专利名称：高耗能产业的非并网风力供电方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种为高耗能产业提供一种直接使用风电或风电与市电相结合的供电方法和供电装置，属于供电或配电领域。
背景技术：
风能是人类最早利用的最廉价、最方便、最清洁的一种可再生的绿色能源，将风能转变为电能的风力发电已越来越受到世界各国的重视，在风力资源丰富的风场安装大功率风力发电机的技术和设备已基本成熟，目前对大规模风电的使用主要靠与市电并网后再输送给用户使用，因风速波动太大等原因会使风电频率等参数变化很大，即使采取包括降低发电效率等各种措施，但由于技术条件的限制以及电网稳定性的要求，风电在电网中所占比重往往限制在5％之内。能够与市电并网的风电必须做到其频率、相位和电压均应与市电相同，同时还要将发电机在并网瞬间对电网的冲击电流值限制在规定的范围内(一般为1.5倍额定电流以下)，使之得到一个较为平滑的并网暂态过程才能并网。但风电由于完全受风速控制而不同于常规电源，其主要表现在以下几方面(一)风速是波动且随机变化的，因此风电机组发出的电能也是波动的。尽管这种波动可以控制或者可以预测，但是目前来讲，多数是不可控的或者控制效果是极其微弱的。这便增加了电网调度人员调度的不确定性和复杂性。
(二)风电机组中的发电机形式多样，可以是异步发电机、同步发电机或是双馈感应发电机。因此，无功功率特性复杂，这便带来了电网电压的偏差问题，这就需要电网设计时应考虑无功补偿和输出电压自动调正系统，从而减少对电网的影响。
(三)风力发电的技术特点与常规发电不匹配，现有的电力系统运行规范不适用，需要针对风电特性进行改进和补充。
(四)风力发电技术因其不同特性，因此要求随着风力机技术的特点，制定相应的规定和管制条例。
(五)风电场位置一般远离负荷中心，也远离常规电厂，这是目前国内风电场建设中的一个普遍现象。风能资源丰富的地区往往远离主要的电力需求区域，这就给传输风电带来了困难，意味着需要对现有电网结构或框架进行改造和变动，如扩建电网等，而这不仅仅是替换一些设备就可以实现的。在世界各地，电网扩建是一个大问题，一方面它导致了风电成本的升高，另一方面大范围的传输系统改造也会延迟风电的上网和使用。例如英国北部风能资源丰富地区的许多风电项目，从投产到真正联网发电，这期间电网的更新往往需要十年的时间。
因而，风电与市电并网，会对市电电网产生比较大的负面影响，这些影响主要有(一)风电输出功率的大幅变动对电网的影响从对电网的影响角度看，风力发电第一个特点就是出力变动大，且呈不规则变动性状，不易预测。由风力发电机组的输出功率表示式可知，风力发电机组的输出功率与风力发电机组风叶扫风面积成正比，与空气密度成正比，与风速的三次方函数成正比。风力发电机组的机型确定后，其风叶扫风面积是不变的，在固定的地域空气密度变化不大，惟独风速变化相当大且是随机性的，因此风力发电机组输出功率变化大主要是由于风速变化而引起的。根据美国风电场的运行经验，即使由数十台风电机组成的风电场，通常在1分钟内最大输出功率变动也达40％左右。
(二)风力发电对电网的无功功率影响在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率(即有功功率)将小于视在功率。
(三)风电对并网潮流分布的影响由于风力发电不可控的间断性，不论以何种方式接入，对地区电网的潮流分布影响是明显的。以高电压等级并网，潮流分布影响较小，但不能实现电力电量的就近消化。
(四)风力发电的谐波对电网的影响“谐波污染”已经成为电网内三大公害之一。理想的发电机，其电动势可以认为是纯正弦的，即不含高次谐波，由于风电的特殊性导致谐波对所并电网的危害较大。谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。谐波可引起系统的电感、电容发生谐振，使谐波放大，如在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，对设备造成危害。当谐波引起系统谐振时，谐波电压升高，谐波电流增大，引起继电保护及安全自动装置误动，损坏系统设备(如电力电容器、电缆、电动机等)，引发系统事故，威胁电力系统的安全运行。谐波还干扰通信设备，增加电力系统的功率损耗(如线损)，使无功补偿设备不能正常运行等，给系统和用户带来危害。
(五)风电并网对系统的冲击风电接入系统后不仅影响电网的潮流分布，而且由于发电机内部电感双磁链不能突变导致异步发电机在并网时会产生冲击电流，其大小与发电机的暂态电抗并网时电压的高低以及并网时的滑差大小有关，滑差越大则交流暂态衰减时间就越长，并网时冲击电流有效值也就越大。
(六)对公共连接点(PCC点)电能质量的影响风力发电对PCC点的影响主要由稳态电压波动、电压闪变、谐波电压不平衡、瞬态电压跌落或凹陷等，从目前一些地区运行经验看，大量引入风电产生的联网问题主要是薄弱系统的电压问题，其次是闪变和谐波问题。
以上分析可知，由于技术条件的限制以及电网稳定性的要求，风电在电网所占比重往往限制在5％之内，大规模风电场已因并网制约而使发展受限，这就迫切需要为其寻找更适合使用大规模风电的有效途径，才能进一步促进风电事业的迅速发展。否则就会使大规模风电场的发展受到影响。
另一方面，高耗能产业如氯碱工业的电解食盐水和电解铝、电解铜等金属冶炼过程中都需要消耗大量的电能，而这些电能目前还由电网提供，使电网在供电不足的情况下还无法减轻这种沉重负担。
例如一个年产4×20万吨氯碱基地的用电量按照目前国内常用的离子膜法制碱工艺和生产水平，每生产一吨氢氧化钠约耗电2500千瓦时，可得年产4×20万吨氯碱基地的用电量为4×20万吨×2500千瓦时/吨＝20亿千瓦时。
再如一个年产4×20万吨电解铝有色金属基地的用电量按照目前国内电解铝的生产水平，每生产一吨铝的直接耗电15000千瓦时，年产4×20万吨电解铝有色金属基地的用电量为4×20万吨×15000千瓦时/吨＝120亿千瓦时。
由上可见，高耗能产业的耗电量实在厉害，而我国的电力供应不足，在要求各行各业节约用电的情况下，还要在用电高峰经常拉闸停电。
发明内容
本发明的主要目的是要克服人们对大规模风电的使用主要靠与市电并网后再输送给用户使用的偏见，避开风电与市电并网供电的不足之处，寻找出能直接使用大规模风电的高耗能产业，为迅速发展风电提供市场，又要为市电减轻高耗能负担而提供一种设计简单合理、能产生巨大的经济效益和社会效益的切实可行的高耗能产业的非并网风力供电方法。
本发明的另一个目的是为了实现上述方法而设计的高耗能产业的非并网风力供电装置。
经过多年研究，发现氯碱工业和电解铝、电解铜等产业中必须使用的电解槽才是真正的高耗能项目，如电解食盐水的制碱、氯气和氢气的电解槽，目前工业生产上离子膜电解的槽电压一般是3.2-3.8V直流电，由于离子膜工艺技术的不断改进，电解槽管理的不断完善，能迅速适应一定范围内电负荷改变的需要或电流的变化，例如调研的一家氯碱企业的电解槽用Nafion NX-90209膜经过20个月的试验，以一天为循环周期，白天(8:00～22:00时)在1.9kA/m2下操作，夜间(22:00～8:00时)在3～3.5kA/m2运行，其阴极电流效率能稳定在96％以上。经过多年的实践，电解槽运行电流密度在1.5～4.0kA/m2波动下对电流效率影响不大。所以，直接使用大规模风电为高耗能产业中的食盐水电解槽提供工作电源是一种极佳选择。
电解铝的主要生产过程也是在电解槽中完成的，每个铝厂都是很多电解槽串联或并联起来构成一个电解槽系列，它是铝生产的基本单元。各电解槽的工作电压在3.6V-4.1V时，能进行正常的电解铝生产。所以，直接使用大规模风电为高耗能产业中的食盐水电解槽提供工作电源也是一种极佳选择。
综上所述，凡是使用大功率或特大功率直流电进行生产的且允许电压可在一定范围内波动而不影响产品质量的高耗能产业，均可直接就近使用大规模风电作主要工作电源，因这些产业使用直流电压供电，无相位差和频率差等问题，加之电压变化对生产的影响主要是产量而不是质量，所以能使用大规模风电给这些产业供电。
本发明的高耗能产业的非并网风力供电方法，是以大功率风力发电机发出的风电为主、以电网提供的市电为辅分别经调压整流成适当电压的直流电共同为食盐水电解槽或电解铝电解槽等高耗能产业供电。
本发明的高耗能产业的非并网风力供电装置，主要由两套调压整流器组成，所述两套调压整流器的输入端分别与风电和市电连接，两套调压整流器的输出端均与电解槽的两个电极连接。
上述调压整流器包括风电调压器，风电整流器，市电调压器，市电整流器，其中，风电调压器的输入端与风力发电机输出电源连接，风电调压器的输出端与风电整流器的输入端连接，风电整流器的输出端与电解槽两个电极连接，市电调压器的输入端与市电电源连接，市电调压器的输出端与市电整流器的输入端连接，市电整流器的输出端也与电解槽的两个电极连接。
本发明的供电方式与目前的供电方式的不同之处主要在于将大规模风电的负荷由市电电网改为高耗能产业，即将风电与市电并网的运行方式改为非并网的运行方式，克服了人们对大规模风电的使用主要靠与市电并网后再输送给用户使用的偏见，寻找出能直接使用大规模风电的高耗能产业，大规模风电的这种非并网运行方式主要有以下优势(1)非并网风电，可以简化风电并网运行所需的大量辅助设备，大幅度降低风电场的制造成本和规模；(2)在风电的非并网应用中，风电经过简单处理就可以直接应用于某些特定产业，变成工业生产的重要原料，这样企业就能享受到低廉的风电价格，极大地节约成本，形成产品的强大竞争力，如风电场作为大型企业的自备电厂，企业也可免去相应的税收；(3)风电的非并网直接应用，减轻了风电并网对电网系统的不良影响；(4)风电直接用于电解等特殊产业，所要求的工作电压是直流电压，对电流无频率高低要求，因而可以减化风力发电机的增速齿轮箱等结构，转子的转速也可随风速而改变且不影响整流后的直流输出，减少的传动环节可提高约8％的输出功率。还可突破风能利用禁区，在高于额定风速(如大于12m/s)工作时，还可获得更大的输出功率。(5)风力发电机的结构简化和甩掉变速恒频等系统，非常有利于国产化制造，降低成本和大批量生产使用。所以，本发明提出的以风电为主市电为辅的共同为高耗能产业供电的方法切实可行，并提供了一种结构简单合理的尽量少用市电而多用风电的供电装置，能巧妙有效地避开风电与市电并网供电的不足之处，可以为市电电网减轻了沉重的负担，又为大规模风电寻找到合适的用电大户，能为迅速发展大规模风电提供市场，还为高耗能产业提供了清洁廉价并可再生的能源，具有巨大的经济效益和社会效益。
本发明将通过下述实施例作进一步的非限制性的说明和解释。
附图1是本发明的以风电为主市电为辅共同为氯碱化工的食盐水电解槽供电的模拟实验的结构示意图；附图2是本发明的以风电为主市电为辅共同为电解铝的电解槽供电的模拟实验的结构示意图。
具体实施例方式
参见附图1，图中的1是风电调压器，2是风电整流器，3是氯碱化工中食盐水电解槽，4是市电调压器，5是市电整流器，A是电流表，V是电压表，所述风电调压器1的输入端与风力发电机输出电源连接，风电调压器1的输出端与风电整流器2的输入端连接，风电整流器2的输出端与电解槽3的两个电极连接，市电调压器4的输入端与市电电源连接，市电调压器4的输出端与市电整流器5的输入端连接，市电整流器5的输出端也与电解槽3的两个电极连接。虽然两路电源均与负载连接，但因是整流后都是直流电压，且都有整流二极管接在其中，使电流只能正向流动而反向截止，调整时可将市电整流器输出电压调整到比风电整流器输出电压低0.2V左右，正常工作时，因风电整流器输出电压比市电整流器输出电压高，使市电整流器5反向截止不用电网市电而只用风电；只有当风电整流器输出电压低于市电整流器输出电压后就能自动使用电网市电补充供电或继续供电，自动实现了以风电为主市电为辅的供电方式。图2只是将图1中的氯碱化工中的食盐水电解槽3换成电解铝的电解槽6，其它均与图1相同。在多个电解槽并联使用时，可增加工作电流，如多个电解槽串联使用时，可提高工作电压。将上述的电解槽改为电镀槽即可进行电镀生产。本发明主要适合电解、电镀等需要使用大功率或特大功率直流电进行生产的且允许电压可在一定范围内波动而不影响产品质量的高耗能产业使用。本发明可以为市电电网减轻了沉重的负担，又为大规模风电寻找到合适的高耗能产业，能为迅速发展大规模风电提供市场，还为发展高耗能产业提供了清洁廉价的可再生能源。具有巨大的经济效益和社会效益。
权利要求
1.一种高耗能产业的非并网风力供电方法，其特征在于以大功率风力发电机发出的风电为主、以电网提供的市电为辅分别经调压整流成适当电压的直流电共同为电解电镀等高耗能产业供电。
2.为实现权利要求1所述供电方法的高耗能产业的非并网风力供电装置，其特征在于由两套调压整流器组成，所述两套调压整流器的输入端分别与风电和市电连接，两套调压整流器的输出端均与电解槽的两个电极连接。
3.如权利要求2所述的高耗能产业的非并网风力供电装置，其特征在于所述调压整流器包括风电调压器，风电整流器，市电调压器，市电整流器，其中，风电调压器的输入端与风力发电机输出电源连接，风电调压器的输出端与风电整流器的输入端连接，风电整流器的输出端与电解槽两个电极连接，市电调压器的输入端与市电电源连接，市电调压器的输出端与市电整流器的输入端连接，市电整流器的输出端也与电解槽的两个电极连接。
全文摘要
本发明的高耗能产业的非并网风力供电方法，主要是以大功率风力发电机发出的风电为主、以电网提供的市电为辅分别经调压整流成适当电压的直流电共同为电解或电镀等高耗能产业供电。其装置主要由两套调压整流器组成，所述两套调压整流器的输入端分别与风电和市电连接，两套调压整流器的输出端均与电解槽或电镀槽的两个电极连接。该方法克服了人们对大规模风电的使用主要采取与市电并网后再输送给用户使用的偏见，巧妙的避开了风电与市电并网供电的不足之处，既为市电电网减轻了沉重的负担，又为大规模风电寻找到合适的高耗能产业，能为迅速发展大规模风电提供市场，还为发展高耗能产业提供了清洁廉价的可再生能源。具有巨大的经济效益和社会效益。
文档编号H02M7/00GK101024884SQ20071001922
公开日2007年8月29日 申请日期2007年1月8日 优先权日2007年1月8日
发明者顾为东 申请人:顾为东