新能源转换与控制技术-风力发电(本科) 樊..

第1章新能源转换与控制技术导论1机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术第1章新能源转换与控制技术导论2机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论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1章新能源转换与控制技术导论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1章新能源转换与控制技术导论5机械工业出版社感性认识：各式风机第1章新能源转换与控制技术导论6机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论7机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论8机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论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1章新能源转换与控制技术导论10机械工业出版社3.1.2风的特性与风能1、风的表示法（1）风向的表示法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风吹来的地平方向定为风的方向。风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。观测风向的仪器，目前使用最多的是风向标。图3-2风向方位图第1章新能源转换与控制技术导论11机械工业出版社风频指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比。可用“风频玫瑰图”来表示。风频玫瑰图在实际的风能利用中，总是希望某一风向的频率尽可能大些，尤其是不希望在较短的时间内出现风向频繁变化的情况。第1章新能源转换与控制技术导论12机械工业出版社（2）风速的表示法由于风时有时无、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。国际上的单位为m/s或km/h。风速频率，即一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比。风速频率分布曲线从风能利用的观点看，曲线2所代表的风况比曲线1表明的要好。第1章新能源转换与控制技术导论13机械工业出版社（3）风速与风级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(m/s)；N——风的级数。第1章新能源转换与控制技术导论14机械工业出版社2、风的特性（1）风的随机性风的产生是随机的，但可以根据风随时间的变化总结出一定的规律。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中夜里风强，白天风弱，这个逆转的零界高度为100~150m。我国大部分地区风随季节变化的情况是：春季最强、冬季次之、夏季最弱。（2）风随高度的变化而变化第1章新能源转换与控制技术导论15机械工业出版社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。为了从自然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风能，一般至少比周围的障碍物高10m左右。第1章新能源转换与控制技术导论16机械工业出版社3、风能（1）风能密度空气在1s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1s内以速度ν流过面积为S截面的动能。表达式为：SvESW35.0（3）风能的特点优点：蕴量巨大、可再生、分布广泛、没有污染缺点：密度低（只有水力的1/816）、不稳定、地区差异大第1章新能源转换与控制技术导论17机械工业出版社3.1.3风能的利用风能资源的利用，取决于风能密度和可利用风能年累积小时数。按照有效风能密度的大小和3-20m/s风速全年出现的累积小时数，我国风能资源的分布可划分为4类区域。1.风能丰富区风速3m/s以上超过半年、6m/s以上超过2200h的地区。“三北”地区（东北、华北和西北）和某些沿海地区。2.风能较丰富地区风速3m/s以上超过4000h、6m/s以上超过1500h的地区。东部沿海地区、“三北”地区南部和青藏高原中心区。第1章新能源转换与控制技术导论18机械工业出版社3.风能可利用区风速3m/s以上超过3000h、6m/s以上达1000h的地区。新疆、甘肃、宁夏部分地区和内陆地区。4.风能贫乏区平均风速较小或者出现有效风速的时间较少的地区。云贵川、雅鲁藏布江和塔里木盆地。第1章新能源转换与控制技术导论19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，一般利用风推风车的转动以形成动能。图3-5风能转换与应用情况第1章新能源转换与控制技术导论20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1章新能源转换与控制技术导论21机械工业出版社从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1章新能源转换与控制技术导论22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1章新能源转换与控制技术导论23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1章新能源转换与控制技术导论24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1章新能源转换与控制技术导论25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。（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1章新能源转换与控制技术导论26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：旋转轴与地面呈水平状态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1章新能源转换与控制技术导论27机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论28机械工业出版社水平轴风力机的技术参数主要有：风轮直径：功率越大，直径越大叶片数量：高速风力机2~4片，低速风力机大于4片风能利用系数：0.15~0.5起动风速：3~5m/s停机风速：15~35m/s输出功率：几十W至几MW第1章新能源转换与控制技术导论29机械工业出版社2、垂直轴风力机：旋转轴垂直于地面a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式a)b)c)图3-10垂直轴风力机第1章新能源转换与控制技术导论30机械工业出版社风向改变时无需对风，其设计、制造、安装、运行都比水平轴风力机简单方便。之前普遍认为垂直轴风力机自启动能力差，叶尖速比低，风能利用效率低，所以发展比较滞后。第1章新能源转换与控制技术导论31机械工业出版社3.2.3风力机的气动原理现代风力机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。第1章新能源转换与控制技术导论32机械工业出版社如果将一块薄板翼形放在气流中且与气流方向平行，由于翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，上下表面间的压差产生垂直于气流方向的升力。1、翼形和受力第1章新能源转换与控制技术导论33机械工业出版社当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。第1章新能源转换与控制技术导论34机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论35机械工业出版社升力：垂直于翼弦的力分解为与气流方向垂直的力FL，使风力机旋转，是风力机有效工作的力；阻力：垂直于翼弦的力分解为与气流方向平行的力FD，形成对风力机的正面压力。DDCSF221LLCSF221CSF221式中：C—总的气动力系数；CL—升力系数；CD—阻力系数；S—叶片的扫掠面积。第1章新能源转换与控制技术导论36机械工业出版社影响升力系数和阻力系数的因素：（1）翼形的影响（2）攻角的影响（3）雷诺数的影响（4）翼形表面粗糙度的影响不同叶片截面形状的升力和阻力第1章新能源转换与控制技术导论37机械工业出版社（2）攻角的影响翼形的升力特性和阻力特性曲线翼形极曲线第1章新能源转换与控制技术导论38机械工业出版社风力机的几何参数：叶素—风轮叶片半径r处的一个基本单元；风轮轴—风轮旋转运动的轴线；旋转平面—垂直于转轴线的平面，叶片在该平面内旋转；风轮直径—风轮扫掠直径；叶片轴线—叶片纵向轴，绕此轴可改变叶片相对于旋转平面的桨距角；桨距角—半径r处叶素弦线与旋转平面之间的夹角。第1章新能源转换与控制技术导论39机械工业出版社（1）风力机在静止情况下的受力情况第1章新能源转换与控制技术导论40机械工业出版社（2）风力机在转动情况下的受力情况第1章新能源转换与控制技术导论41机械工业出版社2、风力机的特性系数（1）风能利用系数风力机能够从风中吸取的能量与风轮扫过面积内全部风能之比。35.0SPCP根据贝兹理论，风轮能够从自然风能中吸取的能量是有限的，其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。高性能的螺旋桨式风力机，CP值一般在0.45左右。第1章新能源转换与控制技术导论42机械工业出版社（2）叶尖速比叶片的叶尖旋转速率与上游未受干扰的风速之比。RRn2CpCpm0λλm风能利用系数与叶尖速比的关系第1章新能源转换与控制技术导论43机械工业出版社3、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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。第1章新能源转换与控制技术导论44机械工业出版社风力机需要根据一个确定的风速来确定风力机的额定功率，这个风速称为额定风速。在这种风速下，风力机功率达到最大。在风力