高耗能產業的非併網風力供電方法及其裝置的製作方法

2023-05-01 06:52:46 1

專利名稱：高耗能產業的非併網風力供電方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種為高耗能產業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，屬於供電或配電領域。
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，將風能轉變為電能的風力發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電機的技術和設備已基本成熟，目前對大規模風電的使用主要靠與市電併網後再輸送給用戶使用，因風速波動太大等原因會使風電頻率等參數變化很大，即使採取包括降低發電效率等各種措施，但由於技術條件的限制以及電網穩定性的要求，風電在電網中所佔比重往往限制在5％之內。能夠與市電併網的風電必須做到其頻率、相位和電壓均應與市電相同，同時還要將發電機在併網瞬間對電網的衝擊電流值限制在規定的範圍內(一般為1.5倍額定電流以下)，使之得到一個較為平滑的併網暫態過程才能併網。但風電由於完全受風速控制而不同於常規電源，其主要表現在以下幾方面(一)風速是波動且隨機變化的，因此風電機組發出的電能也是波動的。儘管這種波動可以控制或者可以預測，但是目前來講，多數是不可控的或者控制效果是極其微弱的。這便增加了電網調度人員調度的不確定性和複雜性。
(二)風電機組中的發電機形式多樣，可以是異步發電機、同步發電機或是雙饋感應發電機。因此，無功功率特性複雜，這便帶來了電網電壓的偏差問題，這就需要電網設計時應考慮無功補償和輸出電壓自動調正系統，從而減少對電網的影響。
(三)風力發電的技術特點與常規發電不匹配，現有的電力系統運行規範不適用，需要針對風電特性進行改進和補充。
(四)風力發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，也遠離常規電廠，這是目前國內風電場建設中的一個普遍現象。風能資源豐富的地區往往遠離主要的電力需求區域，這就給傳輸風電帶來了困難，意味著需要對現有電網結構或框架進行改造和變動，如擴建電網等，而這不僅僅是替換一些設備就可以實現的。在世界各地，電網擴建是一個大問題，一方面它導致了風電成本的升高，另一方面大範圍的傳輸系統改造也會延遲風電的上網和使用。例如英國北部風能資源豐富地區的許多風電項目，從投產到真正聯網發電，這期間電網的更新往往需要十年的時間。
因而，風電與市電併網，會對市電電網產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的影響從對電網的影響角度看，風力發電第一個特點就是出力變動大，且呈不規則變動性狀，不易預測。由風力發電機組的輸出功率表示式可知，風力發電機組的輸出功率與風力發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成正比。風力發電機組的機型確定後，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，因此風力發電機組輸出功率變化大主要是由於風速變化而引起的。根據美國風電場的運行經驗，即使由數十颱風電機組成的風電場，通常在1分鐘內最大輸出功率變動也達40％左右。
(二)風力發電對電網的無功功率影響在直流電路裡，電壓乘電流就是有功功率。但在交流電路裡，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)將小於視在功率。
(三)風電對併網潮流分布的影響由於風力發電不可控的間斷性，不論以何種方式接入，對地區電網的潮流分布影響是明顯的。以高電壓等級併網，潮流分布影響較小，但不能實現電力電量的就近消化。
(四)風力發電的諧波對電網的影響「諧波汙染」已經成為電網內三大公害之一。理想的發電機，其電動勢可以認為是純正弦的，即不含高次諧波，由於風電的特殊性導致諧波對所並電網的危害較大。諧波對線路的主要危害是引起附加損耗。諧波可引起系統的電感、電容發生諧振，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十倍，電網諧振引起設備過電壓，產生諧波過流，對設備造成危害。當諧波引起系統諧振時，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，損壞系統設備(如電力電容器、電纜、電動機等)，引發系統事故，威脅電力系統的安全運行。諧波還幹擾通信設備，增加電力系統的功率損耗(如線損)，使無功補償設備不能正常運行等，給系統和用戶帶來危害。
(五)風電併網對系統的衝擊風電接入系統後不僅影響電網的潮流分布，而且由於發電機內部電感雙磁鏈不能突變導致異步發電機在併網時會產生衝擊電流，其大小與發電機的暫態電抗併網時電壓的高低以及併網時的滑差大小有關，滑差越大則交流暫態衰減時間就越長，併網時衝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電對PCC點的影響主要由穩態電壓波動、電壓閃變、諧波電壓不平衡、瞬態電壓跌落或凹陷等，從目前一些地區運行經驗看，大量引入風電產生的聯網問題主要是薄弱系統的電壓問題，其次是閃變和諧波問題。
以上分析可知，由於技術條件的限制以及電網穩定性的要求，風電在電網所佔比重往往限制在5％之內，大規模風電場已因併網制約而使發展受限，這就迫切需要為其尋找更適合使用大規模風電的有效途徑，才能進一步促進風電事業的迅速發展。否則就會使大規模風電場的發展受到影響。
另一方面，高耗能產業如氯鹼工業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提供，使電網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4×20萬噸氯鹼基地的用電量按照目前國內常用的離子膜法制鹼工藝和生產水平，每生產一噸氫氧化鈉約耗電2500千瓦時，可得年產4×20萬噸氯鹼基地的用電量為4×20萬噸×2500千瓦時/噸＝20億千瓦時。
再如一個年產4×20萬噸電解鋁有色金屬基地的用電量按照目前國內電解鋁的生產水平，每生產一噸鋁的直接耗電15000千瓦時，年產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，高耗能產業的耗電量實在厲害，而我國的電力供應不足，在要求各行各業節約用電的情況下，還要在用電高峰經常拉閘停電。

發明內容
本發明的主要目的是要克服人們對大規模風電的使用主要靠與市電併網後再輸送給用戶使用的偏見，避開風電與市電併網供電的不足之處，尋找出能直接使用大規模風電的高耗能產業，為迅速發展風電提供市場，又要為市電減輕高耗能負擔而提供一種設計簡單合理、能產生巨大的經濟效益和社會效益的切實可行的高耗能產業的非併網風力供電方法。
本發明的另一個目的是為了實現上述方法而設計的高耗能產業的非併網風力供電裝置。
經過多年研究，發現氯鹼工業和電解鋁、電解銅等產業中必須使用的電解槽才是真正的高耗能項目，如電解食鹽水的制鹼、氯氣和氫氣的電解槽，目前工業生產上離子膜電解的槽電壓一般是3.2-3.8V直流電，由於離子膜工藝技術的不斷改進，電解槽管理的不斷完善，能迅速適應一定範圍內電負荷改變的需要或電流的變化，例如調研的一家氯鹼企業的電解槽用Nafion NX-90209膜經過20個月的試驗，以一天為循環周期，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定在96％以上。經過多年的實踐，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，直接使用大規模風電為高耗能產業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或並聯起來構成一個電解槽系列，它是鋁生產的基本單元。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。所以，直接使用大規模風電為高耗能產業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的且允許電壓可在一定範圍內波動而不影響產品質量的高耗能產業，均可直接就近使用大規模風電作主要工作電源，因這些產業使用直流電壓供電，無相位差和頻率差等問題，加之電壓變化對生產的影響主要是產量而不是質量，所以能使用大規模風電給這些產業供電。
本發明的高耗能產業的非併網風力供電方法，是以大功率風力發電機發出的風電為主、以電網提供的市電為輔分別經調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業供電。
本發明的高耗能產業的非併網風力供電裝置，主要由兩套調壓整流器組成，所述兩套調壓整流器的輸入端分別與風電和市電連接，兩套調壓整流器的輸出端均與電解槽的兩個電極連接。
上述調壓整流器包括風電調壓器，風電整流器，市電調壓器，市電整流器，其中，風電調壓器的輸入端與風力發電機輸出電源連接，風電調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，市電調壓器的輸入端與市電電源連接，市電調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。
本發明的供電方式與目前的供電方式的不同之處主要在於將大規模風電的負荷由市電電網改為高耗能產業，即將風電與市電併網的運行方式改為非併網的運行方式，克服了人們對大規模風電的使用主要靠與市電併網後再輸送給用戶使用的偏見，尋找出能直接使用大規模風電的高耗能產業，大規模風電的這種非併網運行方式主要有以下優勢(1)非併網風電，可以簡化風電併網運行所需的大量輔助設備，大幅度降低風電場的製造成本和規模；(2)在風電的非併網應用中，風電經過簡單處理就可以直接應用於某些特定產業，變成工業生產的重要原料，這樣企業就能享受到低廉的風電價格，極大地節約成本，形成產品的強大競爭力，如風電場作為大型企業的自備電廠，企業也可免去相應的稅收；(3)風電的非併網直接應用，減輕了風電併網對電網系統的不良影響；(4)風電直接用於電解等特殊產業，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後的直流輸出，減少的傳動環節可提高約8％的輸出功率。還可突破風能利用禁區，在高於額定風速(如大於12m/s)工作時，還可獲得更大的輸出功率。(5)風力發電機的結構簡化和甩掉變速恆頻等系統，非常有利於國產化製造，降低成本和大批量生產使用。所以，本發明提出的以風電為主市電為輔的共同為高耗能產業供電的方法切實可行，並提供了一種結構簡單合理的儘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併網供電的不足之處，可以為市電電網減輕了沉重的負擔，又為大規模風電尋找到合適的用電大戶，能為迅速發展大規模風電提供市場，還為高耗能產業提供了清潔廉價並可再生的能源，具有巨大的經濟效益和社會效益。
本發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是本發明的以風電為主市電為輔共同為氯鹼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是風電調壓器，2是風電整流器，3是氯鹼化工中食鹽水電解槽，4是市電調壓器，5是市電整流器，A是電流表，V是電壓表，所述風電調壓器1的輸入端與風力發電機輸出電源連接，風電調壓器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，市電調壓器4的輸入端與市電電源連接，市電調壓器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，但因是整流後都是直流電壓，且都有整流二極體接在其中，使電流只能正向流動而反向截止，調整時可將市電整流器輸出電壓調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反向截止不用電網市電而只用風電；只有當風電整流器輸出電壓低於市電整流器輸出電壓後就能自動使用電網市電補充供電或繼續供電，自動實現了以風電為主市電為輔的供電方式。圖2隻是將圖1中的氯鹼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。在多個電解槽並聯使用時，可增加工作電流，如多個電解槽串聯使用時，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。本發明主要適合電解、電鍍等需要使用大功率或特大功率直流電進行生產的且允許電壓可在一定範圍內波動而不影響產品質量的高耗能產業使用。本發明可以為市電電網減輕了沉重的負擔，又為大規模風電尋找到合適的高耗能產業，能為迅速發展大規模風電提供市場，還為發展高耗能產業提供了清潔廉價的可再生能源。具有巨大的經濟效益和社會效益。
權利要求
1.一種高耗能產業的非併網風力供電方法，其特徵在於以大功率風力發電機發出的風電為主、以電網提供的市電為輔分別經調壓整流成適當電壓的直流電共同為電解電鍍等高耗能產業供電。
2.為實現權利要求1所述供電方法的高耗能產業的非併網風力供電裝置，其特徵在於由兩套調壓整流器組成，所述兩套調壓整流器的輸入端分別與風電和市電連接，兩套調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所述的高耗能產業的非併網風力供電裝置，其特徵在於所述調壓整流器包括風電調壓器，風電整流器，市電調壓器，市電整流器，其中，風電調壓器的輸入端與風力發電機輸出電源連接，風電調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，市電調壓器的輸入端與市電電源連接，市電調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
本發明的高耗能產業的非併網風力供電方法，主要是以大功率風力發電機發出的風電為主、以電網提供的市電為輔分別經調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業供電。其裝置主要由兩套調壓整流器組成，所述兩套調壓整流器的輸入端分別與風電和市電連接，兩套調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模風電的使用主要採取與市電併網後再輸送給用戶使用的偏見，巧妙的避開了風電與市電併網供電的不足之處，既為市電電網減輕了沉重的負擔，又為大規模風電尋找到合適的高耗能產業，能為迅速發展大規模風電提供市場，還為發展高耗能產業提供了清潔廉價的可再生能源。具有巨大的經濟效益和社會效益。
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 優先權日2007年1月8日
發明者顧為東 申請人:顧為東