风力发电设备技术及产业

第3章风能、风力发电与控制技术1机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术第3章风能、风力发电与控制技术2机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术3机械工业出版社本章主要内容3.1风的特性及风能利用3.2风力发电机组及工作原理3.3风力发电机组的控制策略3.4风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5风力发电的经济技术性评价第3章风能、风力发电与控制技术4机械工业出版社绪论在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。第3章风能、风力发电与控制技术5机械工业出版社感性认识：各式风机第3章风能、风力发电与控制技术6机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术7机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术8机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术9机械工业出版社3.1风的特性及风能利用3.1.1风的产生风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1地球上风的运动第3章风能、风力发电与控制技术10机械工业出版社3.1.2风的特性与风能1、随机性2、风随高度的变化而变化不同高度风速的表达式：khhvv00式中ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。第3章风能、风力发电与控制技术11机械工业出版社3.1.3风的表示及应用1、风向东西北南南南风南东东南东北北东东北东北东西北西北北西北西南南西西南西南西SSEESEESENNEENENESNNNWNWWN个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图图3-2风向方位图第3章风能、风力发电与控制技术12机械工业出版社2、风速由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。3、风力风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。505.1N824.01.0N风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平均风速(m/s)；N——风的级数。第3章风能、风力发电与控制技术13机械工业出版社4、风能（1）风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：35.0E（2）风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。表达式为：SvESW35.0（3）风能利用，风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。第3章风能、风力发电与控制技术14机械工业出版社风能风力机风帆机械泵发电机发热装置水空气油直流电交流电整流抽水蓄能压缩空气液压电动机电解制氢蓄电池电网热能涡轮机机械负载涡轮机逆变发电机供暖、供热水灌溉交、直流电能负荷助航风能转换及应用情况如图所示。图3-5风能转换与应用情况第3章风能、风力发电与控制技术15机械工业出版社3.2风力发电机组及工作原理3.2.1风力发电机组的结构及分类1、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。第3章风能、风力发电与控制技术16机械工业出版社按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按运行方式水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）独立运行和并网运行第3章风能、风力发电与控制技术17机械工业出版社2、风力发电机组的结构风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。第3章风能、风力发电与控制技术18机械工业出版社（1）独立运行的风力发电机组发电机尾舵充电控制器畜电池组逆变器电缆风轮支架水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结构第3章风能、风力发电与控制技术19机械工业出版社并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示风轮增速器交流发电机主继电器主开关变压器转速测量晶闸管熔断器定桨距或变桨距风速测量控制系统功率测量电容补偿电网（2）并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图第3章风能、风力发电与控制技术20机械工业出版社并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。（3）大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的基本结构第3章风能、风力发电与控制技术21机械工业出版社3.2.2风力机风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：a.荷兰式b.农庄式c.自行车式d.桨叶式a)c)b)d)图3-9水平轴风力机第3章风能、风力发电与控制技术22机械工业出版社2、垂直轴风力机：a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式a)b)c)图-10垂直轴风力机第3章风能、风力发电与控制技术23机械工业出版社水平轴垂直轴第3章风能、风力发电与控制技术24机械工业出版社3.2.3风力机的气动原理风轮旋转平面空气总动力F叶片弦线安装角风速v叶片线速度u=ωr相对风速vw相对风向角迎角FLDCFDOAB风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。图3-11风力机的叶片翼型及受力第3章风能、风力发电与控制技术25机械工业出版社现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量ν吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力F，力F可以分解为与相对风速方向平行的阻力FD和垂直于风向的升力FL，升力使风力机旋转，实现能量的转换。第3章风能、风力发电与控制技术26机械工业出版社风力机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：3Pa21vACP第3章风能、风力发电与控制技术27机械工业出版社对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比λm，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比λm不变。在桨距角一定时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所示。CpCpm0λλm图3-13风力机的利用系数与叶尖速比的关系第3章风能、风力发电与控制技术28机械工业出版社3.2.4风力发电机在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。第3章风能、风力发电与控制技术29机械工业出版社1、独立运行风力发电机组中的发电机独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。直流负载增速器交流发电机整流器控制器蓄电池交流负载逆变器图3-14独立运行的交流风力发电机系统结构第3章风能、风力发电与控制技术30机械工业出版社（1）直流发电机直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。图3-15电磁式直流发电机结构第3章风能、风力发电与控制技术31机械工业出版社（2）永磁式交流同步发电机永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。23456SNSN1图3-17凸极式永磁发电机结构示意图1—定子齿2—定子轭3—永磁体转子4—转子轴5—气隙6—定子绕组第3章风能、风力发电与控制技术32机械工业出版社（3）硅整流自励式交流同步发电机如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。整流器转子励磁绕组定子三相绕组励磁调节器蓄电池组图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图第3章风能、风力发电与控制技术33机械工业出版社（4）电容自励式异步发电机电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。nCC异步发电机转子异步发电机定子负载CABC图3-19电容自励式异步发电机电路原理第3章风能、风力发电与控制技术34机械工业出版社并网运行的风力发电机组中所用的发电机（1）异步发电机风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2）同步发电机当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。第3章风能、风力发电与控制技术35机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术36机械工业出版社（3）双馈异步发电机双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。三相交流电网平波电抗器绕线转子异步发电机逆变器整流器风轮PwPa图3-25双馈异步发电机的系统结构第3章风能、风力发电与控制技术37机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术38机械工业出版社双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：式中f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；p——发电机的极对数；n——转子的转速（r/min）；f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。2160fnpf第3章风能、风力发电与控制技术39机械工业出版社根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时nn1，转差率s0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。第3章风能、风力发电与控制技术40机械工业出版社2）超同步运行状态。此时nn1，转差率s0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所