风力发电系统课件

1、北京大学出版社1 风力发电技术及应用 主编：范海宽副主编：聂晶北京大学出版社2 第四章 风力发电系统北京大学出版社34.1 系统组成 风力发电系统通常由以下几部分组成：风轮、调向装置、调速(限速)机构、传动装置、发电装置、储能装置、逆变装置、控制装置、塔架及附属部件组成。4.1.1风轮 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。风轮一般由叶片，叶柄，轮毂及风轮轴等组成。叶片的构造如图4-1所示。北京大学出版社42 4 1 3 2 1 4 3 1-叶片；2-叶柄；3-轮毂；4-风轮轴图4-1 风轮结构剖面北京大学出版社5图4-2 叶片的构造图北京大学出版社64.1.2

2、调向装置 调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。图4-3 几种典型的风车转向机构北京大学出版社74.1.3调速机构 风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转在所需要的额定转速下的装置称为调速装置。 当风速超过停机风速时，调速装置会使风力发电机停机。调速装置只在额定风速以上时调速。有了调速(限速)机构，即使风速很大，风轮的转速仍能维持在一个较稳定的范围之内，防止超速乃至飞车的发生。 风力机的调速(限速)机构大体上有3种基本方式：减少风轮的迎风面积；改变翼型攻角值；利用空气阻尼力。北京大学出版社8目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：(1)可变桨距调速装

3、置。(2)定桨距叶尖失速控制调速装置。(3)离心飞球调速装置，详见图4-4。(a)(b)(双点划线)图 4-4 离心飞球变桨距调速 (4)空气动力调速装置。(5)扭头、仰头调速装置。北京大学出版社9(c)(a)(b)（a）正常额定风速下运转；（b）风速超过额定风速时扭头调速；（c）风速达到停机风速时顺桨停机图4-5 风力发电机的牛头调速装置北京大学出版社104.1.4传动装置 将风轮轴的机械能送至做功装置的机构，称为传动装置。 风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上。不需要低速传动轴。也有些风

4、力机(特别是小型风力机)设计成无齿轮箱的。风轮直接连接到发电机。在整个传动系中除了齿轮箱其它部件基本上一目了然。北京大学出版社11增速齿轮箱刹车盘风轮高速传动轴发电机耦合器低速传动轴图4-6 传动系统的部件及位置北京大学出版社124.1.5发电装置 1. 恒速恒频发电机系统1、同步发电机2、感应发电机2. 变速恒频发电机系统 这是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于风轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机在结构上和实用中还有很多的优越性。北京大学出

5、版社134.1.6蓄能装置 风能是随机性的能源，具有间歇性，并且是不能直接储存起来的。因此，即使在风能资源丰富的地区，把风力发电机作为获得电能的主要办法时，必须配备适当的蓄能装置。在风力强的期间，除了通过风力发电机组向用电负荷提供所需的电能以外，将多余的风能转换为其他形式的能量在蓄能装置中储存起来。在风力弱或无风期间，再将蓄能装置中储存的能量释放出来并转换为电能。 当前风力发电系统中的蓄能方式主要有蓄电池蓄能、飞轮蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种。北京大学出版社144.1.7 整流、逆变装置(l)整流，就是将交流电变成直流电的过程。 现代风力发电机基本上都是交流发电机，当需要

6、把风电变成直流向蓄电池充电或向电镀供电等就要将三相交流电经变压器降压至可以充电或电镀的交流电压再经整流变成直流。(2)逆变，就是把直流电变成交流电的过程。有的逆变器还兼有把交流电变成直流电的功能。北京大学出版社154.1.8 控制装置 由于风能是随机性的，风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节(转速、电压、频率)、停机、故障保护(超速、振动、过负菏等)以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等。在小容量的风力发电系统中，一般采用由继电器、接触器及传感元件组成的控制装置；在容量较大的风力发电系统中，现在普遍采用微机控制。北京大学出版

7、社164.1.9 塔架 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系，如果说塔架对小型风力机影响还不太大的话，对大、中型风力机的影响就小容忽视了。4.1.10 其他附属部件 风力机的附属部件主要有：机舱、机头座、回转体、停车机构等。北京大学出版社174.2 风力发电系统的运行方式 风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运

8、行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。北京大学出版社184.2.1 独立运行的风力发电系统 图4-7 独立运行风力发电系统北京大学出版社191. 直流供电 风力发电机输出的电能经蓄电池蓄能，再供应用户使用。独立运行方式，可供边远农村、牧区、海岛、气象台站、导航灯塔、电视差转台、边防哨所等电网达不到的地区利用。根据用户需求，可以进行直流供电和交流供电。 一户一机的供电方式。 流线路供电。这种方式一般为一机多户，或多机多户合 用，实际上就是风力发电站(场)的直流供电。充电站式供电。北京大学出版社202. 交流供电交流直接供电。图4-7 独

9、立运行风力发电系统北京大学出版社212. 交流供电交流直接供电。图4-9 交流发电机向交流负载供电图 4-10 具有负荷控制的独立风电系统北京大学出版社224.2.2 风力-柴油发电联合运行 由于各地区的风能资源及负荷情况不同。有多种不同结构型式的风力-柴油联合发电系统。但不论哪种结构型式的风力-柴油联合发电系统的运行，皆应实现如下的目标。即：(1)能提供符合电能质量标准的电能；(2)有较好的柴油节油效果；(3)具有合理的运行控制策略。使系统的运行工况得到优化。尽可能多地利用风能。避免柴油机低负荷运行。减少柴油机启停次数；(4)具有良好的设备管理维护。减少故障停机，降低发电成本及电价。北京大学

10、出版社23风力-柴油联合发电系统能否实现这些目标与下列因素密切相关：(1）系统建立地点的风能资源状况，包括风速、风频、紊流等情况以及其他气象条件。如气温、湿度、沙尘、盐雾等；(2)系统内负荷的性质及变化情况；(3)系统选用的风力发电机及柴油发电机的性能；(4)系统内有无蓄能装置；(5)系统的运行方式及控制策略。北京大学出版社241. 风力-柴油发电并联运行系统图4-12 风力柴油发电并联运行系统北京大学出版社252. 风力-柴油发电交替运行系统及负载控制图4-13 风力柴油发电交替运行系统北京大学出版社26 所谓集成的风力发电即是将同步风力发电机发出的变频交流电静止的交流-直流-交流(AC-D

11、C-AC)变换，获得恒频恒压交流电，然后再与同步柴油发电机并联，向用户负荷供电，这种系统的结构也可采用静止整流，旋转逆变的AC-DC-AC变换方式。 这种系统的优点是风力机可以在变速下运行，因而可以优化风力机运行的Cp值，更有效地利用风能。系统中的AC-DC-AC装置可以实现恒频恒压输出及平抑功率起伏的作用。缺点AC-DC-AC装置中的电力电子器件的费用较高，特别当风力发电机的容量增大时，AC-DC-AC及蓄电池的容量也将随之增大，使造价增高。 这种系统可以对用户负荷实现连续供电，在用户负荷不变的情况下，若风速降低，则柴油机自动启动投入运行；在无风时，则由柴油发电机向负荷供电。3. 集成的风力

12、-柴油发电并联运行系统北京大学出版社274. 具有蓄电池的风力-柴油发电联合运行系统图4-14 具有蓄能蓄电池及离合器的分离柴油联合发电系统北京大学出版社285. 具有蓄电池及蓄能飞轮的风力-柴油发电联合运行系统图4-15 具有蓄能蓄电池及离合器的分离柴油联合发电系统北京大学出版社296. 多台风力发电机-柴油发电机-蓄电池联合发电系统图 4-16 多台风力-柴油-蓄电池联合供电系统北京大学出版社304.3 并网发电 风力发电机组采用两种方式向电网送电：一是将机组发出的交流电直接输入电网；二是将机组发出的交流电先整流成直流，然后再由逆变器变换成与电力系统同压、同频的交流电输入电网。无论采用哪种方式，要实现并网运行，都要求输入电网的交流电具备下列条件：（1）电压的大小与电网电压相等；（2）频率与电网频率相同；（3）电压的相序与电网电压的相序一致；（4）电压的相位与电网电压的相位相同；（5）电压的波形与电网电压的波形相同。北京大学出版社31并网运行又可分为两种