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风力发电基础知识 1 1风与风力资源 一 风的产生与特性产生 风是地球外表大气层由于太阳的热辐射而引起的空气流动 大气压差是风产生的根本原因 特性 周期性 多样性 复杂性 二 风的能量与测量 1 产生能量的基本要素 风具有一定的质量和速度 2 风能的一些主要特性参数 如风能 风能密度 风速与风级 风向与风频以及风的测量等 1 风能 空气运动产生的动能称为 风能 2 风能密度 单位时间内通过单位截面积的风能 3 风速与风级 风速就是空气在单位时间内移动的距离 国际上的单位是米 秒 m s 或千米 小时 km h 分13级4 风向与风频 通常把风吹来的地平方向定为风的方向 即风向 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总次数的百分比 5 风的测量 风的测量仪器主要有风向器 杯形风速器和三杯轻便风向风速表等 3 风中的能量风中蕴含的能量是动能 故P 1 2 AV3可用风能与风速的立方成正比 风速的轻微增加会导致功率的显著增加风力与海平面1 225kg m3处的空气比重成正比风能还受气压及温度的影响 大约10 15 风能还与叶轮扫略面积成正比 4 功率系数功率系数 Cp 描述风机将风能转换为机械能的效率风中的能量无法全部被风机转换 其理论最高限度Cp max 0 593 通常被称为贝茨因数 式中 表示叶尖速比 表示风轮转速 R 表示风轮半径 V表示风速 表示桨叶节距角 风力机特性曲线通常由一簇风能利用系数Cp曲线来表示 5 风机的实际输出功率P 0 5 A Cp V3 Ng Nb其中P为风机输出功率 为空气比重A为扫掠面积Cp为功率系数V为风速Ng为发电机效率Nb为齿轮箱效率 三 风力发电特点及优势 它是一种安全可靠的发电方式 随着大型机组的技术成熟和产品商品化的进程 风力发电成本降低 风力发电不消耗资源 不污染环境 具有广阔的发展前景 建设周期一般很短 一台风机的运输安装时间不超过三个月 万千瓦级风电场建设期不到一年 而且安装一台可投产一台 装机规模灵活 可根据资金多少来确定 为筹集资金带来便利 运行简单 可完全做到无人值守 实际占地少 机组与监控 变电等建筑仅占风电场约1 的土地 其余场地仍可供农 牧 渔使用 对土地要求低 在山丘 海边 河堤 荒漠等地形条件下均可建设 在发电方式上还有多样化的特点 既可联网运行 也可和柴油发电机等级成互补系统或独立运行 这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性 四 世界风力发电发展趁势 风力发电技术目前还在不断发展 主要体现在单机容量不断增大上 目前主流风力发电机组的功率 己上升到600 750kw Mw级的机组也已成批生产 5Mw的机组己在试验生产 风力发电场未来的发展趋向将集中在 1 提高机群安装场地选择的准确性 2 改进机群布局的合理件 3 提高运行的可靠性 稳定性 实现运行的最佳控制 4 进一步降低设备投资及发电成本 5 总装机容量在1MW以上的风力发电场将占据主导地位 风力发电场内的风力发电机组单机容量将主要是百千瓦以上至兆瓦级的 1 2风力发电设备 一 组成 风力发电机组包括两大部分 一部分是风力机 由它将风能转换为机械能 另一部分是发电机 由它将机械能转换为电能 二 分类 1 根据它收集风能的结构形式及在空间的布置 可分为水平轴式或垂直轴式 2 从塔架位置上 分为上风式和下风式 3 还可以按桨叶数量 分为单叶片 双叶片 三叶片 四叶片和多叶片式 4 从桨叶和形式上分 有螺旋桨式 H型 S型等 5 按桨叶的工作原理分 则有升力型和阻力型的区别 6 以风力机的容量分 则有微型 1kW以下 小型 1 10kW 中型 10 100kW 和大型 100kw以上 机 风力机的主要技术指标参数 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 一般为0 15 0 5之间 启动风速 一般为3 5m 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 发电机 分为直流发电机和交流发电机 另外还有塔架高度等等 1 水平轴力风机 特点 风力机的风轮轴与地面呈水平状态 称水平轴风力机 组成 它一般内风轮增速器 调速器 调向装置 发电机和塔架等部件组成 大中型风力机还有自动控制系统 应用 这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦 是日前最具有实际开发价值的风力机 类型 有传统风车 低速风力机及高速风力机等3大类型 水平轴力风机图 2 垂直轴风力机 特点 凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机 形式有 如s型 H型 型等 应用 虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化 但是它有许多特点 如不需大型塔架 发电机可安装在地面上 维修方便及叶片制造简便等 研究日趋增多 各种形式不断出现 各种形式的垂直轴风力机 型风力机图 3 风力发电机组可分为定桨距机组与变桨距机组 定桨距风力发电机组的功率调节完全依靠叶片的气动特性 这种机组的输出功率随风速的变化而变化 当风速超过额定风速时 通过叶片的失速或偏航控制降低风能转换系数Cp 从而维持功率恒定 变桨距机组为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳 风力机可由轮毂舱内叶片根部的液压装置或电动机构进行桨距调整 变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性 它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节 1 3风力发电运行方式 分类 独立运行和并网运行两种运行方式 一 独立运行方式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 一 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 二 与其他发电形式的联合运行 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蓄电池组充电 可以充分发挥两者的效能 系统效率高 二 并网运行方式 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 并网运行又可分为两种不同的方式 恒速恒频方式 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 同时还应解决由于变速运行而在风力发电机组支撑结构上出现共振现象等问题 1 4风电场 一 概念风力发电场是日前世界上风力发电并网运行方式的基本形式 在风能资源良好的地区 将几十台 几百台或几千台单机容量从数十kw 数百kw直至MW级以上的风力发电机组按一定的阵列布局方式成群安装而组成的风力发电机群体 称为风力发电场 简称风电场 风力发电场属于大规模利用风能的方式 其发出的电能全部经变电设备送往大电网 二 风力发电场的风力发电机组排布 作用 合理地选择机组的排列方式 以减少机组之间的相互影响 风电场内风力发电机组的排列应以风电场内可获得最大的发电量来考虑 影响因素 主要受风能分布 风场地形和土地征用的影响 机组排列的最主要原则 是充分利用风能资源 最大程度利用风能 三 风力发电场的经济效益评估 风电场容量系数即发电成本是衡量风力发电场经济效益的重要指标 风电场内风力发电机组容量系数的计算方法为 1 5风力发电系统及装置 一 风力发电机组的系统组成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 通常包括风轮 发电机 变速器 小 微容量及特殊类型的也有不包括变速器的 及有关控制器和储能装置 二 大型并网型风力发电机组 类型 目前世界上比较成熟的并网型风力发电机组多采用水平轴风力机 其形式多种多样常见的水平轴风力机类型有 单叶片式 双叶片式 三叶片式 多叶片风车式 车轮式多叶片风车式 迎风式 背风式等 基本组成 典型的大型风力发电机组通常主要由叶轮 传动系统 发电机 调向机构及控制系统等几大部分组成 风力机结构图 三 风力发电机主要组成部分介绍1 叶轮 风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮 风轮一般由2 3个叶片和轮毂所组成 其功能是将风能转换为机械能 由于风力发电机的理论基础也是空气动力学 故其叶片形状与机翼很相似 风经过水平轴风力发电机的叶片时由于叶片与风有一个夹角 风在叶片上形成升力 风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能 从而带动发电机进行发电的 2 塔架风力机的塔架除了要支撑风力机的重量 还要承受吹向风力机和塔架的风压 以及风力机运行中的动载荷 它的刚度和风力机的振动有密切关系 水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类 一般圆柱形塔架对风的阻力较小 特别是对于下风向风力机 产生紊流的影响要比桁架式塔架小 桁架式塔架常用于中小型风力机上 其优点是造价不高 运输也方便 但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流 3 机舱 齿轮箱由于种种限制风机叶轮的转速不能太快 而并网运行的发电机必须要求再同步转速左右才能运行 故风力发电机组一般都在主轴与发电机之间安装有增速传动机构 风力机的传动机构一般包括低速轴 高速轴 齿轮箱 联轴节和制动器等 发电机目前国内外常见的风电机组类型主要有四种 采用齿轮箱增速的普通异步风力发电机组 双馈异步风力发电机组和直驱式同步风力发电机组 含永磁发电机和直流励磁发电机 以及混合式风力发电机组 1 1普通异步风力发电机组 技术特点 叶轮转速较低 一般为每分钟十几转 需要齿轮箱增速 转子绕组短路 结构一般为鼠笼结构 转子转速固定 风能利用率低 其转速由齿轮箱传动比和发电机极对数决定 转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行 发电机定子直接与电网连接 启动时产生很大启动电流 其配置启动装置 从系统吸收大量无功 需配置无功补偿装置 结构简单 控制方便 1 2双馈式异步风力发电机组 技术特点 叶轮转速较低 一般为每分钟十几转 需要齿轮箱增速 转子绕组通过电滑环或采用绕线结构与电力电子换流装置连接 通过电力电子换流装置的控制作用 可以调节控制发电机转子电流和电磁转矩 从而使转子转速可随风速的变化而改变 使风力发电系统获得最大风能捕获效率 风能利用率高 在低风速时 发电机转子低于同步速运行 发电机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率 在高风速时 发电机转子高于同步速运行 发电机转子绕组向换流器输出励磁功率 直接与电网连接 由于转子电流可控 因此可以实现风力发电机平滑并网 1 3直驱式同步风力发电机组 技术特点 叶轮转速较低 一般为每分钟十几转 转子绕组通过增加极对数来降低同步转速 从而避免了齿轮箱损耗 同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永磁体励磁方式 由于转子极对数较多 电机外尺寸较大且较重 不方便运输和吊装 对于直流电励磁方式的同步电机 转子转速的调节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩 从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率 对于永磁同步电机 可以通过调节直流电压的方式来控制电磁转矩 从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率 风能利用率高 对于直流励磁方式的同步电机 励磁损耗较小 对于永磁同步电机 则存在永磁材料的消磁现象 通过电力电子换流器与电网连接 吸收或输出功率可调 因此可以实现风力发电机平滑并网 电网侧换流器采用空间矢量控制技术 可以实现发电机有功功率和无功功率的解藕控制 能够独立调节发电机向系统吸收或发出无功 结构 控制系统复杂 以上风电机组优缺点比较表 双馈 永磁和直流励磁风力发电机外观图 双馈风力发电机外观特点 机舱细长主要生产厂家 Vestas Gamesa GE等 直驱永磁风力发电机外观特点 机舱短粗主要生产厂家 金风 VENSYS 湘电 ZEPHYROS 直流励磁风力发电机外观特点 机舱臃肿主要生产厂家 ENERCON 混合式风力发电机组 混合式风力发电机组采用1级行星齿轮和低速永磁同步发电机 是直驱式风力发电机组和传统式风力发电机组的混合型式 调向装置 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 通称偏航系统 整个偏航系统由电动机及减速机构 偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成 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 各保护装置风力发电机组除以上主要组成部分外 为了实现安全可靠运行 各保护装置也是必不可少的 一般包括 制动系统 独立安全链 防雷保护 硬件保护 接地保护和保护装置的UPS电源等 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 并通过软启动装置将异步发电机并人电网 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 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 通过光缆或电话线互相连接 4 风机控制方式及内容 一个完整的风力发电机组通常由风轮 增速齿轮箱 风力发电机 机座 塔架 调速器 调向器 停车制动器 控制系统等构成 为使风力机组能够稳定运行 必须对其进行有效的控制 考虑到风力发电机组的特殊性 按重要性的顺序 控制器应依次满足以下要求 风能转换系统是稳定的 运行过程中 在各种不确定的的因素如阵风 剪切风 负载变化作用下具有鲁棒性 控制代价小 即对不同输入信号的幅值有一定限制 如调向的时间等 最大限度地将风能转换为电能 即在额定风速以下 可能使发电机在每一种风速时 输出的电功率达到最大 额定风速以上时则保持输出电功率为常量 风力发电机输出的电功率保持恒压恒频 有较高的电能品质质量 风力发电机组控制目标有很多项 控制方法多种多样 按控制对象划分大致可分为偏航系统 发电机并网控制系统 发电机功率控制系统 电容器控制系统等等 其中两个核心问题是 风能的最大捕获以提高风能转换效率以及改善电能质量问题 由风力机最大风能捕获的运行原理可知 若风速越高 则与之相对应的风力机转速越高 但受风电机组转速极限 功率极限等限制 风力机转速不可能太高 因此 为实现最大风能捕获 风力机有三种典型的运行状态 低风速段实行变速运行 可保持一个恒定的风能利用系数Cp值 根据风速变化控制风力机转速 使叶尖速比 不变 直到转速达到极限 转速达到极限后 风速进一步加大时 按恒定转速控制风力机运行 直到输出最大功率 此时的风能Cp不一定是最大值 超过额定风速时 输出功率达到极限 按恒功率输出调节风力机 4 1各种风电机组的功率控制方式4 1 1恒速发电系统 恒速发电采用鼠笼型异步电机 发电时涡轮机拖动异步发电机转动 转速略超过同步转速后 转差率s和转矩Te变负 电机工作于发电状态 由于只工作在机械特性的线性区 转差率很小 s 5 风速变化时转速基本恒定 所以称恒速发电 随风速变化 通过调整桨叶倾角来控制输出功率和转速 恒速发电的特点 电气系统简单 维护工作量小 由于转速不变 涡轮机只能在某一风速下工作于最大出力点 风速变化时 将偏离最大点 降低发电效率 转速不变 输出功率和转速的控制全靠倾角控制完成 要求倾角控制响应快 动作次数多 调节机构易疲劳损坏 强阵风来时 转速不变 机械承受应力大 要求坚固 所以又称 刚性 风力发电 恒速发电的控制相对简单 在额定风速以下状态时无需控制系统过多调整 在额定风速以上时 控制系统应跟踪风速变化调节桨叶 保证负荷在额定附近 由于恒速发电机组一般采用鼠笼式异步电机 故其启动电流较大 为了防止电机启动时电流 力矩过大对风机造成损坏 一般采用晶闸管电子元件控制发电机的并网过程 俗称 软启动 使发电机平稳切入电网 当风机转为发电状态后软启动装置被旁路接触器代替退出运行 4 1 2变速发电系统变速发电系统包括采用永磁同步发电机的直接在线系统和采用双馈电机 绕线异步机 的双馈系统 由于发电机转速可变 故可根据风速变化调整发电机转速使风机达到最佳风能利用系数 由于采用了电力电子变换器 变速发电的电气系统较复杂 但能取得如下好处 在不同风速下 涡轮机都工作在最高效率点 提高出力10 强阵风来时 转速适当升高 部分风能贮存于机械惯量中 风力发电机组机械惯量很大 减小电机电磁转矩脉动和机械承受的应力 减轻机械强度要求 所以又称 弹性 风力发电 由于电磁转矩脉动小 发出电力的波动小 提高发电质量 风速小时调转速 倾角维持最小值不变 倾角控制器不工作 在强风来时倾角控制器才工作 且响应可以减缓 动作次数减少 机构寿命延长 4 1 2 1永磁同步发电系统永磁同步发电系统采用同步发电机 定子经全功率变频器变频后接入电网 故永磁同步发电系统发电机转速无限制可任意调节 永磁同步发电机有如下特点 发电机发出的全部电功率都通过变频器 变频器容量需按100 功率选取 比双馈系统容量大 投资和损耗大 谐波吸收困难 电机轻 效率高 变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得到补偿 变频器中的交 直变换可以用二极管整流加直流斩波 构造简单 控制系统最大功率输出工作方式 额定风速以下风力机接优化桨距角定桨距运行 由变频器控制系统来控制转速 调节风力机叶尖速比 从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获 控制系统恒功率输出工作方式 在额定风速以上风力机变桨距运行 由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数 从而控制风电机组的转速和功率 防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故 4 1 2 2双馈发电系统 双馈绕线式异步发电机的定子直接联电网 转子经四象限交 直 交变频器接电网 转子电压和频率比例于电机转差率 随转速变化而变化 变频器把转差频率的转差功率变换为恒压 恒频 50Hz 的转差功率 送至电网 当转速高于同步速时 转差率s0 转差功率从电网 经变频器流入转子 电网收到的功率为定 转子输出功率之差 小于定子功率 双馈异步发电机的特点 在变频器中仅流过转差功率 其容量小 通常按发电总功率的25 左右选取 投资和损耗小 发电效率提高2 3 谐波吸收方便 由于要求双方向功率流过变频器 它必须是四象限双PWM变频器 由两套IGBT变换器构成 只能使用双馈电机 比永磁电机重 效率低 双馈异步风力发电机组的控制与同步发电机组相似 主要通过两个阶段来实现 在额定风速以下时 主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化 以获得最佳叶尖速比 跟踪最佳功率曲线 使风力发电机组具有最高的风能转换效率 在高于额定风速时 主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量 使风力发电机组保持在额定值以下发电 功率输出更加稳定 并使系统失速负荷最小化 此外 因为存在转子控制环节 控制模式也有所不同 启动区需调节发电机输出电压符合并网要求 因此采取并网控制 其他运行区域内机组发电运行 要求发电机输出电能可控 能实现有功 无功功率的解耦控制 尤其在风能追踪区域 发电机功率解耦是最大风能追踪控制的前提 因此 并网控制和功率解