风电相关概念解析

风电相关概念解析北京天源科创风电技术有限责任公司2015年10月北京

风向玫瑰图基本概念风向玫瑰图，也叫风玫瑰图、风向频率玫瑰图，它是根据某一地区多年平均统计的各个风向和风速的百分数值，并按一定比例绘制，一般多用8个或16个罗盘方位表示，由于形状酷似玫瑰花朵而得名。简单来说，风向玫瑰图就是用极坐标表示不同风向相对频率的图解。玫瑰图上所表示风的吹向，是指从外部吹向地区中心的方向，各方向上按统计数值画出的线段，表示此方向风频率的大小，线段越长表示该风向出现的次数越多。相关概念风向玫瑰图、风频图：表示某一地区某时段内各风向出现的频率的统计图。风速玫瑰图：表示某一地区某时段内各风向平均风速的统计图。图解该地区主导风向是东风，风向频率为10.6%，平均风速是3.0m/s；其次是西南风，风向频率为9.4%，平均风速为2.9m/s；静风频率为24.4%。应用价值风玫瑰图为城市规划、建筑设计和气候研究提供了一定的参考价值。在风力发电行业，风玫瑰图为风电场选址提供了重要依据。风能玫瑰图基本概念风能玫瑰图就是用极坐标来表示不同方位风能相对大小的图解。在风能玫瑰图中，各射线长度分别表示某一方向上风向频率与相应风向平均风速立方值的乘积。根据风能玫瑰图能看出哪个方向上的风具有能量的优势，并可加以利用。相关概念风功率公式：P=风能公式：W=其中，P为风功率，单位是W；ρ为空气密度，单位是kgm3；V为风速，单位是ms；S为截面积，单位是图解本地区东南偏南方向风能优势最大。湍流、尾流湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合,形成湍流，又称为乱流、扰流或紊流。尾流是指运动物体后面或物体下游的紊乱旋涡流，又称尾迹。流体绕物体运动时，物体表面附近形成很薄的边界层涡旋区。如果物体是象建筑物或桥墩那样的非流线型物体，流动将从物体后部表面分离，并有涡旋断续地从物体表面脱落。这些薄边界层或分离流涡旋区将顺流而下，在物体后面形成紊乱的，充满大大小小旋涡的尾流。如果物体是钝体，尾流能保持很远距离，并对处于尾流中的其他物体产生影响。弃风限电基本概念所谓弃风限电，是指在风电发展初期，风机处于正常情况下，由于当地电网接纳能力不足、风电场建设工期不匹配和风电不稳定等自身特点导致的部分风电场风机暂停的现象，大大浪费了风资源。原因分析弃风限电的根本原因就是供大于求而又缺乏有效的调节措施。一方面，我国风资源集中、规模大，远离负荷中心，资源地市场规模小、难以就地消纳，而国外风资源相对分散，80%以上的风电接到10千伏以下配电系统，能够就地消纳；另一方面，风电本身具有波动性和间歇性等特点，风电并网需要配套建设调峰电源，而我国风电集中的“三北”（西北、华北、东北）地区，电源结构单一，基本没有调峰能力。此外，跨区域输电能力不足也是一个重要的制约因素。弃风限电，主要存在于传统的风资源丰富、装机量集中的三北（华北、东北、西北）地区。其中，张家口、吉林、内蒙古、甘肃等地是弃风最为集中的区域，最高时弃风率均在20%以上。东北的主要问题是火电和风电的冲突问题，目前风电要给其他电源让路；西北地区主要问题在于用电负荷过小；华北则主要是通道问题。切入风速、切出风速基本概念切入风速：风电机组开始发电时，轮毂高度处的最低风速。切入风速是针对并网型风机而言的，是指达到并网条件的风速，也就是可以发电的最低风速，低于此风速会自动停机。切出风速：风电机组保持额定功率输出时，轮毂高度处的最高风速。切出风速指风力发电机组并网发电的最大风速，超过此风速机组将切出电网，就是风机会停机，停止发电。切入速度与叶片的空气动力性能有关，当达到这个风速时，发电机可以持续稳定的发电。切出风速除与叶片有关以外还与机组载荷有关，若达到切出风速还不切出，可能会有塔架倒塌，叶轮飞车等事故的风险，启动消耗的电能一般小于切入风速时的发电量。相关概念额定风速：风电机组达到额定功率输出时轮毂高度处的设计风速。安全风速：风电机组结构所能承受的最大设计风速。有功功率、无功功率基本概念有功功率：即保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换成其它形式能量（机械能、光能、热能等）的电功率。有功功率用P表示，单位是瓦(W)、千瓦(KW)、兆瓦(MW)。无功功率：即维持非电阻性设备正常运行所需要的功率。在电感或电容电路中，用于电能和磁场能转换，没有功率损耗，对外不做功，所以叫无功功率。例如：电动机需要建立始终存在的磁场来维持电机的运行，建立磁场需要功率（能量），但是这个功率（能量）不会被消耗，它始终在电网中存在，这样的功率（能量）就是无功功率。无功功率用Q表示，单位是乏（Var）、千乏（kVar）。举例：40瓦的日光灯，除需消耗40多瓦有功功率（镇流器也需消耗一部分有功功率）来发光外，还需消耗80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。无功功率不是无用的功率，仅仅是不被消耗的功率！电网中存在的无功功率较大，是传输的有功功率的1.3倍！是维持电网运行和安全的重要因素之一。相关影响在正常情况下，用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电网就要下降，从而影响用电设备的正常运行。无功功率对供用电产生一定的不良影响，主要表现在：降低发电机有功功率的输出；降低输变电设备的供电能力；无功功率增加会导致总电流增加，导致线路电压损失增大和电能损耗的增加；造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。其它为什么电网需要安装无功补偿装置？从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作。功率曲线基本概念功率曲线（PowerCurve）指风力发电机组输出功率随风速变化关系曲线。功率曲线反应的是机组的运行的情况，主要看两个主要的参数，一个是在达到额定功率前曲线的斜率，反应机组在低风速段的功率输出情况；另外一个参数是达到额定功率的风速。相关概念标准功率曲线：在标准的工况下，根据风电机组设计参数计算给出的风速与有功功率的关系曲线。标准功率曲线所对应的环境条件是：温度为15℃，1个标准大气压(1013.3hPa)，空气密度为1.225kg/m3。实际运行功率曲线：即风电机组实际运行的功率曲线。实际功率曲线受海拔高度、温度、湿度、阵风、雨滴、污染、湍流、尾流及风电机组的对风偏差等因素的影响。应用意义功率曲线是风机的重要参数，反映了风电机组的性能。但是，由于风电机组的实际运行功率曲线受到风电场的风况和形成条件的影响，风电机组在不同工况和条件下形成的功率曲线必然不同。一台性能优异的风电机组，在风况较差的条件下，形成的功率曲线完全有可能达不到其理论值，或发电量低于其他同种类型风电机组。因此，在条件没有严格限定并考虑到多种影响因素的条件下，风电机组自身形成的实际运行功率曲线很难作为准确判断风电机组性能的依据。如果要对风电机组的功率特性进行评估和测定，需结合风电场的实际情况，并考虑到风电机组功率曲线的多种影响因素，方能使测试的偏差较小，使其能真实地反映风电机组的性能。辐照度基本概念辐照度是指单位时间内投射到单位面积上的辐射能量，又称辐亮度、辐射亮度，其单位为：瓦特/平方米（W/㎡）。当我们白天站在户外，抬头远望天空各个方向时，都可以看到有光亮，也可以感觉到不同方向上的光亮程度是不同的，在靠近太阳的方向，天空要亮一些，而在其反面，天空暗一些。在大气辐射中，把这一亮度称为辐照度，这是反映辐射场特性的重要物理量。定量测量天空辐照度的装置，最基础的是光度计。相关概念太阳辐照度是指太阳辐射经过大气层的吸收、散射、反射等作用后到达固体地球表面上单位面积单位时间内的辐射能量，其单位为：瓦特/平方米（W/㎡）。影响太阳辐照度的两个因素：1、太阳辐射穿过大气圈时的衰减作用，包括散射、吸收、反射等，因此它受气候、气象因素的制约；2、太阳辐照度明显受太阳高度角的控制，它影响到太阳辐射的传播路径，因此与区域纬度、季节更迭（地球公转）及一日内太阳的东升西落（地球自转）有关。大气辐照度是指固体地球表面某一指定表面上单位面积单位时间内所接受的来自大气圈的辐射能量，其单位为：瓦特/平方米（W/㎡）。大气辐照度的辐射能量有三个来源：1、太阳辐射穿过大气圈时的散射作用；2、大气圈本身的热辐射作用；3、大气圈对来自固体地球表面的反射辐射和长波辐射的反射作用。太阳辐照度与大气辐照度一起构成了对大地的总辐照度。测风塔基本概念测风塔：安装风速、风向等传感器以及风数据记录器，用于测量风能参数的高耸结构，用于对近地面气流运动情况进行观测、记录的。以前多由风力发电企业、气象、环保部门建造，用于气象观测和大气环境监测。测风塔架设在风电场场址内，多为绗架式结构和圆筒式结构，采用钢绞线斜拉加固方式，高度一般为10-150米。在塔体不同高度处安装有风速计、风向标以及温度、湿度、气压等监测设备。可全天候不间断地对场址风力情况进行观测，测量数据被记录并存储于安装在塔体上的数据记录仪中。测风塔的主要功能：环境监测，风、气压、湿度等资源数据采集，为相应的仪器设备的安装做支撑。适用单位：发电厂前期规划、海岛测风、气象数据采集、环境监测等部门。相关概念风速仪：风速仪时刻测量着风的速度，并通知风机控制器在风速足够时将风机偏航到对风状态并启动。（风速过大时（如超过25m/s）风机停止，防止风机毁坏；风速降低到安全风速时，风机启动）风向标：风向标总是跟随着风的方向摆动。在风向标的底部有一个很小的传感器，它可以将风向信号传给控制器，而控制器会告诉偏航电机将机舱转向叶轮对风位置。偏航电机：叶轮应该总是在对风状态，以便于风轮最大程度的吸收风能。偏航电机就起转动机舱使叶轮对风的作用。每个风机都装有风速仪和风向标。一般来说，一个或几个风电场共用一个测风塔。电能表基本概念电能表是用来测量电能的仪表，又称电度表、火表、千瓦小时表，指测量各种电学量的仪表。一个风电场有一个电能表，有时会有主表、副表备份。相关概念正向有功功率、反向有功功率：指在同一个电能计量点处，有时电能流出（假设为正向），有时流入（则为反向），需要分别计量以便电能结算。尖、峰、平、谷：费控电能表是国家电网智能电能表之一，付费率电能表和普通电能表不同之处就是，内部是按照时段计费，费控电能表内部有4个时段，尖、峰、平、谷4个时段，意思就是把一天24个小时分成4份，24/4=6，每个时段有6个小时。费控电能表内部有个总电量，就是电能表总供电量，尖、峰、平、谷4个时段电量相加的和就是总电量，例如：尖201、峰12、平24、谷32，总电量=269度电。应用示例逆变器、箱变、升压站基本概念逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。简单地说，逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。逆变器主要应用于光伏电站。相关概念箱式变压器（通常简称“箱变”）将传统变压器集中设计在箱式壳体中，具有体积小、重量轻、低噪声、低损耗、高可靠性，广泛应用于住宅小区、商业中心、轻站、机场、厂矿、企业、医院、学校等场所。箱式变压器并不只是变压器，它相当于一个小型变电站，属于配电站，直接向用户提供电源。包括高压室，变压器室，低压室；高压室就是电源侧，一般是35千伏或者10千伏进线，包括高压母排（Highvoltagebusbar）、断路器或者熔断器、电压互感器、避雷器等，变压室里都是变压器，是箱变的主要设备，低压室里面有低压母排(Lowvoltagebusbar)、低压断路器、计量装置、避雷器等，从低压母排上引出线路对用户供电。升压站是一个使通过的电荷电压变换的整体系统。为了便于用户或用电单位的使用，把大电压变小电压，或小电压变大电压的变电设备。主要是升压，目的是减小线路电流借以减小电能的损失。主要一次设备有\o"变压器"变压器、\o"断路器"断路器、\o"隔离开关"隔离开关、接地刀闸、\o"电流互感器"电流互感器、\o"电压互感器"电压互感器、\o"避雷器"避雷器、\o"母线"母线等。升压站按升高电压的等级分有220kv升压站、330kv升压站、500kv升压站、750KV升压站。等级越高需要设备的耐压性就越强，设计要求就越高、制造设备费用也越大。一个风机对应一个箱变，一个或多个电场对应一个升压站。主要应用移动办公、移动通讯、移动休闲和娱乐时，人们不但需要蓄电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电。逆变器就可以满足我们的这种需求，将蓄电池或电瓶供给的低压直流电转变为220交流电。风电场概览一个风电场有一个升压站，一个电能表（有时会区分主表、副表）；一个或几个风电场共用一个测风塔。风电场控制方式：RCS、AGC、LOCAL、REMOTE、AVC、AFC、ARC升压站以接线图方式显示各类设备参数，包括主变本体测控（主变油温1、主变油温2、绕温）、110kV南能线测控（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）、主变本体测控35kV母线（Uab、Ubo、Uca、U0）、主变进线（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）、站用变（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）、无功补偿I电容器（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）、无功补偿II电抗器（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）、1#集电线路（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）、2#集电线路（A相电流、有功功率、无功功率、功率因数）等。电能表测风塔10米风速：3.80m/s(0-60)，表示风速及测风范围风机塔架机舱叶片塔架机舱叶片主要信息变桨系统变桨系统的作用是：根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。主要组成零部件有：轮毂、变桨轴承、变桨齿轮箱、叶片锁定装置、指针、撞块以及变桨控制系统等.变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。风机的叶片（根部）通过变桨轴承与轮毂相连，每个叶片都有自己的相对独立的电控同步的变桨驱动系统。变桨驱动系统通过一个小齿轮与变桨轴承内齿啮合联动。风机正常运行期间，当风速超过机组额定风速时（风速在12m/s到25m/s之间时），为了控制功率输出变桨角度限定在0度到30度之间（变桨角度根据风速的变化进行自动调整），通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定。任何情况引起的停机都会使叶片顺桨到90度位置（执行紧急顺桨命令时叶片会顺桨到91度限位位置）。轮毂与变桨系统的作用是将叶片旋转产生的机械能传递给传动系统，并根据风速大小可以实现三个桨叶独立变桨，确保风机可以在很广风速范围内有很高的风能利用率，风速小于额定风速时，叶片处于0°，风能利用率最高，风速大于额定风速时，叶轮变桨，保持额定转速。变流系统偏航信息偏航系统，又称对风装置，是风力发电机机舱的一部分，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳的使叶轮对准风向，以便风轮获得最大的风能。大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、回转体大齿轮等。其工作原理为：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。机舱发电机冷却系统发电机转动时会产生大量的热，热量如果不能及时排除就会对发电机有损坏，因此非常有必要在发电机因为过热而要停止前将温度降下来。有两种冷却方式：通过空气或水。变压器电网信息塔架上网电量、下网电量上网电量：发电厂在上网电量计量点向发电企业（电网）输入的电量，即发电厂向发电企业出售的电量。发电企业向市场出售的电量成为净上网电量或落地电量。下网电量：是指从电网获得的电量即消耗的电量。简言之，上网是指送入电网的电量，下网是指从电网获得的电量即消耗的电量。互抵是指上网电量与下网电量的差值，当计量价格不同时，必须通过双向电能计量表分别计量。一般上下网是针对有联网的发电单位或有发电输出的用户而言。AGC、AVCAGC(AutomaticGenerationControl)：自动发电控制，有功功率自动控制。AGC是并网发电厂提供的有偿辅助服务之一，发电机组在规定的出力调整范围内，跟踪电力调度交易机构下发的指令，按照一定调节速率实时调整发电出力，以满足电力系统频率和联络线功率控制要求的服务。或者说,自动发电控制(AGC)对电网部分机组出力进行二次调整,以满足控制目标要求;其基本功能为：负荷频率控制（LFC），经济调度控制（EDC），备用容量监视（RM），AGC性能监视（AGCPM），联络线偏差控制（TBC）等；以达到其基本的目标：保证发电出力与负荷平衡，保证系统频率为额定值，使净区域联络线潮流与计划相等，最小区域化运行成本。AVC（AutomaticVoltageControl）：自动电压控制，无功功率自动控制。五防通常是指为确保人身安全，对高压电气设备应具备五种防误功能的简称，是电力安全的重要措施之一。凡有可能引起误操作的高压电气设备，均应装设防误装置，装置的性能和质量应符合产品标准和有关文件的规定。五防内容：1、防止误分、合断路器。2、防止带负荷分、合隔离开关。3、防止带电挂（合）接地线（接地开关）。4、防止带地线送电。5、防止误入带电间隔。变配电室的“五防”即防火、防水、防雷、防雪、防小动物。“一通”即保持通风良好。三遥基本概念三遥是指遥测、遥信、遥控功能。遥测：应用通信技术，传输被测变量的测量值。遥信：应用通信技术，完成对设备状态信息的监视，如告警状态或开关位置、阀门位置等。遥控：应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令。设备状态信息分为两种：一种类似于电压电流，有具体数值，且数值会逐级变化的，这个叫模拟量；一种类似于开关状态（比如闸刀开关向上打是开，向下是关），这种状态量叫做数字量，如开关位置、告警状态、阀门位置等。三遥的理解如下：应用通信技术，通过远程通道对远方设备模拟量进行的测量，叫做遥测。应用通信技术，通过远程通道对远程设备的状态量进行的检测，叫做遥信。应用通信技术，通过该通道对上述的模拟量或者数字量进行改变的操作，就叫遥控。目前还有一个遥调，这样就构成四遥了。遥调：应用通信技术，完成对具有两个以上状态的运行设备的控制。相关概念“五遥”是电力系统中对调度自动化遥信、遥测、遥控、遥调和遥视的简称。五遥是随着电力系统中电力调度自动化程度的提高，在“一遥（遥信）”、“二遥（遥信、遥测）”、“三遥（遥信、遥测和遥控）”和“四遥（遥信、遥测、遥控和遥调）”的基础上逐步发展而来的。风电指标基本概念MTBF（Meantimebetweenfailures，平均故障间隔时间)定义为，失效或维护中所需要的平均时间，包括故障时间以及检测和维护设备的时间。MTBF=MTTR（meantimetorestoration，平均恢复前时间），源自于HYPERLINK"/s?wd=IEC&tn=44039180_cpr&fenlei=mv6quAkxTZn0IZRqIHckPjm4nH00T1Y3m1RknHRvnjTsmhF9uhD10AP8IA3qPjfsn1bkrjKxmLKz0ZNzUjdC