风力发电技术第二章：风电基本知识(T).ppt

风力发电技术 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 纵览风能与风力资源风力机种类与原理风力发电机的类型风力发电系统风电场 第二章 风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 风能与风力资源 一 风能基本知识1 风的特性风的方向不定 大小多变 风速随高度的增加而提高 风速沿高度的相对提高因地而异 大致上可以用下式表示 vn v1 zn z1 a式中 vn zn高度处风速 m s v1 z1高度处风速 m s a 风切变指数a ln vn v1 ln zn z1 风除了随高度变化而变化外 还随季节的变化而变化 随日夜的变化而变化 随地形的变化而变化 第二章 风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 2 风的能量风能 空气运动的动能称为 风能 风能的计算公式为 e 1 2 sv3式中 e 风能 w 空气密度 kg m3 s 气流截面积 m2 v 风速 m s 风能密度 单位时间内通过单位面积的风能w 1 2 v3有效风能密度 指风机可利用的风速范围内的风能密度 对应的风速范围大约是3 25m s 第二章 风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 3 风速等级与风速频率 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 风速频率是指一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比 利用风速频率分布可以计算出某一地区单位面积上全年的风能 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 4 风向与风向频率 通常把风吹来的地平方向定为风的方向 在陆地上一般用16个方位来表示不同的风向 风频是指风向的频率 即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现次数的百分比 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 5 风的测量 初步选定风电场之后 要进行1 2年的测风 测风的主要目的是正确估计该地区可利用风能的大小 为装备风力机提供风能依据 风的测量主要包括风向测量和风速测量两项 测风高度一般为10m 30m 50m 70m 从测量数据中整理出每分钟 或每小时 的平均风速和最多风向 并选取日最大风速 10min平均 和极大风速 瞬时 以及对应的风向和出现的时间 对影响风机出力和安全其它气象数据 如气温 空气密度 湿度 太阳辐射 雨 冰雹 冰雪 以及特殊气象情况 如台风 雷电 沙暴 盐雾 冰冻期等 有测量和统计 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 6 风的利用 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 二 风力资源 太阳辐射到地球的热能中有约2 被转变成风能 全球大气中总的风能量约为1014mw 其中可被开发利用的风能理论值约有3 5 109mw 比世界上可利用的水能大10倍 相当于1000 10000座100万瓦量级的原子能发电站 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 陆上约有2 53亿千瓦 年电量5000亿千瓦时 海上约有7 5亿千瓦 合计约10亿千瓦 据中国气象科学院预测 我国经济可开发风能资源为 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 我国风能资源可分为四大区域 东部沿海及岛屿地区 三北 东北 华北 西北 地区 内陆局部地区和海上风能区 我国的风能资源分布 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 二 风力机的类型与原理 一 风力机的类型 1 分类方法 按风轮轴线的方向可分为水平轴式和垂直轴式 按风轮的位置可分为上风式和下风式 按叶片的数目可分为单片式 双片式 三片式 四片式和多片式 按叶片的型式分为螺旋桨型 h型和s型等 按风能转换的原理可分为升力型和阻力型 按叶片与轮毂的连接分为定桨型和变桨型 风力发电所采用的风力机 水平轴式的占绝大多数 达98 以上 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 2 水平轴风力机 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 3 垂直轴风力机 风轮轴垂直的风力机称为垂直轴风机 这类风力透平的形式也很多 如s型 h型 型等 虽然目前还没有大量商品化 但它有许多特点 如不需要塔架 发电机可安装在地面上 维修方便及叶片制造方便等 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 二 风力机的基本原理 自然界中的风能不便于利用 为了把风能转变成所需要的机械能 电能 热能等其他形式的能量 人们发明了多种形式的风能转换装置 这就是风力机 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 如果将一块薄板放在气流中 则在沿气流方向将产生一正面阻力fd和一垂直于气流方向的升力fl 其值分别由下式确定 fd 1 2cd sv2fl 1 2cl sv2式中 cd 阻力系数cl 升力系数s 薄板的面积 空气的密度v 气流速度由作用于叶片上的阻力fd而使其转动的风轮 称为阻力型风轮 而由升力fl而使其转动的风轮 称为升力型风轮 现代风力机多采用升力型风轮 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 风力机的叶片冀型与受力 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 风力机输入风能 输出机械能 其输出功率为 其中cp为风能转换系数 与叶尖速比 浆叶节距角 有关 wrw v 风力机最佳功率为 三 风力机的输出特性 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 四 主要技术参数指标 风轮直径 通常风力机的功率越大 直径越大 叶片数目 高速发电用风力机为2 4片 低速风力机大干4片 叶片材料 现代常采用高强度低密度的复合材料 风能利用系数cp 一般为0 15 0 5之间 启动风速 一般为3 5m s 额定风速 一般为8 20m s 停机风速 通常为15 35m s 输出功率 现代风力机一般为几百干瓦 几兆瓦 另外还有塔架高度等等 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 独立运行发电机直流发电机永磁式直流发电机 微 小型风机 电磁式直流发电机 大 中型风机 永磁式交流同步发电机 微 小型风机 转子采用永磁材料 铁氧体 汝铁硼等 凸极式 爪极式硅整流自励式交流同步发电机蓄电池 整流器电容自励式异步发电机发电机需有剩磁或具有蓄电池 足够的电容 三 风力发电机类型 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 并网运行发电机感应异步发电机笼型 绕线型 定子并联电容提供励磁功率转差率s大于0 电动状态转差率s小于0 发电状态4极或6极 发电机转速高于1500r min或1500r min才能运行与发电状态 s 2 5 并网方式 直接并网 降压并网 晶闸管软并网 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 同步发电机普通同步发电机凸极式结构简单 低速发电隐极式机械强度高 高速发电 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 新型同步发电机多极永磁低速同步发电机免除齿轮箱 构成直驱式风力发电系统永磁高压同步发电机定子 高压圆形电缆 高压至10 20kv 甚至40kv 转子 多极永磁 免除齿轮箱 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 双馈异步发电机 dfig 评价 当今最优前途的一种发电机 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 dfig的优势 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 dfig的3种运行状态亚同步同步速超同步 亚同步运行功率潮流 超同步运行功率潮流 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 无刷双馈异步发电机取消电刷和集电环 可靠性好体积较大分为级联式和磁场调制型 图 两种 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 开关磁阻发电机 srg 又称双凸极式发电机 定子转子双凸极定子极数比转子多转子无绕组 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 结构风力发电系统是将风能转换为电能的机械 电气及共控制设备的组合 典型的风力发电系统通常主要由叶轮 传动系统 变速器 小 微容量及特殊类型的也有不包括变速器 发电机 调向机构及控制系统和储能装置等几大部分组成 四 风力发电系统 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 组成机构 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 调向机构作用 用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构 因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时 也即是迎着风向时 风力机从流动的空气中获取的能量最大 因而风力机的输出功率最大 所以调向机构又称为迎风机构 国外通称偏航系统 类型 小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车 风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电动机 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 发电机微型及容量在10kw以下的小型风力发电机组 采用永磁式或自励式交流发电机 经整流后向负载供电及向蓄电池充电 容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机组 则应用同步发电机或异步发电机 齿轮箱作用 是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出 以便与发电机运转所需要的转速相匹配 类型 1级行星齿轮和两级斜齿轮 1级行星齿轮和两级直齿轮 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 塔架水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置于空中 以捕捉更多的风能 类型 即由钢板制成的锥形筒状塔架和由角钢制成的桁架式塔架 控制系统组成 100kw以上的中型风力发电机组及1mw以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器 plc 组成的控制系统来实现控制 自检和显示功能 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 控制系统主要功能 按预先设定的风速值 一般为3 4m s 自动启动风力发电机组 并通过控制实现并网 借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态 包括风速 风向 风力机风轮转速 发电机转速 发电机温升 发电机输出功率 功率因数 电压 电流等以从齿轮箱轴承的油温 液压系统的油压等 各运行工况内的自动发电控制 当风速大干最大运行速度 一般设定为25m s 时实现自动停机 故障保护 与主控中心通信 如通过调制解调器与电话线连接 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 风力发电系统类型独立运行风力发电系统独立运行的风力发电机组 又称离网型风力发电机组 是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能 再供应用户使用 如需要交流电 则要加逆变器 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 原理 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 储能系统 风力发电系统采用的储能系统主要有 蓄电池储能 抽水蓄能 正在研究试验的有压缩空气储能 飞轮储能 电解水制氢储能等 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 联合运行方式常用的方式主要有 1风力 柴油发电联合运行2风力 大阳能电地发电联合运行风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式 1 切换运行 即有风时由风力发电机组供电 有太阳光时由太阳能电池方阵供电 这种方式简单 但系统的效率较低 2 同时运行 风力发电机组与太阳能电池方阵同时向苦电池组充电 可以充分发挥两者的效能 系统效率高 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 并网运行风力发电系统 概述作用 采用风力发电机与电网连接 由电网输送电能的方式 是克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式 同时可达到节约矿物燃料的目的 应用 10kw以上直至mw级的风力发电机组皆可采用这种方式 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 类型按风力机功率调节方式定桨距风力发电机组叶片桨角固定的风力发电机组称为定桨距风力发电机组 结构简单 容量从数十千瓦到兆瓦级 性能可靠 但效率较低 变桨距风力发电机组叶片桨角在一定范围 一般0o 90o 内变化的风力发电机组称为变桨距风力发电机组 效率较高 兆瓦级及以上机组多采用此类机组 按发电机转速 恒速桓频方式即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化 始终维持恒转速运转 从而输出恒定额定频率的交流电 这种方式目前已普遍采用 具有简单可靠的优点 但是对风能的利用不充分 变速恒频方式即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行 但仍输出恒定频率的交流电 这种方式可提高风能的利用率 但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 按驱动链形式方式有齿轮箱传动方式 一般有多级齿轮箱 需要高速电机 如ig dfig sg半直驱方式 一般有一级齿轮箱 需要中速发电机直驱方式 无齿轮箱 需要低速发电机 如多极pmsg 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 定桨与变桨功率调节变桨 定桨功率调节手段 1 定桨距机组 偏航控制失速控制叶尖干扰器控制采用双速发电机2 变桨距机组 变桨控制低于额定风速时通过变桨提高效率 高于额定风速时通过变桨限制功率 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 变桨调节的优点 风速低于额定风速时 可通过变桨改变叶片桨角提高风机效率 风速高于额定风速时 可通过变桨限制风机功率 使其在额定功率下运行 停机时使叶片处于顺桨状态 以保护叶片和机器的安全 可使风机年平均发电量增加10 以上 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 恒速与变速运行方式变速运行的优点 1 系统效率高变转速运行可以最佳叶尖速比运行 提高了风力机的运行效率 与变桨恒速运行机组相比 年发电量可提高10 以上 2 能提高供电品质阵风时风轮转速增加 把风能余量存储在风轮转动惯量中 风速下降时 再将风轮动能缓慢释放出来变为电能送给电网 可减少对电网的冲击 3 使桨角调节简单化 低于额定风速时 桨角固定 高风速时 调节桨角限制输出功率 4 环保效果好低风速时 风轮处于低转速运行状态 使噪声降低 也不易引起视觉疲劳 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 变速恒频运行的实现方案 双馈异步发电机 部分功率变频器 永磁同步发电机 直驱式 全功率变频器 其他类型 如开关磁阻发电机 磁场调制型 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 五 风力发电场风力发电场的选址风电场场址选择要求很严格 主要依据是 该地区的年平均风速在6m s以上 且盛行风向稳定 在预选场址内进行1年以上的测风 获取风速 风向及风速沿高度的变化等数据 对影响风机出力和安全其它气象数据 如气温 空气密度 湿度 太阳辐射 雨 冰雹 冰雪 以及特殊气象情况 如台风 雷电 沙暴 盐雾 冰冻期等 有测量和统计 地区内的地形 地貌 障碍物有详细资料 距公路和电力网应较近 以便降低设备运输成本和接入电网的工程费用 场址应距居民点有一定的距离 以避免噪音的影响 华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉 第二章 风力发电基本知识 风力发电场机组的排布风电场的排布主要考虑地形 地貌以及风电机组之间尾流的影响 以获得最大的发电量 由于受尾流影响 行距 10倍风轮直径的风电场配置中应