《新能源技术》课件-4风力发电技术

第三章风力发电技术风能二风力发电技术三风力发电概况一第一节风力发电概况风能是大气运动形成的一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太阳能。人类对风能的利用历史久远，早在公元10世纪，波斯就出现了水平转动的风磨。一、风能利用的历史公元12世纪，欧洲开始使用风车抽水、碾磨谷物，此后风车一直是主要的动力机械之一。在我国3000年前的商代：开始出现帆船唐代：“乘风破浪会有时，直挂云帆济沧海”明代：郑和下西洋明代后：宋应星《天工开物》有：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止”现在所说的风能利用主要是指风力发电。采用风力涡轮机发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划，到1918年丹麦已经投入运行了120台风力发电机。风力发电走向规模化应用还是在20世纪90年代以后，风力发电的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增长，已成为世界上各种能源中增长最快的一种。据统计，2007年全球风力发电新增装机容量19.8GW，总装机容量达到94GW，风力发电的总量已占全球电力消费总量的1%以上。2018年全球新增装机51.3GW，其中陆上风电新增装机46.8GW,海上风电新增装机4.5GW。2018年全球风电累计装机首次突破600GW大关，所发电量占全球电力需求的6%。二、我国风力发电概况我国风能资源非常丰富。2006年国家气候中心研究结果表明，我国陆地10米高度层可开发和利用的风能储量除青藏高原外总量约为25亿kW，海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计约32.5亿kW。我国的风电事业起步较晚，在20世纪末，风力发电机组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。进入21世纪以来，我国的风电装机容量开始快速增长，2006年底，装机容量上升到将近260万kW。根据全球风能理事会的统计，截止2018年，中国风电装机容量高达211GW，超过了美国的两倍，分额超全球三分之一。在过去的10年里，风电行业从萌芽期、探索期一直发展到现阶段的快速成长期。2019年，全国累计并网容量21005万千瓦，同比增长14%。2019年内新增风电并网容量为2579万千瓦，较2018年的2059万千瓦增长25.25%。风力发电机组经过三十余年的发展，容量从十千瓦级增大到兆瓦级，从90年代定桨距失速型风电机组为主导机型，向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展，且随着电力电子技术的发展，变速恒频的风力发电技术已经成了风力发电的大势所趋。风电装机容量约以平均每年增幅30%的速度在增长，成为增长速度最快的清洁能源。新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区，于1989年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电场，所有设备全部从丹麦引进。广东省南澳岛风电场是我国第一个海岛风电场。南澳岛是广东唯一一个岛县，东南季风长，风力资源丰富，风况属世界最佳之列。到2005年底，装机容量达到5.6万kW，是亚洲最大的海岛风电场。内蒙古辉腾锡勒风电场

这里曾经是亚洲最大的风力发电场，地处内蒙古高原，海拨高，又是一个风口，风力资源非常丰富，10米高度年平均风速7.2米/秒，风力发电场为草原新景，被誉为“中国最美的风力发电场”，它使众多的游客驻足相观，留连忘返。甘肃酒泉千万千瓦级风力电场

这里是我国第一个千万千瓦级风电基地，也是目前世界上最大的风力发电基地。酒泉千万千瓦级风力电场是国家继西气东输、西油东输、西电东送和青藏铁路之后，西部大开发的又一标志性工程，被誉为“风电三峡”。截至2016年底，酒泉市风电装机达915万千瓦，占全省风电装机的71.6%，全国的6.2%三、风力发电的优点以及负面影响

风力发电的优点风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。有利于环境保护。随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，可以和其他能源形式相竞争。

风力发电的负面影响间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。风电可能对鸟类造成伤害噪声问题对无线电通信的干扰安全问题，叶片折断伤人等第二节风能一、风的描述地球转动，地表的地形差异，以及云层遮挡和太阳辐射角度的差别，使地面受热不均。不同地区的温差和空气中水蒸汽含量不同，形成不同的气压区。空气从高气压区域向低气压区域的自然流动，称为大气运动。高低纬度的温度差异在气象学上，一般把垂直方向的大气运动称为气流，水平方向的大气运动就是风。风能是一种无污染的、可再生的能源，取之不尽，用之不竭，分布广泛，但能量密度相对较低，具有时空上的不稳定性。研究风能的利用离不开对风的特性描述，风的最大特性是它的变化性。对于风能的利用来讲，我们主要关心风速和风向。风速的特性风速是指空气的移动速度，即单位时间内空气在水平方向上移动的距离。瞬时风速称为有效风速，即实际发生作用的风速，通常指很短时间间隔内的风速。平均风速是很长时间内风速的平均值，实际上是在较长时间范围内，多次风速测量的平均值。

风力等级风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。从无风（0.0~0.2m/s）到飓风（大于32.6m/s）分为12个等级。风级名称相应风速(m/s)表现0无风0-0.2零级无风炊烟上1软风0.3-1.5一级软风烟稍斜2轻风1.6-3.5二级轻风树叶响3微风3.4-5.4三级微风树枝晃4和风5.5-7.9四级和风灰尘起5清劲风8-10.7五级清风水起波6强风10.8-13.8六级强风大树摇7疾风13.9-17.1七级疾风步难行8大风17.2-20.7八级大风树枝折9烈风20.8-24.4九级烈风烟囱毁10狂风24.5-28.4十级狂风树枝拔11暴风28.5-32.6十一级暴风陆罕见12飓风>32.6十二级飓风浪滔天

风向风向是指风吹来的方向，如果风从北方吹来，就称为北风。风向一般用8个或16个方位表示，也可以用角度表示，以正北为基准，顺时针方向旋转，东风为90°，南风为180°，西风为270°，北风为360°。

风向“玫瑰”图风是矢量，既有大小，也有方向。风的大小随时变化，其方向也是不稳定的。各种风向的出现频率通常用风向玫瑰图表示，根据玫瑰图可以看出哪个方向上的风具有优势。

风能的能量密度风中流动的空气所具有的能量，称为风能。

风能密度，就是单位面积上流过的风能。S为截面积;ρ表示气流密度，kg/m3；v为气体的速度，m/s。从风能公式可以看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。按照风能资源的多少可以划分成这样几个区域：最大风能资源区。我国的最大陆上风能资源区是东南沿海一带及其岛屿，这一带的面积相对较小，只在由海岸向内陆几十公里的范围内才有较大的风能资源。次最大风能资源区。为内蒙古和甘肃北部。这一带面积辽阔，终年在西风带的控制之下，适合大规模风力发电，是我国最大的风能资源区。二、风能资源大风能资源区。黑龙江和吉林省北部、辽东半岛的沿海区。较大风能资源区。除了上述地区以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地区，其中青藏高原风速全年出现时间可达6500h，但由于海拔高，空气密度小，风能密度也小。最小风能资源区。云、贵、川地区，陕西南部，河南南部，湖南南部，福建、两广地区及塔里木盆地。其中西双版纳和四川盆地的风能最小，只有部分山顶和峡谷等特殊地形的地区才可能进行风能利用。中国的风能资源主要集中在两个带状地区,一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”,其风能功率密度在200瓦/平方米～300瓦/平方米以上,有的可达500瓦/平方米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等,这些地区每年可利用风能的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。从新疆到东北,面积大、交通方便、地势平,风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个,这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少,发出的电上不了网。一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油依靠大陆，电力联网困难，发展风电迫在眉睫。第三节风力发电技术

风力发电原理：利用风的动能来驱动风力机，风力机带动发电机进行发电。简单的说风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为电能的过程。风力发电机组一般由风力机、发电机、支撑部件、基础以及电气控制系统等几部分组成。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气流。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电机组分类（1）按容量大小分为，微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。（2）按转轴与风向的关系，分为水平轴和垂直轴两种形式。

水平轴风力机：风轮的旋转轴与风向或地面平行垂直轴风力机：风轮的旋转轴与风向或地面垂直

风力发电机组分类水平轴风力机水平轴风力发电机组，是指风轮轴线基本与地面平行安置在垂直地面的塔架上。水平轴风力发电机机舱里主要设备有主传动轴、齿轮箱、发电机、刹车装置、机架、控制设备等。水平轴风力机的风轮转轴与风向平行，其风能利用系数高，技术非常成熟，水平轴风力发电机是目前应用最广泛的风力发电机。

风力发电机组分类垂直轴风力机：风杯式风力机风轮的轴垂直于地面安装，是垂直轴风力机，任何方向的水平风力都可以使它旋转，右图为四个风杯的风力机。

风力发电机组分类垂直轴风力机：Ф型升力型的风轮转矩由叶片的升力提供，是垂直轴风力发电机的主流，尤其是风轮像打蛋形的最流行。

风力发电机组分类（3）水平轴风力发电机按叶片数，分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风力发电机，其中三叶片由于稳定性好，得到广泛应用。

风力发电机组分类（4）按风轮与塔架的相对位置，分为顺风式和迎风式。现代用于兆瓦级发电的风力发电机多采用水平轴、迎风式、三叶片的风力机。一、小型风力发电系统

小型风力发电机组多用于离网型风力发电系统，主要由小型风力发电机、控制器、蓄电池和逆变器构成。

（1）小型风力发电机。小型风力发电机结构简单，一般由风轮、发电机、尾舵、限速装置、塔管组成。风轮

由叶片、轮毂、整流罩组成，是风力发电机最重要的部件之一，接受风能，并把风能转换成机械能。发电机

将机械能转换成电能的设备。尾舵

小型风力发电机的对风装置。限速装置

为防止小型风力发电机组超速而设置的装置。塔架用来支撑风力发电机的主要部件。

（2）控制器控制器的主要作用是控制和显示风力发电机对蓄电池的充电状态，当风速达到切入风速，发电机产生的电压和电流达到蓄电池的充电要求时，形成稳定的电压和电流输出，进而向蓄电池组充电；而当风力达到切出风速、发电机产生的电压和电流超出蓄电池的充电要求或在蓄电池组已充满时，断开充电电流，形成卸荷，进而保护蓄电池不会过充。

（3）逆变器逆变器的主要作用是将低压直流电和蓄电池储存的电能转化成220V/50Hz的交流电，进而满足各种用电要求。（4）储能装置由于风具有不确定性，因此独立运行的风力发电系统一般要配备储能系统或与其他发电装置联合运行。当前，风力发电系统中的蓄能方式一般有蓄电池蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、飞轮蓄能、电解水制氢蓄能等多种形式，目前最常用的是蓄电池储能。二、兆瓦级风力发电机组

风力发电机产生的电能不是直接供当地的负荷使用，而是输送到区域或大电网中。并网型风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部分。1.风轮风轮是获取风中能量的关键部件，由叶片、轮毂和整流罩组成，变桨距风力机还包括变桨系统。风轮的轮毂把叶片和输出轴连接在一起，叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩，驱动风轮转动，再通过轮毂将扭矩输入到传动系统。1.风轮（1）叶片叶片是捕捉风能的部件，外形类似飞机的机翼，一面向上凸起，另一面较平直。风能利用系数Cp

叶片捕捉的风能总是小于风的动能，通常把风力机从风中吸收的能量与输入风能之比称为风能利用系数。理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决于风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。1.风轮（2）轮毂轮毂为球铁件，直接安装在主轴上，负责连接主轴和叶片，将风轮的扭矩传递给齿轮箱或发电机。1.风轮（3）导流罩导流罩是用来减小对风的阻力和保护轮毂中的设备的装置，一般用玻璃钢材料制造。（4）变桨系统变桨系统是风力发电机中调节功率的装置，它包含电机，齿轮箱和变桨轴承。2.机舱机舱由底盘和机舱罩组成，机舱内安装着风力发电机组的大部分传动、发电、控制等重要的设备，包括主轴、齿轮箱、发电机、液压装置、偏航装置和电控柜等，是风力发电机组最重要的部件。2.机舱（1）传动系统传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴节。对于容量较大的风电机组，因风轮转速很低，远达不到发电机发电的要求，往往通过齿轮箱的增速作用来实现。而并网运行的发电机必须要求在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。齿轮箱也称为增速箱。齿轮箱的主要功能就是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应转速。对于大型风力发电机，由于限制其转速，传动装置的增速比一般为40-50。这样，可以降低发电机重量，从而降低成本。2.机舱（2）偏航系统

风向不断变化，风轮叶片正对来风方向，才能输出最大的风能。偏航系统的功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。

偏航系统通常有：

1）尾舵对风

2）调相电动机对风

小型风力发电机

大型风力发电机

大型风力发电机偏航系统的主要功能有：1）正常运行时主动对风2）扭缆时自动解缆在偏航过程中，机舱有可能沿着同一方向累计转了很多圈，若风机连续向某一方向偏转，则会使电缆缠绕或扭断。3）失速保护时偏离风向当有特大强风发生时，停机、释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90°侧风，以保护风轮免受破坏。

2.机舱（3）风力发电机

早期风电系统中大多采用恒速恒频风电机组，恒速恒频风电机组的发电机转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后来的变速恒频机组所取代。变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。可按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从而提高机组发电效率,优化风力机的运行条件。变速恒频风力发电系统结构风力机把风能转化为动能。齿轮箱将风力机的低转速转化为发电机运行所需高转速。发电机把风力机输出的机械能转变为电能。发电机侧变流器将发电机发出的变频交流转换为直流。直流环节的电压控制一般为恒定。网侧变流器使直流电转变为三相正弦波交流电，并能有效的补偿电网功率因数。变压器把电能变为高压交流电。变速恒频风力发电系统分类在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风电系统：永磁直驱风力发电系统异步双馈风力发电系统异步电机风力发电系统无刷双馈风力发电系统目前应用较为广泛且较有发展前景的主要是双馈式和永磁直驱式。永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重要方向。

双馈式的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网。

直驱式采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。

缺点为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。1）双馈式风力发电机优点

采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小。1）双馈式风力发电机

1）双馈式风力发电机

双馈感应发电机组是具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电机（DFIG），定子接入电网，转子通过电力电子变换器与电网相连，如下图所示。

双馈式变速恒频风力发电系统结构框图

2）直驱型风力发电机直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。

缺点永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁性，并且电机的功率因数不可控。2）直驱型风力发电机优点风轮与永磁同步发电机直接相连，无需升速齿轮箱。转子为永磁式结构，无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高了效率。转子上没有滑环，运行更加安全可靠。2）直驱型风力发电机

2）直驱型风力发电机

直接驱动式变速恒频（DDVSCF）风力发电系统如图所示，风轮与同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率、幅值均变化的三相交流电，经过整流后变为直流，再通过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。通过电力电子变流器环节，对系统有功和无功进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。

机型和特性 双馈型风力发机组永磁直驱风力发电机组系统维护成本 较高（齿轮箱故障多） 低系统价格 中 高系统效率 较高 高电控系统体积中 较大变流其容量 全功率的1/3 全功率变流变流系统稳定性中高电机滑环 半年换碳刷，两年换滑环 无碳刷，滑环电机重量 轻 重电机种类 励磁双馈型风力发电机和直驱型风力发电机的特性比较直驱永磁风力发电机外观特点：机舱短粗双馈风力发电机外观特点：机舱细长2.机舱（4）制动系统制动系统是风力发电机组中起制动作用装置的总称，一般包括气动制动装置和机械制动装置。（5）冷却系统为保证齿轮箱和发电机在正常的温度范围内工作，防止发生过热，需要循环冷却装置。发电机：水冷却系统齿轮箱：油冷却系统3.塔架风速随着高度的增加而增大，因此较高的塔架可以使风轮机获得更多的风能。