2.6-风能发电

第二章能源的转换与利用2第六节风能发电123风力发电概述风力发电设备风力发电机组的原理31.风力发电概述1.1风力发电的意义1.2风力发电的发展41.1风力发电的意义•煤、石油、天然气是当今世界主要能源–稀缺性和不可再生性使能源价格不断增长。–燃料型能源产生有害气体排放，危害健康、导致全球变暖。–寻找新的、清洁的、无污染、可再生的替代性能源是当今人类面临的重要问题。•水电、核电是现阶段低碳能源首选–发电成本与火电接近–稳定性优于风电、光电–水电开发总量有限、影响自然环境–核电有泄漏危险51.1风力发电的意义•风能将成为21世纪的主要能源–太阳能转化而来，地球表面温差引起空气流动，具有一定动能。–是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源–由于能源和环境等诸多问题的影响，风力发电的发展受到全球性的广泛关注和高度重视。–是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式。–具有间歇性，可控性不如常规性能源。61.1风力发电的意义•风能的利用方式–发电、助航、提水灌溉、制热供暖等–转化为电能是风能主要利用方式•利用风轮收集风能，将其转变为旋转的机械能•通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能•利用电网远距离输送71.风力发电概述1.1风力发电的意义1.2风力发电的发展81.2风力发电的发展•自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。–1888年美国电力工业奠基人之一CharlesF.Brush安装了被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。91.2风力发电的发展–1890年丹麦的拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。–1957年200kWGedser风力发电机安装在丹麦Gedser海岸，三叶片带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，是现代风力发电机的设计先驱。101.2风力发电的发展•1973年的石油危机之后，风力发电的发展得到一些国家政府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。–80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。–Tvind2MW，叶轮直径54米，同步发电机通过电力电子设备与电网相连。111.2风力发电的发展•90年代后开始进入现代风力发电技术–600kW-750kW风力发电机组–兆瓦级风力发电机组1995年建成的赖斯比·合德风电场装有Bonus能源公司的40台600千瓦型风机Vistas公司的1.5兆瓦原型风机建于1996年。121.2风力发电的发展•风力发电技术发展趋势–海上风力发电–多兆瓦级风力发电世界上第一个海上风电场位于丹麦南部的洛兰岛以北海域，1991年修建Repower5MW，叶轮直径126米，轮毂高度100-120米，目前已经在爱尔兰和比利时海上安装运行131.2风力发电的发展•风力发电机容量和风轮直径发展141.2风力发电的发展•风力发电机容量和风轮直径发展151.2风力发电的发展•世界风电装机容量–09年全球风机容量为159,213MW,2009年新增容量为38,312MW。–2009年风机装机增长率为31.7%，是自2001年增长最快的一年。–风电的年发电量约3400亿kWh，占全球电力总消耗的1.6%。–美国的装机容量保持世界第一，中国以微小的差距超过德国位列第二，中德两国总装机容量为26,000MW左右。–2010年全球总装机容量将超过200,000MW。–总装机容量、新增装机容量–2009年世界新增风电装机最多的10个国家–2009年世界前十位风电机组供应商在市场中所占份额161.2风力发电的发展•中国风电发展–我国电力发展基本情况，全国联网，西电东送、南北互供。–我国风能资源丰富，主要分布在三北及东南沿海地区。–2009年新增装机容量为13,800MW•2009年底我国风电装机情况•2009年我国风电各制造企业累计装机容量–建设千万千瓦级风电基地思路的提出和实施，落实了“建设大基地，融入大电网”的发展方针，保证“3%电量目标”的实现。–“大规模-高集中-高电压-远距离输送”的模式，对电网企业是很大的挑战。172.风力发电设备•风力发电系统的组成风轮机传动变速机构发电机182.风力发电设备•风力发电机组的构成192.风力发电设备•叶轮：叶片和轮毂，获取风能并转化为机械能。•机舱–偏航系统–传动链•主轴：将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机。•齿轮箱：将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电机需要的转速。–发电机：异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机–制动系统、桨距调节装置•塔架•电控系统：风力发电机组的运行与管理。203.风力发电机组的原理3.1风力发电机组的分类3.2风力发电的基本原理213.1风力发电机组的分类•风力发电系统的分类——风轮轴向垂直轴水平轴223.1风力发电机组的分类•风力发电系统的分类——叶片数量233.1风力发电机组的分类•风力发电系统的分类——按功率调节方式–定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。–变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。–主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。243.1风力发电机组的分类•风力发电系统的分类——按功率调节253.1风力发电机组的分类•风力发电系统的分类——按传动形式–高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。–直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。–中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比高传动风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。263.1风力发电机组的分类•风力发电系统的分类——按发电机驱动方式形式IGGridCompensationGearboxPsDFIGACDCDCACGridFilterConverterGearboxPssPssPsPMSGGridFilterPsACDCDCACConverter(a)固定转速的异步发电机组(c)永磁直驱同步发电机组(b)双馈异步发电机组273.风力发电机组的原理3.1风力发电机组的分类3.2风力发电的基本原理283.2风力发电的基本原理•风力机的运行特性由风力机的空气动力学知，风力机的输入功率为2311()22vwwPSvvSvOpvPCP风力机输出的机械功率输入风轮面内的功率323122opvwppPCPSvCRvC由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用，其风能利用系数v为风速，ρ为空气密度，R为叶片半径293.2风力发电的基本原理•风力机的运行特性–风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。–为了便于讨论，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比：–变浆距的风能利用系数是叶尖速比和桨叶节距角两者的函数。–在定浆距情况下，叶尖速比决着风能利用系数的大小。30RvRnv,pC303.2风力发电的基本原理•风力机的运行特性–由不同风速下风力机输出功率和转速的关系，可以看到不同风速下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最大功率Pmax其值为对应的转矩为•为了提高风能捕获效率、减小机械应力及输出功率波动，目前大型风电场均采用了变速恒频风力发电机组。3maxwwPk20wwTk3max12woptpkSRC313.2风力发电的基本原理•风力机的运行特性–第一个运行区域是启动阶段，此时电机增速，但没有并网，没有功率输出。–第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。–第三个运行区域为功率恒定区。当风速增加时，通过变桨控制，从而保持功率不变。0ωrABCDP启动区Cp恒定区转速恒定区功率恒定区323.2风力发电的基本原理•双馈风力发电机组的电机模型建模–以转速ωe旋转的同步坐标系下的等效电路RsLσsRrLσrLmVs+-IsIrjωeψs+-+-Vrjωslipψr+-Imψsψr..333.2风力发电的基本原理•双馈风力发电机组的电机模型建模–磁链和电压的数学模型sssmrrrrmsssssesrrrrerrdjddjdLLLLRωtRωωtψIIψIIψVIψψVIψ式中，ψ、V、I分别为磁链、电压、电流矢量，R、L为电阻及电感，下标s、r分别表示定、转子侧分量，ωr为转子角速度，Lm为激磁电感。343.2风力发电的基本原理•双馈风力发电机组的电机模型建模–当采用定子磁链定向（即同步坐标系的d轴定向在定子磁链矢量上）时，定子侧的有功和无功可表示为：–电磁功率和电磁转矩为：–双馈电机的定子侧有功（或电磁转矩）、定子侧无功分别由转子电流的q、d轴分量决定。emssrqsesssmrds3232ωLpiLωqLiLrmesrq32sLpiLnmesrqs32pLTiL353.2风力发电的基本原理36世界风机总装机容量24.33231.31839.29547.69359.02474.12293.93120.903159.213203.5000501001502002502001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年37世界风机新增装机容量382009年风机装机容量最多的10个国家392009年世界前十位风电机组供应商在市场中所占份额风电机组制造公司名称（国家）2009年新增装机容量（MW）2009年市场新增装机容量占有率（%）1VESTAS（丹麦）476612.52GEwind(美国)474112.43华锐风电(中国)35109.24ENERCON(德国)32218.55金风科技(中国)27277.26GAMESA(西班牙）25466.77东方气轮机(中国)24756.58SUZLON（印度）24216.49西门子（丹麦）22655.910REPOWER(德国）12973.4其它703318.5合计370029740全国电网互联东北电网华北电网西北电网华东电网南方电网华中电网台湾电网西藏电网41我国电网的基本情况华北南方东北西藏台湾西北华中上海华东金沙江下游水电负荷中心新疆煤电基地四川水电西藏水电我国一次能源与用电需求分布极不均衡电力流主要由西北、西南煤电、水电基地流向东部受端中心，输电距离长、输送容量大多个大型受端中心已经形成未来随着能源开发西移和北移速度加快，大型能源基地与能源消费地之间的输送距离越来越远，能源输送的规模越来越大负荷中心42中国有效风功率密度分布图432009年底我国风电装机情况442009年底我国风电装机情况452009年底我国风电装机情况46中国已建及部分拟建风电场分布图472009年我国风电各制造企业累计装机容量482009年我国各开发商新增装机容量492009年我国新增装机容量机型分布50六个省区的七个千万千瓦级风电基地Tibet西藏Northwestpowergrid西北电网CentralChinapowergrid华中电网Taiwan台湾SouthChinapowergrid南方电网千万千瓦风电基地Nor