《新能源发电技术》课件-3.风力发电

《新能源发电技术》

第三章风力发电本章节知识点思维导图2/59第一节风资源与风能利用基础风的形成3.1.1风的常见形式3.1.2风向3.1.3风速3.1.4风能3.1.5风电厂选址原则3.1.63.1.1风的形成由于地球上不同高度处大气层压力分布不均，以及地球自转的影响，空气处于永不停息的运动状态，空气的流动即形成了风。5/593.1.1风的形成---单圈环流

大气环流是地球大气层内，气流沿着稳定路径运动的总称。A.太阳辐射对不同纬度加热不均由于赤道与极地间受热不均所形成的简单热力环流形式备注：单圈环流是基于理想化的假设条件（如地球不自转、没有海陆差异等）形成的简单环流模式6/593.1.1风的形成---三圈环流B.地球自转使大气产生偏转热带-赤道信风圈中纬盛行西风圈极地东风圈全球气压带、风带分布模式图：三圈环流7/59三圈环流示意图8/59风的形成3.1.1风的常见形式3.1.2风向3.1.3风速3.1.4风能3.1.5风电厂选址原则3.1.63.1.2风的常见形式---季风由于海陆热容量差异，在大陆和海洋之间形成的大范围、风向以及气压分布随季节有规律变化的风，称为季风。10/593.1.2风的常见形式---海陆风白天吹海风，夜晚吹陆风。在日间温度变化明显和昼夜温差较大的地区，海陆风表现得更为强盛，通常情况下海风会更强盛。11/593.1.2风的常见形式---山谷风山坡和山谷接受的热辐射量差异，导致山坡和山谷间产生一定的温差，从而形成山谷风。山谷越深，温差越大，山谷风越强盛。12/59风的形成3.1.1风的常见形式3.1.2风向3.1.3风速3.1.4风能3.1.5风电厂选址原则3.1.63.1.3风向——表示方法气象台观测：以45°间隔划分用8个方位表示陆地观测：22.5°划分用16个方位表示海面上观测：每10°间隔划分用36个方位表示高空中风向：用角度表示，北风（N）是0°，东风（E）是90°风向：风吹来的方向14/593.1.3风向——测量方法风向标结构注：风向标的箭头永远指向来风方向来风风向标的设计要求：足够的灵敏度（快速反应）一定的稳定性（惯性摆动小）15/593.1.3风向——统计特性图中风向：从外吹向中心风向频率：在一定的观测时间内，风在每一方位出现的次数，除以总的观测次数风向玫瑰图16/59风的形成3.1.1风的常见形式3.1.2风向3.1.3风速3.1.4风能3.1.5风电厂选址原则3.1.63.1.4风速——风速与风级

18/59风级视频观赏3.1.4风速——风速的测量a)旋转式风速计

19/593.1.4风速——风速的测量b)热线式风速计原理：利用一根被加热的金属丝置于空气中，散热速率与周围空气的流速有关的特性来测量风速。20/593.1.4风速——风速的脉动脉动风速=瞬时风速-平均风速

定义脉动风速的方差为σ风速随时间变化情况湍流强度：

21/593.1.4风速——风速的统计特性风速频率：表示一段观测时间内，某一风速出现的时间与总刮风时间之比22/59风的形成3.1.1风的常见形式3.1.2风向3.1.3风速3.1.4风能3.1.5风电厂选址原则3.1.63.1.5风能——风能的计算风能密度:气体在单位时间内，通过单位横截面积的风能大小

有效风能密度

平均风能密度24/593.1.5风能——风能资源的分布全球风能资源分布世界风能资源主要集中在沿海地区和开阔大陆的收缩地带。

25/593.1.5风能——风能资源的分布

26/59风的形成3.1.1风的常见形式3.1.2风向3.1.3风速3.1.4风能3.1.5风电厂选址原则3.1.63.1.6风电厂选址原则选址原则选择风能资源丰富区全年风向稳定避开自然灾害频发地带地势平坦，交通便利，风电上网条件好湍流强度要小根据实地情况选择风机安装方式28/593.1.6风电厂选址原则新疆达坂城风电厂内蒙古辉腾锡勒风电厂浙江临海括苍山风电厂甘肃酒泉风电厂29/59思考题请简述风的形成过程，并列举风的常见形式。请说明通常采用哪几个参数来描述风的主要特征？请给出风能的数学计算式，并解释影响风能大小的最主要因素。30/59第二节风力发电机组的构成风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.1风力机——基本概念垂直轴风力机与水平轴风力机风轮转动轴与地面的相对位置升力型风力机与阻力型风力机叶片工作原理定速型与变速型风轮转速定桨距与变桨距功率调节33/593.2.1风力机——分类垂直轴风力机主要由转子、中心塔柱、上下轮毂、上下轴承等组成一般适用于中小容量机组主要部件为风轮、机舱与塔架水平轴风力机34/593.2.1风力机——机舱35/593.2.1风力机——叶片叶片：主梁、外壳、纤维增强材料(如玻璃纤维或碳纤维)空气动力学特性可靠的结构强度合理的叶片刚度和叶尖变形位移结构动力学特性和气动稳定性36/593.2.1风力机——叶片受力分析37/593.2.1风力机——叶片受力分析38/593.2.1风力机——叶片受力分析39/593.2.1风力机——轮毂轮毂：将风轮所受的力和力矩传递给传动装置对于变桨风力发电机来说，轮毂也是控制叶片桨距的重要装置球形轮毂圆柱形轮毂40/593.2.1风力机——轮毂41/59风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.2传动系统——组成作用：将风轮吸收的能量以机械能的形式传递给发电机主轴支撑风轮并将力矩传递给齿轮箱齿轮箱增大转速联轴器实现轴与轴之间的连接轴承转动与固定部分的连接43/593.2.2传动系统——组成44/59风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.3变桨距系统通过调节叶片对气流的攻角来改变能量转换效率主要包括连续变桨和全顺浆两种工作状态通过改变叶片桨距，在机组需要停机时提供制动当遇到紧急情况时，叶片转动到90度，使叶片与风向平行46/593.2.3变桨距系统外齿轮电动变桨距系统内齿轴承变桨距系统变桨部件47/59风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.4偏航系统又称对风装置。当风向发生变化时，能够快速平稳对准来风，以便风轮获得最大的风能。与控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态充分利用风能提供必要的锁紧力矩，保证风力发电机组的安全运行49/593.2.4偏航系统——动画示意50/59风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.5发电机——分类直流发电机永磁直流发电机励磁直流发电机交流发电机双馈异步发电机直驱型发电机双馈异步发电机双馈异步发电机是一种变速恒频、使用最广泛的风力发电机52/59风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.6控制系统根据风速大小自动启动或从电网切出当电网故障时，能确保机组安全停机能对电网、风况和机组的运行状态进行检测与记录远程通信，可实现异地遥控操作提高发电效率与发电质量54/59风力机3.2.1传动系统3.2.2变桨距系统3.2.3偏航系统3.2.4发电机3.2.5控制系统3.2.6

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3.2.73.2.7支撑设备与安全保护管状锥形，外形美观，结构可靠塔架桁架式锥筒式用铆钉、螺栓装配钢材杆件塔架56/593.2.7支撑设备与安全保护保护齿轮箱、传动系统、发电机等主要设备免受风沙、雨雪侵害机舱与底盘构成一个封闭的壳体，底盘连接到塔架上，起固定承载作用。同时通过轴承连接着偏航系统，通过旋转底盘实现对风机舱57/593.2.7支撑设备与安全保护叶片防雷系统叶片内敷设导线，连接至机舱，在通过接地线接到机舱和塔架机舱防雷系统金属机舱本身相当于一个法拉第笼机舱内部件通过铜导线与塔架连接，将雷电引到地面防雷58/59课堂作业风力机的主要类型及其基本组成结构。为什么要在风力发电机组中会用到偏航系统？偏航系统是如何发挥作用的？请简述风力发电机组的主要组成部分，并简要说明其作用。59/59第三节储能电池储能电池用途：平稳电能输出，减少对电网的影响优点：1、效率高；2、体积小；3、易安装光伏电站分布式光伏风电场独立光伏微电网建筑单击此处添加项标题61/60电池的基本结构3.3.1储能电池主要性能参数3.3.2几种储能电池3.3.3储能电池在新能源发电系统中的应用3.3.4电池的基本结构3.3.1储能电池主要性能参数3.3.2几种储能电池3.3.3储能电池在新能源发电系统中的应用3.3.43.3.1电池的基本结构定义：以液态电池为例，其结构包括电解质溶液和金属电极等，能够将化学能转化成为电能的装置。基本组成包括：外壳、电极与极板、隔膜、电解质等。64/603.3.1电池的基本结构——①外壳密封不漏气电解液不外泄耐腐蚀抗冲击保证电池稳定安全的第一道防线：电池外壳的组成：紧密结合胶粘密封凹槽封顶密封预留空位电池盖支撑固定电池槽65/603.3.1电池的基本结构——②电极与极板活性物质：发生电化学反应导电骨架：传导电子，支撑活性物质组成正极：金属氧化物，盐类，硫化物负极：铅、锌、锂等金属或碳材料电极材料多层极板：增大电极电解液接触面积多孔结构：增大接触面积，留出体积变化空间极板结构66/603.3.1电池的基本结构——③隔膜隔膜的作用：防止由于正负极板靠的太近引起短路、烧毁电池等例如：锂电池，由于电解液是有机溶剂，因此隔膜为耐有机溶剂的高强度聚烯烃多孔膜对电子绝缘一定的孔隙率和孔径力学性能：不能轻易被刺穿拉断化学稳定性：耐受电解液腐蚀浸润性和吸液保湿性尽可能薄，易于制造，价格便宜半透膜微孔膜编织物非编织物0102要求常用材料67/603.3.1电池的基本结构——④电解质电解质定义：水溶液或熔融状态下可以产生自由离子的物质连通性充满电池内部，实现电池内部的连接反应性流动于正负极板之间，参与内部的化学反应决定性决定电池性能的优劣68/603.3.1电池的基本结构——④电解质强酸，如铅酸电池中的硫酸（H2SO4）强碱大多数盐类，如锂电中的六氟磷酸锂（LiPF6）通常选用导电性强的强电解质69/60电池的基本组成3.3.1储能电池主要性能参数3.3.2几种储能电池3.3.3储能电池在新能源发电系统中的应用3.3.43.3.2储能电池主要性能参数性能参数电压容量功率充电效率寿命性能参数决定应用场景主要性能参数包括：71/603.3.2储能电池主要性能参数——①电压由于电动势，储能电池的两极才会有电压反映储能电池将化学能转化成电能的能力用于在电池设计阶段估算该电池的端电压能斯特方程电动势

电压72/603.3.2储能电池主要性能参数——①电压电压表示形式端电压充电或放电时的电压值,与储能电池的工况有关开路电压电池开路状态下电压值,电池的开路电压与电池的设计有关标称电压电池放电过程中最稳定的电压值,用于鉴别电池的类型终止电压电池充放电过程中，电压的上下限，分放电和充电两种73/603.3.2储能电池主要性能参数——②容量（电量）定义：指电池在一定条件下能够容纳或释放的电量，单位：A•h或mA•h额定容量在规定条件下，进行测试得到能够输出的最低容量用于电池选型理论容量根据电化当量和活性物质的量，理论计算得到的电池容量大小用于设计阶段理想状态下获得的最大容量比容量容量与质量或体积的比值用于对比电池性能单位：A•h/Kg或A•h/L电池容量实际容量在实际工况下电池输出的电量，代表电池在实际工况下的储能能力受到设计、生产、使用等多方面因素影响74/603.3.2储能电池主要性能参数——②容量在IEC标准规定下，镍镉/镍氢电池的额定容量是在20±5℃下，以0.1C电流充电16小时后，以0.2C电流放电至电压1.0V所放出的电量额定容量测量方法

充放电倍率75/603.3.2储能电池主要性能参数——③功率质量比功率/体积比功率单位质量或体积，储能电池的放电能力单位：W/kg或W/L功率和容量的区别功率：决定电池能带动多大负载容量：决定电池能储存多少电能计算公式P=U×IP：实际功率（W）U：端电压（V）I：放电电流（A）随放电电流增加，输出功率有先升后降的趋势单击添加标题定义在一定的放电条件下，单位时间输出的能量，称为电池的输出功率，单位用瓦（W）或千瓦（kW）来表示76/603.3.2储能电池主要性能参数——④充电效率直观反映了储能电池的能量转换效率电量单位以A·h或W·h为计量单位公式意义定义在规定条件下，放电期间对外输出的电量与通过充电恢复到初始状态所需电量之比称为储能电池的充电效率

77/60电池的基本组成3.3.1储能电池主要性能参数3.3.2几种储能电池3.3.3储能电池在新能源发电系统中的应用3.3.43.3.3几种储能电池各电池的特性与性能参数不同，目前技术比较成熟、应用较为广泛的储能电池包括铅酸蓄电池、锂离子电池、全钒液流电池、钠硫蓄电池等。79/603.3.3几种储能电池——①铅酸电池放电反应方程式优缺点电极材料特点人们最早使用的储能电池技术之一目前最成熟的储能电池技术铅酸电池仍大量用在电瓶车上优点：单体容量大、成本低、易控制、安全可靠、技术成熟度高、市场应用广泛缺点：比能量较低、循环寿命短、易产生环境污染

80/603.3.3几种储能电池——②锂离子电池优缺点优点：能量密度大,工作电压高，清洁缺点：价格高，内阻大，需要保护电路，稳定性差放电反应方程式

特点近些年成功开发并广泛应用的新型电池广泛应用于便携式电子产品行业材料

81/603.3.3几种储能电池——③全钒液流电池

材料正极VO2+/VO2+负极V2+/V3+放电反应方程式简介将具有与不同价态的钒离子溶液作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中避免了正负极间的不同种类活性物质相互渗透，产生的交叉感染82/60原理示意图3.3.3几种储能电池——③全钒液流电池对工作温度要求严格，比容量较低，价格过高需要配置循环泵，降低了实际效率钒离子电解液可以回收重复使用和再生利用使用同种元素的电池系统，避免交叉感染功率和容量的调整在结构上独立，易于模块化组合单击此处添加项标题83/603.3.3几种储能电池——④钠硫电池一般电池由固体电极和液体电解液组成，但是与一般电池不同，钠硫电池由熔融的液态电极和固体电解质组成。优点：能量密度高，寿命长，充放电效率高缺点：工作温度高；安全性问题负极：熔融金属钠

正极：硫和多硫化钠熔盐外壳

放电反应方程式84/60电池的基本组成3.3.1储能电池主要性能参数3.3.2几种储能电池3.3.3储能电池在新能源发电系统中的应用3.3.43.3.4储能电池在新能源发电系统中的应用01波动性随机性新能源发电特点03大型化，动态响应，安全易维护，成本低，效率高改进方向02减少弃风弃光平滑功率波动提高可调控性储能电池的作用86/603.3.4储能电池在新能源发电系统中的应用名称地点发电量储能电池应用Tehachapi风电场美国加州约为8亿kWh锂离子电池储能系统全美国最大的电池储能系统国家风光储输示范工程河北省张北县500MW风电场100MW光伏发电站70MW储能电站功率14MW、容量63MWh铁锂电池功率2MW、容量8MWh全钒液流电池功率2MW、容量8MWh的钠硫电池储能装置能量型：高能量输入与输出功率型：瞬间大功率输入与输出87/603.3.4储能电池在新能源发电系统中的应用88/60新疆中船十三间房风储电站3.3.4储能电池在新能源发电系统中的应用提高可控性降低弃风弃光率提升系统可靠性参与系统调频国家风光储输示范工程：89/60思考题从结构上来说，储能电池一般包括哪几个主要部分？在储能电池选型过程中，需要注意哪些主要性能参数？储能电池的开路电压、端电压、标称电压和终止电压有什么区别？请列举3-4个可以用于新能源发电系统中储能系统的电池技术，并比较他们各自的优劣。90/60第四节风电功率预测技术风电功率预测发展历程3.4.1数值天气预报技术3.4.2风电功率预测分类3.4.3典型风电功率预测技术3.4.4风电功率预测的评价3.4.5风电功率预测发展历程3.4.1数值天气预报技术3.4.2风电功率预测分类3.4.3典型风电功率预测技术3.4.4风电功率预测的评价3.4.53.4.1风电功率预测发展历程——国外1998年，美国的可再生能源公司AWSTruewind开发了一套风电功率预报系统eWind1994年，丹麦国家可再生能源实验室开发了第一套较为完整的风电功率预测系统Prediktor2002年10月，由欧盟委员会资助启动了ANEMOS项目20世纪70年代，美国太平洋西北实验室PNL首次提出了风电功率预测的最初设想1994年，丹麦科技大学开发了基于自回归统计方法的风电功率预测工具WPPT。2001年，德国太阳能研究所ISET开发了风电功率管理系统WPMS94/603.4.1风电功率预测发展历程——国外2005年，爱尔兰科克大学开发了WEPROGMSEPS风功率预测系统2003年，丹麦国家可再生能源实验室与丹麦科技大学联合开发了新一代短期风功率预测系统Zephry2002年，德国奥尔登堡大学研发了Previento系统2003年6月，西班牙国家可再生能源中心与西班牙能源、环境和技术研究中心合作研发LocalPred-RegioPred风功率预测系统2008-2012年，欧盟开展ANEMOS的后续延伸项目ANEMOS.plus和SafeWind95/603.4.1风电功率预测发展历程——中国01中国电力科学研究院有限公司推出国内第一套商用的风电功率预测系统WPFSVer1.02008清华大学、国能日新北京中科伏瑞研发了各自的预测系统022010国网南瑞集团、华北电力大学、湖北气象服务中心、中国气象局等机构开发了各自的预测系统032011国内各大电力集团、高等院校、科研院所都在不断发展功率预测技术042012至今96/60风电功率预测发展历程3.4.1数值天气预报技术3.4.2风电功率预测分类3.4.3典型风电功率预测技术3.4.4风电功率预测的评价3.4.53.4.2数值天气预报技术——概念1.定义数值天气预报是在给定初始条件和边界条件的情况下，数值求解大气运动基本方程组，用已知时刻的大气状态，来预报未来时刻的大气状态。2.分类全球模式覆盖整个地球，其目标是求解全球的天气状况，分辨率几十公里；美国的GFS、欧洲的ECMWF，加拿大的GEM，日本的GSM，中国的T639和GRAPES模式区域模式分辨率在几公里量级，预报结果较全球模式更为精确；较为著名的区域模式包括美国的WRF、MPAS，我国的GRAPES-MESO全球模式区域模式020198/603.4.2数值天气预报技术——概念欧洲

ECMWF美国GFS全球模式99/603.4.2数值天气预报技术——概念中国气象局自主开发的全球/区域一体化模式区域模式100/603.4.2数值天气预报技术——技术适用特点02为了保障功率预测精度，要求NWP的空间分辨率应尽量高，目前区域模式普遍都将空间分辨率提高到9km×9km以上空间分辨率要求更高04用于功率预测的NWP需实现定量预报，即给出具体时间、地点相关要素，可以给出相应预测值定量化预报01风速和辐照强度的大小直接决定了风电和光伏出力的大小，因而功率预测中最关键的气象要素是风速和辐照强度更关注风速、辐照度（光伏）03发电计划编制通常采用的时间分辨率为15分钟，这就要求NWP的时间分辨率也需是15分钟时间分辨率与电力调度要求一致05为了提高新能源消纳，满足调峰需求，要求功率预测的时间长度至少在3天，NWP也在3天以上预报时长至少72小时101/60风电功率预测发展历程3.4.1数值天气预报技术3.4.2风电功率预测分类3.4.3典型风电功率预测技术3.4.4风电功率预测的评价3.4.53.4.3风电功率预测分类1.基于时间尺度的主要分类

超短期

功率预测

中长期

功率预测

短期

功率预测预测风电场未来0到4小时的有功功率，时间分辨率不小于15分钟，用于电力系统调峰调频优化、经济负荷调度以及旋转备用调节等预测风电场次日零时起3天的有功功率，时间分辨率为15分钟，用于日前发电计划制定、优化冷热备用、合理调度电网资源等预测超过3天的风电功率，主要用于安排场站、电网输变电设备检修、风电场储能、优化备用容量、评估风电资源、建设规划风电场103/603.4.3风电功率预测分类2.基于空间范围的分类对单个风电场进行功率预测对单台风电机组进行功率预测对大的空间范围内多个风电场组成的风电集群进行整体出力的预测单风电场功率预测单机功率预测风电集群功率预测104/603.4.3风电功率预测分类3.基于建模输入数据的分类以风电历史数据作为模型的输入，建立预测模型，并推导功率预测结果以风电场附近相关的地形信息和地貌信息作为输入，通过微观气象物理模型推导风速、风向等物理信息，并进一步得到风电预测功率，无法用于超短期风电功率预测中0102不采用NWP数据采用NWP数据105/603.4.3风电功率预测分类4.基于预测模型的分类持续模型以当前时刻实测功率值作为未来时刻的预测功率，模型简单，适用于时间尺度较短的预测人工智能方法建立历史数据、NWP数据与风电场输出功率之间的非线性映射关系，需要大量的历史观测数据，预测精确度高，适用于超短期、短期和中长期风功率预测多元组合方法通过对物理方法、统计方法、人工智能方法等不同预测方法采取合适的权重进行加权平均，以发挥各个模型的优势物理方法考虑风电场的物理信息，需要NWP数据，而不需要积累大量的历史数据，采用的是基于风速的预测方法，适用于短期风功率预测统计方法建立NWP数据与风电场输出功率之间的映射关系，适用于超短期、短期和中长期风功率预测106/603.4.3风电功率预测分类5.基于预测形式的分类01对未来风电功率的期望值的预测，预测精度高，但不能定量反映风电功率的不确定性确定预测03在风电输出功率随机序列的基础上，用离散的风电场输出功率概率分布取代风电功率不确定性，对风电功率的概率分布进行预测的方法事件预测02对未来时刻风电功率的波动区间或密度函数的预测，可分为参数化的方法和非参数化的方法概率预测107/60风电功率预测发展历程3.4.1数值天气预报技术3.4.2风电功率预测分类3.4.3典型风电功率预测技术3.4.4风电功率预测的评价3.4.53.4.4典型风电功率预测技术——①短期功率预测1.定义风电短期功率预测（3天）示意图预测时间尺度为0-72小时的短期发电功率，主要用于发电计划编制109/603.4.4典型风电功率预测技术——①短期功率预测2.气象要素与风电功率的关系风电机组捕获的风功率：式中，P为风力机输出功率，kWCp为风电机组的风能利用系数，无量纲A为风轮扫掠面积，m2；ρ为空气密度，kg/m3v为风速，m/s风电场的效率系数:Pm为实测的风电场在一定风速和风向条件下的输出功率，kWPf为风电场在同样工况下不受尾流影响的输出功率，kW