水電解槽提供工作電源也是一種極佳選擇。
綜上所述，凡是使用大功率或特大功率直流電進行生產(chǎn)的且允許電壓可在一定范圍內(nèi)波動而不影響產(chǎn)品質量的高耗能產(chǎn)業(yè)，均可直接就近使用大規(guī)模風電作主要工作電源，因這些產(chǎn)業(yè)使用直流電壓供電，無相位差和頻率差等問題，加之電壓變化對生產(chǎn)的影響主要是產(chǎn)量而不是質量，所以能使用大規(guī)模風電給這些產(chǎn)業(yè)供電。
本發(fā)明的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電方法，是以大功率風力發(fā)電機發(fā)出的風電為主、以電網(wǎng)提供的市電為輔分別經(jīng)調(diào)壓整流成適當電壓的直流電共同為食鹽水電解槽或電解鋁電解槽等高耗能產(chǎn)業(yè)供電。
本發(fā)明的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電裝置，主要由兩套調(diào)壓整流器組成，所述兩套調(diào)壓整流器的輸入端分別與風電和市電連接，兩套調(diào)壓整流器的輸出端均與電解槽的兩個電極連接。
上述調(diào)壓整流器包括風電調(diào)壓器，風電整流器，市電調(diào)壓器，市電整流器，其中，風電調(diào)壓器的輸入端與風力發(fā)電機輸出電源連接，風電調(diào)壓器的輸出端與風電整流器的輸入端連接，風電整流器的輸出端與電解槽兩個電極連接，市電調(diào)壓器的輸入端與市電電源連接，市電調(diào)壓器的輸出端與市電整流器的輸入端連接，市電整流器的輸出端也與電解槽的兩個電極連接。
本發(fā)明的供電方式與目前的供電方式的不同之處主要在于將大規(guī)模風電的負荷由市電電網(wǎng)改為高耗能產(chǎn)業(yè)，即將風電與市電并網(wǎng)的運行方式改為非并網(wǎng)的運行方式，克服了人們對大規(guī)模風電的使用主要靠與市電并網(wǎng)后再輸送給用戶使用的偏見，尋找出能直接使用大規(guī)模風電的高耗能產(chǎn)業(yè)，大規(guī)模風電的這種非并網(wǎng)運行方式主要有以下優(yōu)勢(1)非并網(wǎng)風電，可以簡化風電并網(wǎng)運行所需的大量輔助設備，大幅度降低風電場的制造成本和規(guī)模；(2)在風電的非并網(wǎng)應用中，風電經(jīng)過簡單處理就可以直接應用于某些特定產(chǎn)業(yè)，變成工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，這樣企業(yè)就能享受到低廉的風電價格，極大地節(jié)約成本，形成產(chǎn)品的強大競爭力，如風電場作為大型企業(yè)的自備電廠，企業(yè)也可免去相應的稅收；(3)風電的非并網(wǎng)直接應用，減輕了風電并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的不良影響；(4)風電直接用于電解等特殊產(chǎn)業(yè)，所要求的工作電壓是直流電壓，對電流無頻率高低要求，因而可以減化風力發(fā)電機的增速齒輪箱等結構，轉子的轉速也可隨風速而改變且不影響整流后的直流輸出，減少的傳動環(huán)節(jié)可提高約8％的輸出功率。還可突破風能利用禁區(qū)，在高于額定風速(如大于12m/s)工作時，還可獲得更大的輸出功率。(5)風力發(fā)電機的結構簡化和甩掉變速恒頻等系統(tǒng)，非常有利于國產(chǎn)化制造，降低成本和大批量生產(chǎn)使用。所以，本發(fā)明提出的以風電為主市電為輔的共同為高耗能產(chǎn)業(yè)供電的方法切實可行，并提供了一種結構簡單合理的盡量少用市電而多用風電的供電裝置，能巧妙有效地避開風電與市電并網(wǎng)供電的不足之處，可以為市電電網(wǎng)減輕了沉重的負擔，又為大規(guī)模風電尋找到合適的用電大戶，能為迅速發(fā)展大規(guī)模風電提供市場，還為高耗能產(chǎn)業(yè)提供了清潔廉價并可再生的能源，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
本發(fā)明將通過下述實施例作進一步的非限制性的說明和解釋。


附圖1是本發(fā)明的以風電為主市電為輔共同為氯堿化工的食鹽水電解槽供電的模擬實驗的結構示意圖；附圖2是本發(fā)明的以風電為主市電為輔共同為電解鋁的電解槽供電的模擬實驗的結構示意圖。
具體實施例方式
參見附圖1，圖中的1是風電調(diào)壓器，2是風電整流器，3是氯堿化工中食鹽水電解槽，4是市電調(diào)壓器，5是市電整流器，A是電流表，V是電壓表，所述風電調(diào)壓器1的輸入端與風力發(fā)電機輸出電源連接，風電調(diào)壓器1的輸出端與風電整流器2的輸入端連接，風電整流器2的輸出端與電解槽3的兩個電極連接，市電調(diào)壓器4的輸入端與市電電源連接，市電調(diào)壓器4的輸出端與市電整流器5的輸入端連接，市電整流器5的輸出端也與電解槽3的兩個電極連接。雖然兩路電源均與負載連接，但因是整流后都是直流電壓，且都有整流二極管接在其中，使電流只能正向流動而反向截止，調(diào)整時可將市電整流器輸出電壓調(diào)整到比風電整流器輸出電壓低0.2V左右，正常工作時，因風電整流器輸出電壓比市電整流器輸出電壓高，使市電整流器5反向截止不用電網(wǎng)市電而只用風電；只有當風電整流器輸出電壓低于市電整流器輸出電壓后就能自動使用電網(wǎng)市電補充供電或繼續(xù)供電，自動實現(xiàn)了以風電為主市電為輔的供電方式。圖2只是將圖1中的氯堿化工中的食鹽水電解槽3換成電解鋁的電解槽6，其它均與圖1相同。在多個電解槽并聯(lián)使用時，可增加工作電流，如多個電解槽串聯(lián)使用時，可提高工作電壓。將上述的電解槽改為電鍍槽即可進行電鍍生產(chǎn)。本發(fā)明主要適合電解、電鍍等需要使用大功率或特大功率直流電進行生產(chǎn)的且允許電壓可在一定范圍內(nèi)波動而不影響產(chǎn)品質量的高耗能產(chǎn)業(yè)使用。本發(fā)明可以為市電電網(wǎng)減輕了沉重的負擔，又為大規(guī)模風電尋找到合適的高耗能產(chǎn)業(yè)，能為迅速發(fā)展大規(guī)模風電提供市場，還為發(fā)展高耗能產(chǎn)業(yè)提供了清潔廉價的可再生能源。具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電方法，其特征在于以大功率風力發(fā)電機發(fā)出的風電為主、以電網(wǎng)提供的市電為輔分別經(jīng)調(diào)壓整流成適當電壓的直流電共同為電解電鍍等高耗能產(chǎn)業(yè)供電。
2.為實現(xiàn)權利要求1所述供電方法的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電裝置，其特征在于由兩套調(diào)壓整流器組成，所述兩套調(diào)壓整流器的輸入端分別與風電和市電連接，兩套調(diào)壓整流器的輸出端均與電解槽的兩個電極連接。
3.如權利要求2所述的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電裝置，其特征在于所述調(diào)壓整流器包括風電調(diào)壓器，風電整流器，市電調(diào)壓器，市電整流器，其中，風電調(diào)壓器的輸入端與風力發(fā)電機輸出電源連接，風電調(diào)壓器的輸出端與風電整流器的輸入端連接，風電整流器的輸出端與電解槽兩個電極連接，市電調(diào)壓器的輸入端與市電電源連接，市電調(diào)壓器的輸出端與市電整流器的輸入端連接，市電整流器的輸出端也與電解槽的兩個電極連接。
全文摘要
本發(fā)明的高耗能產(chǎn)業(yè)的非并網(wǎng)風力供電方法，主要是以大功率風力發(fā)電機發(fā)出的風電為主、以電網(wǎng)提供的市電為輔分別經(jīng)調(diào)壓整流成適當電壓的直流電共同為電解或電鍍等高耗能產(chǎn)業(yè)供電。其裝置主要由兩套調(diào)壓整流器組成，所述兩套調(diào)壓整流器的輸入端分別與風電和市電連接，兩套調(diào)壓整流器的輸出端均與電解槽或電鍍槽的兩個電極連接。該方法克服了人們對大規(guī)模風電的使用主要采取與市電并網(wǎng)后再輸送給用戶使用的偏見，巧妙的避開了風電與市電并網(wǎng)供電的不足之處，既為市電電網(wǎng)減輕了沉重的負擔，又為大規(guī)模風電尋找到合適的高耗能產(chǎn)業(yè)，能為迅速發(fā)展大規(guī)模風電提供市場，還為發(fā)展高耗能產(chǎn)業(yè)提供了清潔廉價的可再生能源。具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
文檔編號H02M7/00GK101024884SQ20071001922
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月8日 優(yōu)先權日2007年1月8日
發(fā)明者顧為東 申請人:顧為東