风力发电设备技术及产业

1、1、机械工业出版社，第三章风力发电和控制技术，机械工业出版社，2，本章主要内容是3.1风特性和风力发电机组及工作原理3.3风力发电机组的控制策略3.4风力发电机组的云同步运行和功率补偿3.5风力发电的经济技术评价，机械工业出版社，3，绪论，风力发电是一个综合较强的系统，在空气力学，机械，电动机和控制技术等领域风力发电是在大量利用风力抽水的基础上发展起来的，它首先从丹麦开始，现在丹麦已成为世界生产风电设备的大国。 20世纪70年代世界上不断出现石油危机，随之而来的环境问题使人们思考可再生能源的利用问题，风力发电很快提高了议事日程。 风力发电是近来发展利用最有前景的可再生能源，也是2.1世纪发展最

2、快的可再生能源。机械工业出版社，4，感性认识：各种风机、机械工业出版社，5，机械工业出版社，6，机械工业出版社，7，机械工业出版社，8，3.1风的特性和风力利用，3.1.1风的产生风是地球上的自然现象，太阳辐射热和地球自转，公转和地表差异等，所以大气就是这个能量转化的媒介。 图3-1地球上风向的运动，机械工业出版社，9，9，3.1.2风的特性和风力，1，随机性2，根据高度的变化而不同高度风速的式：式中，自地面高度为h地点的风速(ms )； 0高h0下的风速(ms )，一般将h0设为10m的k修正指数取决于大气的稳定度和地面的粗糙度等，其值约为0.1250.5。机械工业出版社、1.0、3.1.3

3、风的表示和应用1、风向、风向一般用1.6方位表示，也可以用角度表示。 图示方向方位图、图3-2风向方位图、机械工业出版社、1.1、2，风速有时没有风，有时大有时小，因此每个瞬间速度不同，所以风速是一定期间的平均值，即平均风速。 3、风力水平是由风对地面和海面物体的影响引起的各种现象，根据风力的强度水平来估计风力的大小。 国际上采用的是蒲福风级，从静风到飓风分为1.3阶段。 风力等级和风速的关系：式中VNN级风的平均风速(m/s) n风的级数。 机械工业出版社，1.2，4，风能(1)风能密度，空气以每秒钟的速度在单位面积上产生动能。 式子是：(2)风能，空气以1秒钟的速度流过面积s断面的动能。

4、式、(3)风力利用、风力利用主要是将大气运动时的动能转换为其他形式的能量。机械工业出版社、1.3、风能转换和应用情况如图所示。图3-5风力转换和应用情况、机械工业出版社、1.4、3.2风力发电机组和工作原理3.2.1风力发电机组的结构和分类、1、风力发电机组的分类、风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。机械工业出版社、1.5、风力发电机电力，运行方式为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组，微型(额定功率501000W )、小型(额定功率1.010kW )、中型(额定功率10100kW )和大型(额定功率100kW以上)，独立运行并并行运行，机械工业出版社、1.6、2、 风力发电机组结构

5、风力发电机组中，水平轴风力发电机组由于目前技术最成熟、产量最大形式的垂直轴风力发电机组效率低、需要启动设备等技术原因应用少，以下主要介绍水平轴风力发电机组的结构。机械工业出版社、1.7、(1)独立运行的风力发电机组、水平轴独立运行的风力发电机组主要由风车(包括尾舵)、发电机、斯坦共和国、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要构成请参见右图。、图3-6水平轴独立运行的风力发电机组的主要结构、机械工业出版社、1.8、并行运行的水平轴式风力发电机组由风车、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、操纵系统、塔式等零配件构成，其结构如图所示，(2)并行运行的风力发电机组， 图3-7并行运行的水平轴风力发

6、电机组原理分块图、机械工业出版社、1.9并行运行的大型风力发电机组基本结构由叶片、集线器、主轴、增速齿轮箱、方向转换机构、发电机、塔式、操纵系统及附属零配件(机舱、床、回转体、刹车器)等构成，结构如图所示。 (3)大型风力发电机组，图3-8大型风力发电机组基本结构，机械工业出版社，2.0，3.2.2风力机风力机又称风车，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。 1、水平轴风力机： a .荷兰式b .农庄式c .自行车式d .铲式，图3-9水平轴风力机，机械工业出版社，2.1，2，垂直轴风力机： a .新闻式b .达里尔式c .铲式，图-10垂直轴风力机，机械工业出版社，2.2，水平轴，垂直轴，机械工

7、业出版社风力发电机组风力机之所以能够把风能转换成机械能，是因为风力发电机组的风能转换成机械能，图示是现代风力机的翼型和翼型受力分析图。 图3 -分析1.1风力机的翼型和受力、机械工业出版社、2.4，当前风车不动时刮风的状况：当风以速度矢量吹到翼上时，翼型的上面风速减少，形成低压区，翼型的下面风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力f 当机械工业出版社、2.5、风力机的输出功率与风力机的叶片接触时，风力机的主要作用是将风能转换为机械能，风力机的机械输出功率可用公式表示。 有与机械工业出版社、2.6、最大风力机利用系统CPm对应的叶片叶尖变速比m，由于风速经常变化，为了实现风力

8、能量的最大捕获，风力机必须变速运行，维持叶片叶尖变速比m。 步距角一定时，CP与叶片叶尖速比的关系如下图所示。图3-13风力机利用系数与叶片叶尖速比的关系，机械工业出版社、2.7、3.2.4风力发电机在从机械能转换成电能的过程中，发电机及其联合支重轮是系统整体的核心。 在独立运转的风力发电机组中使用的发电机主要是直流发电机、永久吸铁石式交流发电机、硅整流自激式交流发电机、静电容量式自激式异步发电机。 并网运转的风力发电机针织面料中使用的发电机主要是同步发电机、异步发电机、双种子文件发电机、低速交流发电机、无刷双种子文件发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机、开关磁敏电阻发电机等。机械工业出版

9、社、2.8、1、独立运行风力发电机组的发电机独立运行的风力发电机一般容量小，可配合蓄电池和电能转换器实现直流和交流的持续供应。 独立运转的交流风力发电系统的构成如下图所示。图3-14独立运行的交流风力发电机系统结构、机械工业出版社、2.9、(1)直流发电机直流发电机从磁场发生(励磁)的角度出发，可分为永久吸铁石式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图所示。 直流发电机可以直接给蓄电池供电储存能量，可以省去整流器，随着硬磁材料的发展和直流发电机的无刷化，永久吸铁石直流发电机的电力越来越大，性能大大提高，是一台有发展前途的发电机。、图3-15电磁式直流发电机的结构，机械工业出版社，3.0，(2

10、)由于永久吸铁石式交流同步发电机永久吸铁石式交流同步发电机的转子上无励磁线圈，所以励磁线圈无铜耗，发电机效率高的转子上无集电环，发电机运转更可靠的使用钕铁硼永久磁铁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造方便图3-17凸极式永久磁铁发电机的构造图，1定子齿2定子轭3永久吸铁石转子4转子轴5空气隙6定子绕组，机械工业出版社，3.1，(3)硅整流自激式交流同步发电机为下图，硅整流自激式交流同步发电机的电路图。 硅整流自激式交流同步发电机一般通过自动调节励磁电流的大小，抵消风速变化引起的发电机转速变化对发电机路端电压的影响，延长蓄电池的寿命，提高供电质量。图3-18硅整流自激式交流同步发电机电路的原理图

11、，机械工业出版社，3.2，(4)电容自激式异步发电机电容自激式异步发电机将电容连接到异步发电机定子线圈的输出端，产生先于电压的容性电流，产生磁场并产生电压。 其电路图如下图所示。图3-19静电容量自激式异步发电机电路原理、机械工业出版社、3.3、并网运行的风力发电机组中使用的发电机、(1)异步发电机风力异步发电机嵌入电力网运行时，只要发电机的转速接近同步转速即可并网，用户针织面料的调速要求不高，不需要同步设备和调试操作。 异步发电机的输出与转速大致呈直线关系，可根据转速调整负荷。 (2)同步发电机在发电机转速恒定的情况下，同步发电机频率稳定，在电能质量高的同步发电机运行时通过调节励磁电流可以调

12、节功率因数，能够输出有效功率和无效功率两者，使功率因数为1，因此被电力线路广泛接受。机械工业出版社、3.4、机械工业出版社、3.5、(3)双种子文件异步发电机双种子文件异步发电机是目前最有前途的发电机，其结构由带总线环的绕组转子异步发电机和逆变器组成，逆变器有交流逆变器、正交逆变器、正弦波脉冲宽度调制双向逆变器3种，系统结构、图3-25双种子文件异步发电机的系统结构、机械工业出版社、3.6、机械工业出版社、3.7、双馈异步发电机的工作原理：异步发电机中，转子电流产生的旋转磁场始终相对静止，在发电机转速变化而频率不变的情况下，假定发电机转子的转速， 关于转子电流的频率关系，在式中，f1定子电流的

13、频率(Hz )、f1=pn1/60、n1能够表示为同步转速的p发电机的极对数n转子的转速(r/min) f2转子电流的频率(Hz )，由于f2=sf1，所以f2也称为差频根据机械工业出版社、3.8、双种子文件异步发电机的转子转速的变化，双种子文件异步发电机有3种运行状态：1)亚同步运行状态。 此时，n0、频率f2的转子电流产生的旋转磁场的旋转速度为与转子旋转速度相同的方向，电力的流动如图所示。机械工业出版社、3.9、2 )超同步运行状态。 此时，nn1、滑差率s0、转子中的电流相序发生变化，频率f2的转子电流产生的旋转磁场的旋转速度成为与转子旋转速度相反的方向，电力的流动成为图。 3 )同步运

14、行状态。 此时，n=n1、f2=0，转子的电流为直流，与同步发电机相同。、机械工业出版社、4.0、双种子文件异步发电机的转子经由双向转换器与电力网相连，实现电力的双向流动，电能转换器容量小，能够进行低成本的亚同步运行和超同步运行，跟踪调速范围广的最佳叶片叶尖速度， 由于能够实现最大的大风能捕获控制有功功率和无功功率，能够提高功率因数吸收疾风能，减小扭矩脉动和输出功率的波动，是一种电能质量高、有发展潜力的变速恒频发电机。机械工业出版社、4.1、(4)无刷双种子文件异步发电机无刷双种子文件异步发电机(Brushless DoublyFed Machine，简称BDFM )的基本原理与双种子文件异步

15、发电机相同，区别在于废除了刷和集电环，虽然系统运行的可靠性增加，但系统的体积也是、图3-27串联式无刷双种子文件异步发电机、图3-28磁场调制型无刷双种子文件异步发电机、机械工业出版社、4.2、(5)开关磁阻发电机开关磁阻发电机也称为双凸极式发电机(简称SRG )，固定， 转子的凸极是将普通的硅钢板层叠而成，定子极数一般比转子极数多，转子没有绕组，定子凸极搭载有相互独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联构成一相。图3-29三相(6/4极)开关磁敏电阻发电机的结构、机械工业出版社、4.3、开关磁敏电阻发电机作为风力发电机使用的情况下，其系统由风力机、开关磁敏电阻发电机及其电能转换器、康托支重轮、

16、蓄电池、逆变器、负载及辅助电源等构成，其系统结构如图所示开关磁敏电阻发电机结构简单、控制灵活、高效、扭矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，具有一定的研发、研究价值。图3-30开关磁敏电阻风力发电机系统组成、机械工业出版社、4.4、3.3风力发电机组控制策略，与一般工业操纵系统不同，风力发电机组操纵系统是综合复杂的操纵系统。 特别是对于并行运行的风力发电机组，操纵系统监测电力网、风况和用户针织面料的运行数据，对用户针织面料进行并行和脱网控制，不仅确保运行过程的安全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化，优化控制用户针织面料，提高用户针织面料的运行效率和发电质量。 这是风力发电机组

17、控制中的重要技术，现代风力发电机组一般采用微机控制。机械工业出版社、4.5、2A/D转换模块3风向标4风速计6电压表7电流计8控制机构9致动器1.0液压调速缸1.1是电机1.2的其他传感器，图3-32风力发电机组微机自控原理框图，机械工业出版社，46，3.3.1风力发电特点和控制要求风力发电系统控制的风力发电系统通常的控制功能有7个：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行的低风速时，跟踪最佳叶片叶尖比，取得最大风能量的高风速时，限制风力的捕获，保持风力发电机组的输出额定，减小阵风引起的扭矩变动的峰值， 减小风车的机械应力与输出的变动，避免谐振，减少机械工业出版社、4.7、动力链的瞬态响应，成本简单，控制成本小，调节一些由输入信号切片而成的尤针织面料的功率，确保尤针织面料的输出电压与频率的稳定。 为了实现上述所要求的控制功能的一部分或者全部，风力发电机组的控制技术经历了三个主要的发展阶段：从最初的定间距失速定频控制到后来的定间距定频控制，现在主要发展变间距或者定间距变速定频控制。机械工业出版社、4.8、3.3.2并联网型风力发电机的功率调节控制、风力机的功率调节方式有定间距失速调节、可变间距调节和主动失速调节3种。1、定桨距失速调节定桨距失速调节一般用于定速控制，风力机的结构特征是，叶片和轮毂的连接固定，步距角固定，风