风力发电原理——2012绪论

1、1 华北电力大学控制与计算机工程学院华北电力大学控制与计算机工程学院 2 课程简介 n第一章：绪论 n第二章：风能及其转换原理 n第三章：风力发电机组结构 n第四章：风力发电机 n第五章：风力发电机组的控制技术 n第六章：垂直轴风力发电机组 n第七章：离网风力发电系统 3 基本要求 n了解风能及其利用 n掌握大型并网风力发电机组的基本结构 n掌握各部件的基本原理 n了解风力发电技术发展 4 第一章 绪论 n随着生产力和生活水平提高，世界能源消耗迅速 增长在20世纪，世界人口增长4倍，而能源消 耗增长16倍。 n常规的化石能源储量有限，面临数量紧缺和价格 提高。 n化石能源开发和燃烧利用加剧了人

2、类和地球生物 生存环境的恶化。 n出路是调整能源结构、开发利用清洁可再生能源。 地球上的能源与环境问题 5 能量 n能量是物质运动的一种度量，也是物质存在的一 种形态，一般指其具有的做功能力。 n目前，通常认为有以下六种能量形式： 机械能：动能： 重力势能： 弹性势能： 表面能： 热能： 电能： 以及化学能、辐射能、核能。 2 1 2 V EmV P Emgh 2 1 2 K EKX S ES 2 1 T q T EmCdT eEUI 6 能源 n能够直接或经转换提供能量的资源称为能源。 n按被利用程度分: n常规能源：开发利用时间长，技术相对成熟、能大量生产利用。 n新能源：开发和利用尚在研

3、究和推广使用。 n按取得方式分： n一次能源：自然存在，可直接利用。 n二次能源：经转换或加工生产的。 n按短期内能否重复取得分： n可再生能源 n非可再生能源 n就目前生产技术水平，可大规模开发利用的清洁可再生能源主要有： 风能、太阳能和生物质能。 7 1.1 风能利用及风力发电历史 n人类利用风能有资料记载的有几千年历史。早期主要是以 风做为动力风帆、风车。 a) 帆船 b) 风车 人类早期风能利用示例 8 1.1 风能利用及风力发电历史（续） n十九世纪晚期开始出现风力发电。 n1887美国人Charles F. Brush研制出世界上第一台12kW直流 风力发电机，用来给家里的蓄电池充

4、电。 n1891丹麦物理学家Poul La Cour建造了一台30KW左右的具有现 代意义的风力发电机组，发出直流电，用于制氢。 n1926德国科学家Albert Betz对风轮空气动力学进行了深入研 究，提出了“贝茨理论”，指出风能的最大利用率为59.3%，为现 代风电机组空气动力学设计奠定了基础。 n1940美国工程师Palmer Cosslett Putnam与S.Morgan Smith公 司合作，制造出风电发展历史上第一个1250kW超大型的Smith- Putnam风电机组。 n1942德国人Ulrich Huetter提出“叶素动量理论”。 n我国风力发电始于20世纪70年代，8

5、0年代后研制并网机组。 9 1.1 风能利用及风力发电历史（续） a) Brush的风电机组 b) Poul la Cour的风电机组 c) Smith-Putnam的风电机组 早期的风电机组早期的风电机组 10 1.1 风能利用及风力发电历史（续） a) 德国人Huetter建造的风电机组W-34 b) 丹麦人Johannes Juul建造风电机组Gedser 现代风电机组的先驱 11 1.2 中国风能资源与开发 n1.2.1 风能特点 n风能蕴藏量大、分布广。 n风能是可再生能源。 n风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。 n风能的能量密度低。 n不同地区风能差异大。 n风能具有不稳定性

6、。 12 1.2.2 我国风能资源 我国风能密度分布图 13 1.2.2 我国风能资源（续） 我国全年风速大于 3m/s的小时数的分布图 14 1.2.2 我国风能资源（续） 中 国 有 效 风 能 分 布 图 区别区别平均风速（米平均风速（米/每秒）每秒）分布地区分布地区 丰富区丰富区6.5东南沿海、山东半岛和辽东半岛、三北北部区、松花江下游区 较丰富区较丰富区5.56.5东南沿海内陆和渤海沿海、三北南部区、青藏高原区 可利用区可利用区3.05.5两广沿海区、大小兴安岭地区、中部地区 贫乏区贫乏区3.0云贵川和南岭山地区、雅鲁藏布江和昌都区、塔里木盆地西部区 15 1.2.3 风电发展概况

7、世界风电装机容量（来源：世界风能协会（WWEA）2009世界风能报告） 国家美国中国德国西班牙印度意大利法国英国葡萄牙丹麦 当年装机99221380018802460133811141117897673334 累计装机351592601025777191491092548504521409235353497 比例22.1%16.3%16.2%11.5%6.8%3.0%2.8%2.6%2.2%2.2% 2009年世界风电装机最多的十个国家（MW） 16 据国家电网公司统计2011年并网风电装机容量5258万千瓦。 17 1.2.3 风电发展概况（续） 我国规划的大型（千万千瓦、百万千瓦级）风电基

8、地分布图 18 1.3 风力发电技术与发展 n1.3.1 机组类型 n微型、小型、中型及大型风电机组 n离网型风电机组和并网型风电机组 n水平轴风电机组、垂直轴风电机组 19 微型、小型、中型及大型风电机组 n按照额定功率的大小，可以将风电机组分为： n1）微型风力发电机组：额定功率小于1KW。 n2）小型风力发电机组：额定功率1KW99KW。 n3）中型风力发电机组：额定功率100KW 600KW。 n4）大型风力发电机组：额定功率大于600KW。 20 离网型风电机组和并网型风电机组 n按照风电机组与电网的关系，分为离网型风力 发电机组和并网型风力发电机组。 n1）离网型风力发电机组：一般

9、指单台独立运 行，所发出的电能不接入电网的风力发电机组。 这种机组一般容量较小(常为微小型机和中型 机)，专为家庭或村落等小的用电单位使用， 常需要与其他发电或储电装置联合运行。 n2）并网型风力发电机组：一般指以机群布阵 成风力发电场，并与电网联接运行的大、中型 风力发电机组。 21 水平轴风电机组、垂直轴风电机组 n按照风轮旋转主轴与地面相对位置的关系，风电 机组分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电 机组。 n1）水平轴风力发电机组：风轮旋转轴与地面平 行，叶片数量视用途而定。水平轴风电机组又可 分为升力型和阻力型。 n2 ）垂直轴风力发电机组：分为阻力型和升力型 两大类。 22 水平轴

10、风力发电机组 水平轴风力发电机类型 23 垂直轴风力发电机组 垂直轴风力发电机类型 24 1.3.2 大型水平轴并网机组基本结构 n目前在并网风力发电领域主要采用水平轴风电机组形式，其基本 结构包括由风轮、传动系统、发电机、控制与安全系统、偏航系 统、机舱、塔架和基础等组成。 水平轴风电机组结构图 25 1.3.3 风电技术发展 n技术发展主要在提高风能利用量（低风速、高海拔、 海上、大型化、变速恒频）、改善机组性能（提高寿 命、降低成本、适应恶劣气候、适应电网、智能监控、 完善标准）方面，具体体现在： n1、水平轴风电机组技术成为主流 n2、风电机组单机容量持续增大 n3、变桨变速功率调节技

11、术得到广泛采用 n4、双馈异步发电技术仍占主导地位 n5、直驱式、全功率变流技术得到迅速发展 n6、大型风电机组关键部件的性能日益提高 26 1.3.3 风电技术发展（续） n7、智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的 可靠性和寿命 n8、叶片技术发展趋势 n9、风电场建设和运营的技术水平日益提高 n10、恶劣气候环境下的风电机组可靠性得到重视 n11、低电压穿越技术得到应用 n12、海上风电技术成为重要发展方向 27 电压偏差与低电压穿越 n当风电场并网点的电压偏差在-10%+10%之间时，风电场内的风电 机组应能正常运行。 n风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机

12、组必须保证不间断并网运行。 n对故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后至少以 10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 012 340.625 电网故障引起 电压跌落 并 网 点 电 压 pu 时间 s 要求风电机组不 间断并网运行 风电机组可以从 电网切出 a）在并网点电压跌 至20%额定电压时能 够保持并网运行 625ms的低电压穿越 能力。 b）在发生跌落3s内 能够恢复到额定电 压的90%，风电场内 机组保持并网运行。 低 电 压 穿 越 要 求 规 定 28 29

13、 1.4 风电相关标准 n现代并网型风电相关的专业技术标准大致涉及以下 几方面： n风资源评估 n风电机组设计与认证 n风电场设计与运行 30 1.4 风电相关标准（续） n国际电工委员会（国际电工委员会（IECIEC）标准）标准 n风力发电系统-第一部分：设计要求 n海上风电机组设计要求 n国外主要风电标准国外主要风电标准 n德国 风能转换系统的认证准则 n丹麦 风机的载荷和安全标准 n挪威 海上风电机组结构设计标准 n中国主要风电标准中国主要风电标准 n中国有现行风力机械标准59个，其中并网型风力发电机组标准21个， 离网型风力发电机组标准38个。 n这些标准主要分为国家标准和行业标准两类

14、。 31 表1-7 IEC有关风电机组的部分标准 标准号标准名发布时间 IEC 61400-1风力发电系统-1:设计要求2005-1 IEC 61400-2风力发电系统-2:小型风轮机的安全要求1996-1 IEC 61400-3风力发电系统-3:海上风电机组设计要求2009 IEC61400-11风力发电机组 第11部分：噪声测量技术2002 IEC 61400-12风力发电系统-12:风轮机动力性能试验1998-2 IEC 61400-13风力发电系统-13：机械负载的测量2001-6 IEC 61400-14风力发电机组 第14部分：声功率级和音质2005 IEC61400-21风力发电

15、机组 第21部分：电能质量测量和评估 方法 2001 IEC 61400-23风力发电系统-23：风轮叶片的全尺寸比例结 构试验 2001-4 IEC 61400-24风力发电系统-24:避雷装置2002-7 表 1-8 并 网 型 风 力 发 电 机 组 的 部 分 相 关 标 准 标准代号标准名称发布时间 GB/T 2900.53-2001电工术语-风力发电机组2001 GB/T 18451.1-2001风力发电机组-安全要求2001 GB/T 18451.2-2003风力发电机组-功率特性试验2001 GB/T 19960.1-2005风力发电机组-1：通用技术条件2001 GB/T 1

16、9960.2-2005风力发电机组- 2：通用试验方法2001 GB/T 20319-2006风力发电机组-验收规范2001 GB/T 20320-2006风力发电机组-电能质量测量和评估方法2001 GB/T 19568-2004风力发电机组装配和安装规范2001 GB/T 19069-2003风力发电机组-控制器-技术条件2003 GB/T 19070-2003风力发电机组-控制器-试验方法2003 GB/T 19071.1-2003风力发电机组-异步发电机-1：技术条件2003 GB/T 19071.2-2003风力发电机组-异步发电机-2：试验方法2003 GB/T 19073-2003风力发电机组-齿轮箱2003 GB/T 19072-2003风力发电机组-塔架2003 JB/T 10300-2001风力发电机组-设计要求2003 JB/T 10194-2000风力发电机组-风轮叶片2000 JB/T 10427-2004风力发电机组-液压系统2004 JB/T 10425.1-2004风力发电机组-偏航系统-1：技术条件2004 JB/T 10425.2-2004风力发电机组-偏航系统-2：试验方法2004 JB/T 10426.1-2004风力发电机组-制动系统-1：技术条件2