分布式发电L4 Wind Generation

1、风力发电技术风力发电技术清洁的可再生能源，最具竞争力的新能源；最近10年来，人类从风力上得到的能源年增30； 目前世界风力发电装机容量超过2.5亿kW ；单机容量已发展为MW级为主；中国将风电确定为新能源首选。世界风电装机情况 1996年至2011年，全球风电产业累计装机容量成稳定增长。2009年末主要国家的风电装机中国風電裝機容量到2009年底已達到2268萬千瓦，位列世界第二。中国风能储量l 我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据全国900 多个气象站陆地上离地10m 高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26 亿kW，可开发和利用的陆地上风能

2、储量有2.53 亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5 亿kW，共计约10 亿kW。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000 小时计，每年可提供5000 亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2500 小时计，每年可提供1.8 万亿千瓦时电量，合计2.3 万亿千瓦时电量。 中国风能资源分布 l 风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及北部地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。l 海上风能丰富区。我国海上风能资源丰富，东部沿海水深2m 到15m 的海域面积辽阔，按照与陆上风能资源同样的方法估测，10m 高度可利用的风能资源约是陆上的3 倍，即7 亿多k

3、W，而且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。 中国风电发展 l 风电装机容量规划目标为2005 年100 万千瓦，2010 年400500 万千瓦，2020 年20003000 万千瓦。l 我国的风电自2003年进入高速发展时期。2006 年，中国新增风电装机1337MW，占全球新增装机的8.9，同比增长165.83，累计装机达到260万kW，占全球风电装机的3.5。到2008年中，我国风电装机容量已达700万kW。2011年新增装机2000kW，到2011年低我国总风电装机到6500万kW。 l 国产风电机组最大单机容量为，双馈：3

4、.0MW，直驱：1.2MW。海上风电5MW7 MW。 风力发电场等 级：风的由来 （1）风空气压差风空气压差空气压差的成因：太阳、海洋、标高、地球自转与公转、地球内部温度变化贸易风：赤道附近由强光照和地球自转形成的风；循环风：纬度38度附近的偏西风风力垂直方向的分布2211() ,1/7uhuh全年风速分布与风机可利用能量2()(1)1()4Weibull ( )()0.434(0.568)=2,Weibull( )()2CavgvCACavgvvavgCvf veAAvACCLeighvf vev分布风力的变化与风速频谱风向变化的描述风能玫瑰图采用某一方向上风速的频率与该方向平均风速的三次方

5、的乘积绘制风力描述的四分量法（1）l基本风：可以由风电场测风数据获得的威布尔分布参数近似确定。l阵风：描述风速突然变化的特性。 11110()()0()GgsGGGGGtTVV TtTTtTT 也可用三角波、梯形波或办周期正弦波描述风力描述的四分量法（2）l 渐变风：表示风速的渐变特性。 l 随机风：风速的随机性一般用随机噪声风分量来表示。 1m ax12112m ax20 ()()/() () ()RRRRRRRRRRt TVVt TTTTt TVt T 形形色色的风车（1）形形色色的风车（2）风力利用的基本原理风的能量密度与风能利用系数312wEvdPinECEBetz 理论： max C

6、p=0.5931( )2rwwvPA v C风能的利用风力机功率与叶片旋转平面直径的关系风力发电的基本原理风力发电系统风力机的构造风力发电机的种类与特性鼠笼式异步发电机绕线式异步发电机同步发电机逆变器机组构成鼠笼式异步发电机齿轮箱SCR软启动绕线式异步发电机齿轮箱励磁控制SCR软启动多极同步机逆变器无齿轮箱机械控制堵转控制桨角(pitch) 控制桨角控制桨角控制电气控制励磁控制(滑差控制）逆变器出力控制转速1500rpm15001600rpm2040rpm冲击电流额定电流23倍约为额定电流无冲击电流异步发电机当异步电机连接到频率恒定的电网上，由原动机驱动，其转速超过同步转速时，异步电机处于发电

7、状态，将原动机的机械能转化为电能输送到电网。早期的风力发电多采用这种方式。额定工况时滑差约额定工况时滑差约0.01;发电机出力与滑差基本成线性关系；发电机出力与滑差基本成线性关系；必须通过电网提供励磁所需无功，无法独立运行；必须通过电网提供励磁所需无功，无法独立运行；通常为双对极结构，接近通常为双对极结构，接近1500rpm, 可通过极对数切换，变化可通过极对数切换，变化转速；转速；存在并网冲击，需采用软启动。存在并网冲击，需采用软启动。异步发电机模型l电磁暂态模型：五阶模型l机电暂态模型：三阶模型l机械暂态模型：一阶模型 异步发电特点与控制措施l结构简单，可靠性高，造价低；l并网冲击大；l风

8、速变化引起的功率冲击大；l无功损耗大；l设置SVC 。双馈异步发电机结构 双馈异步发电特点及控制l 风能变动对应的能量波动可通过转子速度的变化吸收或放出，减少对电网的冲击；l 发电效率高（最大出力追踪）；l 无功灵活控制，通常功率因数控制到1；l 变流器容量为滑差部分容量，造价低；l 结构复杂；l 多为可变浆距风机采用。双馈异步发电机原理同步发电机频率、极对数与转速的关系：1160 fnp三相绕线转子通一交流电流，在气隙中产生的旋转磁场转速：2260 fnp21 nnnsynchro speed转子转速为n 时，同步运行的维持：双馈异步发电机运行亚同步运行状态：nn1，滑差频率为f2的电流产生

9、的旋转磁场转速n2与转子的转速方向相反；同步运行状态：nn1，滑差频率为f20，转子为直流励磁，与普通同步发电机相同。双馈异步发电机的等值电路图qdsqdssqdseqdsqdrqdrsqdreqdrqdssqdsmqdrqdrsqdrmqdsdVr IjdtdVr IjsdtL IL IL IL I 22333()222rqdrqdrrreerrePp VIrisTrisP双馈异步发电机的功率流向定向矢量控制对比矢量控制方法优点缺点备注定子磁链定向交叉耦合项最少，定子方程大大简化磁链检测需装设霍尔传感器或设计准确的磁链观测器大多数风电机组厂商采用的一种较成熟的定向技术气隙磁链定向转矩表达式简

10、单磁链的检测和定向困难，且忽略了定、转子漏抗，精度较低-定子电压定向定向矢量检测容易，定向简便、准确控制量存在交叉耦合，转矩和定子磁链表达式复杂忽略定子电阻时，磁链和电压正交，与定子磁链定向等效转子磁链定向交叉耦合项少转子磁链的准确检测比较困难，误差大-定子电流定向不存在电流交叉耦合，转矩公式简单转子磁链表达式复杂较少采用双馈异步发电机的有功与无功调节MATLAB中的DFIG模型EMTDC中的DFIG模型无刷双馈异步发电机的结构与原理11()60eRepp nff直驱同步发电机电力系统中有功、无功产生的基本设备。发电机出口电压在满足幅值、波形、频率、相序及相位条件后并网运行，与系统频率保持严格同步。对风力发电这类波动性动力很难适用；采用同步机时，通常与逆变器联合才能实现控制和联网：定子功率通过整流，再利用VSC型逆变器通过连接变压器与交流系统连接。BTB同步发电系统构成与控制整流侧控制：风速风机控制有功控制转矩控制 PWM控制逆变侧控制：直流电压控制功率因数控制P、Q控制 PWM控制直驱风力