第2章风力发电与控制技术

1电气工程学院第2章风能、风力发电与控制技术2电气工程学院

本章主要内容2.1绪论2.2风的特性及风能利用2.3风力发电机组及工作原理2.4风力发电机组的控制策略2.5风力发电机组的并网运行和功率补偿2.5风力发电的经济技术性评价2.6小型风力发电机原理及应用3电气工程学院

2.1绪论

在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风能是太阳能的一种转化形式，是一种清洁的、可再生的自然能源。风能的开发利用已有数千年的历史。在蒸汽机发明以前，风能就曾作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。

风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。452.1.1世界风电发展状况

2003-2008年世界风力发电装机容量前十位国家6世界累计装机容量增长状况（MW）72008年世界排名前十位的整机制造商8主要风电国家新增及累计装机容量对比（MW）9近年陆海风力发电对比图（MW）10根据世界风能协会统计的数据，2012年底，美国风电的累计装机量已经达到60GW，其中新增装机量为13.1GW，涨幅创下了2009年以来的新高。2012年，欧洲风电市场显示出强劲的增长势头，风能发展取得了里程碑式的进步——风电装机总量达到109GW。令人瞩目的是，东欧的新兴市场增速也很迅猛。2012年，罗马尼亚的新增风电装机量为923MW，乌克兰的风电装机量也增长惊人。另外，欧洲的海上风电也正经历着蓬勃发展。其中，2012年12月，英国近海风电场伦敦阵列项目(LondonArray)完成了最后一批涡轮机的安装，标志着装机高达630MW的全球最大海上风力发电项目完成了主要基建安装。112.1.2中国风力发电发展状况

中国风能资源

本世纪初据中国气象科学研究院的初步测算在陆地离地10m高度处，可开发储量为2.53亿kW；海上可开发储量为7.5亿kW，总计约10亿kW。2007年中国气象局风能太阳能研究中心提供的最新测算数据，中国可开发利用风力资源约为：陆上8亿千瓦，近海1.5亿千瓦。主要分布在东南沿海及附近岛屿，内蒙古、新疆和甘肃河西走廊，以及华北和青藏高原的部分地区。12中国风力发电快速发展

随着《可再生能源法》的实施和京都议定书协议的生效，国家加大了对可再生能源支持的力度，风力发电产业得到了连续快速发展，出现了风电热。世界风能协会统计，2012年中国新增风电机组装机容量13200MW(其中海上风电装机容量127MW)，累计风电机组装机容量75564MW，均位居世界第一，美国紧随其后。风电已超过核电，成为继煤电和水电之后中国的第三大主力电源。13中国风力发电快速发展中国2001-2009年风能发展状况14新疆达板城风电场15广东南澳风电场16承德风电场17内蒙辉腾西勒18根据国家能源局最新规划，2020年全国风力发电装机将达到1亿千瓦。从2009年到2020年国内新增风电装机容量平均每年将达到740万千瓦，投入风电场的资金将达到660亿元—740亿元，其中风机设备将达到444亿元。国家能源局已规划将在6个地区建设千万千瓦级的风电场：甘肃酒泉1100万千瓦；新疆哈密2000万千瓦；内蒙西部2000万千瓦；内蒙东部3000万千瓦；河北1000万千瓦；江苏1000万千瓦（含700万海上风场）中国风电市场将持续高速发展19电气工程学院2.2风的特性及风能利用2.2.1风的产生 风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1地球上风的运动20电气工程学院2.2.2风的特性与风能随机性风随高度的变化而变化

不同高度风速的表达式：

式中ν——距地面高度为h处的风速（m/s）；

ν0——高度为h0处的风速（m/s），一般取h0为10m；

k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。

21电气工程学院2.2.3风的表示及应用1、风向

风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图图3-2风向方位图22电气工程学院2、风速

由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。

3、风力

风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。

风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平均风速(m/s)；N——风的级数。23电气工程学院4、风能风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。

表达式为：

风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。

表达式为：

风能特点：优点是蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。缺点是，密度低、不稳定、地区差异大。24电气工程学院中国风电累计装机容量及在全球所占比重(单位：MW，%)1996-2009年我国风电装机容量25电气工程学院我国风电发展路线2005年累计装机容量126万千万。当年并网电量占全国用电量0.06%。2010年并网装机容量3131万千瓦。发电量占全国总发电量1.2%。2015年预计并网装机容量达1亿千瓦。发电量将占全国发电量的3%。2020年预计装机容量达2亿千瓦。将满足全国5%电力需求。2030年预计装机容量达4亿千瓦。将满足全国8%电力需求。2050年预计装机容量达10亿千瓦。将满足全国17%的电力需求。我国风电装机26电气工程学院我国风能资源主要包括陆地资源与近海离岸资源两部分，总计7～12亿千瓦。陆上经济可开发量6～10亿千瓦，海上1～2亿千瓦。风能资源丰富区主要分布在我国北部和沿海两大地带，“三北”（华北北部、东北、西北）是我国最大的成片风能资源丰富带。

我国风能资源状况27电气工程学院图3-3全国平均风速分布图28电气工程学院图3-4中国全年风速大于3m/s小时数分布图29电气工程学院测算机构陆上海上距地面高度

(m)理论技术可开发量(亿kW)距地面高度(m)理论技术可开发量(亿kW)中国气象局第二次普查

(20世纪90年代)102.53107.5中国气象局第三次普查(2005)102.97501.8联合国环境署(2004)5014.2106中国气象局风资源评估(2007)5026.8501.8能源研究所估算(2007)-6～10-1.5我国风能资源状况30电气工程学院风能转换及应用情况如图所示:图3-5风能转换与应用情况312.3风力发电机组及工作原理2.3.1风力发电机组的结构及分类

1、风力发电机组的分类按其容量划分小型（10KW以下)中型（10~100KW)大型（100KW以上））风力发电机组是将风能转化为电能的装置按其主轴与地面的相对位置水平轴风力发电机组（主轴与地面平行）垂直轴风力发电机组（主轴与地面垂直）32水平轴风力发电机33垂直轴风力发电机34水平轴风力发电机：水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安装的，与旋转轴垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。风轮叶片数目为1~10片（大多为3片、5片、6片），它在高速运行时有较高的风能利用率，但启动时需要较高的风速。水平轴风力发电机35垂直轴风力发电机：风轮围绕一个垂直轴旋转，风轮轴与风向垂直。其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。36小型及大型风力发电机组37电气工程学院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轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。

图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结构2、风力发电机组的结构38电气工程学院

并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图39电气工程学院

并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。

大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的基本结构402.3.2风力机

风力机又称为风轮，是将风能转换为机械功的动力机械，风力机风轮叶片在风的作用下产成空气动力使风轮旋转，将动能转换成机械能，再通过传动系统和电气系统将机械能转换成电能。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.桨叶式

图3-9水平轴风力机41电气工程学院2、垂直轴风力机：a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式垂直轴风力机42电气工程学院水平轴垂直轴43电气工程学院水平轴与垂直轴风力机的优缺点垂直轴风力机优点：可以吸收来自任意方向风的能量，不需要调向机构；齿轮箱和发电机可以安装在地面，结构简单，维护方面。

缺点：最大功率系数较低；要在相对较低的尖速比下运行；不能自行启动；大型垂直轴风力机的气弹性问题和机械振动问题也较为复杂。水平轴风力机

缺点：需要调向机构；齿轮箱和发电机安装在位于塔顶的机舱内，安装维护不方便。44电气工程学院新一代风力机的特点是：增强抗风暴能力；风轮叶片广泛采用轻质材料,如玻璃纤维复合材料等;运用近代航空气体动力学成就使风能利用系数提高到0.45左右；用微处理机控制，使风力机保持在最佳运行状态;发展风力机阵列系统;风轮结构形式多样化。45电气工程学院2.3.3风力发电机

在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。46电气工程学院1、独立运行风力发电机组中的发电机

独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。

图3-14独立运行的交流风力发电机系统结构47电气工程学院（1）直流发电机

直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。

图3-15电磁式直流发电机结构48电气工程学院（2）永磁式交流同步发电机

永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。图3-17凸极式永磁发电机结构示意图

1—定子齿2—定子轭3—永磁体转子4—转子轴5—气隙6—定子绕组49电气工程学院（3）硅整流自励式交流同步发电机

硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图50电气工程学院（4）电容自励式异步发电机

电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。

图3-19电容自励式异步发电机电路原理51电气工程学院并网运行的风力发电机组中所用的发电机（1）异步发电机

风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2）同步发电机当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。52电气工程学院53电气工程学院（3）双馈异步发电机双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。图3-25双馈异步发电机的系统结构54电气工程学院55电气工程学院双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：

式中

f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1

为同步转速；

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），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。56电气工程学院根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。57电气工程学院2）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。

58电气工程学院（4）无刷双馈异步发电机

无刷双馈异步发电机(BrushlessDoubly－FedMachine，简称BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之处是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。图3-27级联式无刷双馈异步发电机

图3-28磁场调制型无刷双馈异步发电机

59电气工程学院（5）开关磁阻发电机

开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。

图3-29三相（6/4极）开关磁阻发电机结构

60电气工程学院开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。

开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。图3-30开关磁阻风力发电机系统的构成61电气工程学院2.4风力发电机组的控制策略 与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性复杂控制系统。尤其是对于并网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以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，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电质量，而这正是风力发电机组控制中的关键技术，现代风力发电机组一般都采用微机控制，如下图所示。62电气工程学院2－A/D转换模块3－风向标4－风速计5－频率计6－电压表7－电流表8－控制机构9－执行机构10－液压调速油缸11－调向电机12－其他传感器

图3-32风力发电机组的微机自控原理框图63电气工程学院2.4.1风力发电的特点及控制要求风力发电系统控制的目标主要有四个：保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。风力发电系统常规的控制功能有七个：①在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；②低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；③高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；④减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；64电气工程学院⑤减小功率传动链的暂态响应；⑥控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；⑦调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。 为实现上述所要求的部分或全部控制功能，风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶段：从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控制，目前主要发展变桨距或定桨距变速恒频控制。65首台国产化率超过90%的600kW风力发电机组1999年国内首台国产化率到达到93%的风电机组新疆金风科技公司600KW主机，中航惠腾公司叶片66750kW风力发电机组750kW风力发电机组(新疆金风科技股份有限公司)(浙江运达风力发电工程有限公司)750KW风机67双馈变速恒频型风力发电机组

双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时采用双馈型发电机，发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。68双馈变速恒频型风力发电系统69华锐（大连重工）1.5兆瓦风机701.5MW变速恒频双馈型风电机组东方汽轮机厂71直驱型风力发电机组

直驱型风力发电机组是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，风轮轴直接与低速发电机连接。直驱型风力发电机组要采用全功率变流器。72直驱型风力发电机组1基座2偏航系统3发电机定子4发电机转子轮毂6叶片73直驱型风力发电机组74ENERCONE112风力发电机组751.5MW直驱型风电机组首台样机已于2005年5月安装投入试运行(国产化率40%)2007年，1.5MW直驱型风机已装官厅水库33台（其中有3台用惠腾叶片）76混合型风力发电机组混合型风力发电机组采用单级齿轮箱和中速发电机，是直驱型风力发电机组和传统型风力发电机组的混合。混合型风力发电机组也要采用全功率变流器。

771轴承2单级行星齿轮3永磁发电机4电驱变距系统WinWinDWWD-1风力发电机组78海上风力发电快速发展发展海上风电是国际上风电发展的一个方向。目前，海上风电技术日趋成熟，并开始进入规模化开发阶段。至2006年止，世界海上风电总装机容量已达80万千瓦，主要集中在丹麦和英国。欧洲在开发海上风能方面依然走在世界前列。2012年，欧洲为全球海上风电市场贡献了大部分的份额，尤其是英国、德国和比利时表现突出，比2011年增长33%。截至2012年底，欧洲已经累计有1662台风电机组安装和并网，这些机组分别安装在10个国家的55个海上风电场中。79海上风力发电快速发展(续)从海上风电总装机量的排名来看，依次是英国(2948MW)、丹麦(921MW)、比利时(380MW)、德国(280MW)、荷兰(247MW)、瑞典(164MW)、芬兰(27MW)、爱尔兰(25MW)、挪威(2MW)和葡萄牙(2MW)。2012年已经并网的9个风电场中，英国占了6个，总装机容量为854MW，共安装了34台风电机组。据专家预计，到2020年，欧洲海上风电总装机容量将达到7000万千瓦。80海上风力发电快速发展81

丹麦海滩风电场建设82海上风电场83海上风电场84MultibridM5000风力发电机组85Repower5MW风力发电机组86电气工程学院2.4.2风力发电机组的并网技术和功率补偿

由于风能是一个不稳定的能源，风力发电本身难以提供稳定的电能输出，因此风力发电必须采用储能装置或与其他发电装置互补运行。

10kW以下的小型风力发电机组主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。

为解决风力发电稳定供电的问题，目前一般采用的方法是：

1000kW以上的大型风力发电机组并网运行；几十kW～几百kW的风力发电机组可以并网运行，或者与其他发电装置互补运行（如风光互补、风力－柴油发电联合运行）；87电气工程学院1、风力同步发电机组的并网条件和并网方法

风力同步发电机组与电网并联运行的电路如图3－59所示，图中同步发电机的定子绕组通过断路器与电网相连，转子励磁绕组由励磁调节器控制。1）并网条件图3－59同步发电机与电网并联的电路风力同步发电机组的并网运行

88电气工程学院

风力同步发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致。具体有五个条件：①波形相同；②幅值相同；③频率相同；④相序相同；

在并网时，因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相互相对应，条件④就可以满足；而条件①可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主要是其他三条的检测和控制，这其中第③条频率相同是必须满足的条件。

⑤相位相同。89电气工程学院

自动准同步并网风力同步发电机组的起动与并网过程如下：偏航系统根据风向传感器测量的风向信号驱动风力机对准风向。当风速达到风力机的起动风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。当发电机在风力机的带动下转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过励磁电流的调节使发电机输出的端电压与电网电压相近。2）并网方法90电气工程学院在风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同和断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。风力同步发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。以上的检测与控制过程一般通过微机实现。91电气工程学院

自同步并网

同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，电机中无励磁磁场。用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。由于发电机并网时，转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降现象。92电气工程学院2、带变频器的风力同步发电机组的并网

同步发电机可通过调节转子励磁电流，方便地实现有功和无功功率的调节，这是其他发电机难以与其相比的优点。但恒速恒频的风力发电系统中，同步发电机和电网之间为“刚性连接”，发电机输出频率完全取决于原动机的转速，并网之前发电机必须经过严格的整步和（准）同步，并网后也必须保持转速恒定，因此对控制器的要求高，控制器结构复杂。93电气工程学院图3－62变速恒频风力同步发电机组经变频器与电网的连接图

在变速恒频风力发电系统中，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接，如图3－62所示。图中交流发电机为同步发电机，变频器为交－直－交变频器。94电气工程学院当风速变化时，为实现最大风能捕获，风力机和发电机的转速随之变化，发电机发出的为变频交流电，通过变频器转化后获得恒频交流电输出，再与电网并联。由于同步发电机与电网之间通过变频器相连接，发电机的频率和电网的频率彼此独立，并网时一般不会发生因频率差而产生的较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。缺点是电力电子装置价格较高、控制较复杂，同时非正弦逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，将影响电网的电能质量。带变频器的风力同步发电机组的并网95电气工程学院2.5风力发电的经济技术性评价

风力发电的经济性评价主要由其经济性指标来衡量。2.5.1风力发电的经济性指标风力发电的经济性指标单位千瓦造价单位千瓦时投资成本财务内部收益率财务净现值投资回收期投资源利润率96电气工程学院1单位千瓦造价

单位千瓦造价表示风力发电系统每千瓦的投资成本，其计算公式为（3－32）

总装机容量是指风电场全部风力发电机组的总容量。97电气工程学院

风电项目的总投资由风力发电机组、土建工程、电气工程、安装工程、财务成本及其他（含征地、设计勘测）等组成，其各部分所占的比例大致如图3－66所示。

图3－66风电项目投资中各部分所占的比例

98电气工程学院2单位千瓦时投资成本

其中：年固定费用包括设备的年折旧费、摊销贷款利息、人工费、管理费、税金等。运行维护费用包括计划内的保证风力发电机正常运行所进行的正常维修费用。

单位千瓦时投资成本表示在风力发电设备的使用期限（一般20～30年）内，每生产单位千瓦时的电量所需要的投资费用，其计算公式为（3－33）

大修费用指的是风力发电设备在使用期内大修的年平均费用。一般风力发电机组每隔5年、10年、15年大修一次，主要维修机械部件。

99电气工程学院3财务内部收益率(FIRR)和财务净现值(FNPV)

式中

CI——现金流入量；

CO——现金流出量(CI－CO)t——第t年的净现金流量；n——计算期，t=1、2…n。

财务内部收益率(FIRR)是指风电项目在整个计算期内各年净现金流量现值累计等于零时的折现率。它反映项目所占资金的盈利率，是考察项目盈利能力的动态评价指标。其计算公式为（3－34）

只有在风电项目的财务内部收益率大于电力行业基准的财务内部收益率时，其项目的盈利能力才能满足最低要求，在财务上才可以被接受。

100电气工程学院

财务净现值可以通过现金流量表计算得到，只有财务净现值大于或等于零的项目才可以被接受。

财务净现值（FNPV）是指行业的基准收益率或设定的折现率，将项目计算期内各年净现金流量折现到建设期初的现值之和。是考察项目在计算期内盈利能力的动态评价指标。其计算公式为（3－35）其中，Ic——项目所属行业的基准收益率。101电气工程学院

投资回收期可根据财务现金流量表（全部投资）中累计净现金流量计算出，所计算的结果应小于行业的基准投资回收期。4投资回收期（Pt）

投资回收期或投资还本年限Pt是以项目的净收益抵偿全部投资（包括固定资产投资和流动资金投资）所需要的时间。它是考察项目在财务上的投资回收能力的主要静态指标。投资回收期（以年表示）一般从建设开始年算起，其计算公式为（3－36）102电气工程学院5投资利润率

风力发电项目除了上面的直接经济性指标外，其项目还有巨大的社会效益。风能是一种可再生能源，取之不尽、用之不竭。风力发电是一种洁净的、无污染的发电方式，对人类赖以生存的生态环境没有任何破坏，环境效益十分明显。

投资源利润率是指项目达到设计生产能力后的一个正常年份的年利润总额与现项目总投资的比率。它是考察项目单位投资盈利能力的静态指标。其计算公式为（3－37）103电气工程学院2.5.2影响风力发电经济性的主要因素１）风力发电机组的投资

在风电项目的投资中，风电机组的投资占到70%～80%左右，因此降低风电机组的造价是降低风电成本最有效的方法。

1、初期建设投资104电气工程学院２）风电场配套部分投资风电场配套部分投资占到总投资的20%～30%，这部分投资主要与风电场选址、风电场与电网的距离、风电场的配套设施及接入电网的系统等有关。３）融资的成本风电场的投资很大，一般本金只占到20%左右，大部分资金由贷款和融资获得，因此贷款的利息和还款的期限都直接影响风电场的投资及将来的财务成本。105电气工程学院2、发电量影响发电量的因素主要有：

风电场的风能资源，包括风力机轮毂点的平均风速、风速频率分布、主风向是否明显、空气密度等；风电场风力发电机的排列应合理，应充分利用场地，减少风力机之间的影响，使整个风电场的发电量达到最优；106电气工程学院发电机的选型，应根据风资源情况选择合适类型的风力发电机；风力发电场的运行管理水平。3、运行管理成本运行管理成本主要包括风力发电机运行时的维护费用及人员工资等。政府对风力发电的税收政策对其影响也很大。107电气工程学院风力发电发展的特点和趋势主要表现在四个方面：成本更低，性能更完善；单机容量越来越大，在风能丰富的地区竞相建设大型风电场，提高风力机安装的高度及增大风力机叶片的直径，以此降低风力发电的成本，提高风能的捕获；中小型风力发电已经成为牧区或海岛居民用电的主要来源，提高了边远地区人们的生活质量；各国政府在税收、入网电价、资金等方面对各种新能源发电技术都出台了一些鼓励政策，进一步推动了风力发电技术的发展。108电气工程学院

我国风电发展目标西北电网华中电网

台湾千万千瓦风电基地华北电网华东电网东北电网风电发展规划（2020）风电1.5亿kW7个千万千瓦风电基地109电气工程学院风电在未来的几十年内仍具有广泛的发展空间我国风电发展预测中国工程院、发改委对中国风电发展情景预测中国其他专家对中国风电发展情景预测1102.6小型风力发电机原理及应用111

各式小型风机2.6小型风力发电机原理及应用1121131141151、定义 一般把发电功率在10千瓦及其以下的风力发电机称作小型风力发电机。结构 小型风力发电机主要有以下几部分组成：风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构、刹车机构和塔架。风轮:大多用2～3个叶片组成,它把风能转化为机械能。发电机：一般采用永磁式交流发电机,风轮驱动发电机产生交流电,经过整流后变成直流电储存在蓄电池中。116回转体：支撑安装发电机、风轮和尾翼调速机构等，并保证上述工作部件按照各自的工作特点随着风速、风向的变化在机架上端自由回转。调速机构、调向机构、刹车机构

为了从风中获取能量,风轮旋转面应垂直于风向,在小型风力机中,这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。同时随着风速的增加,要对风轮的转速有所限制,这是因为既要防止过快的转速对风轮和风力机的其他部件造成损坏,还要把发电机的功率输出限定在一定范围内。

117 目前小型风力机一般采用叶轮侧偏式调速方式,这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动,从而引起风力机的振动。因此,在风速较大时,特别是蓄电池已经充满的情况下,应人工控制风力机停机。在有的小型风力机中设计有手动刹车机构,另外在实践中可采用侧偏停机方式,即在尾翼上固定一软绳,当需要停机时,拉动尾翼,使风轮侧向于风向,从而达到停机的目的。塔架：一般由塔管和3～4根拉索组成,高度6m～9m。118小型风力发电机可以安全工作的风速：小型风力发电机启动风速一般在3～4米／秒之间，国产小型风力发电机的额定风速通常在8～10米／秒之间；小型风力发电机的最大工作风速(或切出风速)为25米／秒左右。小型风力发电机可以安全工作的风速范围是3～9级风，即风速在3～25米／秒之问都可以安全工作。小型风力发电机适合应用地区：凡是风力资源较好(年平均风速大于4米／秒，没有台风灾害)，电网不能到达或供电不足的牧区、农区、湖区、滩涂、边远哨所和公路道班都适合开展小型风力发电机的推广应用。例如:我国内蒙古草原牧区应用小型风力发电机非常普遍，切实解决了牧民的用电问题；我国洪湖地区应用小型风力发电机也取得了良好的效果小型风力发电机的工作条件119国内小型风力发电机概况我国较大规模地开发和应用风力发电机，特别是小型风力发电机，始于70年代，当时研制的风力提水机用于提水灌溉和沿海地区的盐场，研制的较大功率的风力发电机应用于浙江和福建沿海，特别是在内蒙古地区由于得到了政府的支持和适应了当地自然资源和当地群众的需求，小型风力发电机的研究和推广得到了长足的发展。对于解决边远地区居住分散的农牧民群众的生活用电和部分生产用电起了很大作用。120小型风力发电系统总体结构及工作原理

小型风力发电系统一般由风轮、发电机、尾舵和电气控制部分等构成。尾翼通常由尾桁和尾舵组成，尾桁将尾舵连接到风力发电机的机身上。尾翼是被动的定向控制装置，它维持风力发电机的风轮正对风向，如果风向改变，尾舵就会使风力发电机转动到风的方向，以确保产生最大的电能。121

常规的小型风力发电机组多由感应发电机或永磁同步发电机加AC/DC变换器、蓄电池、逆变器组成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成了机械能（转速+扭矩）。风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴的旋转，带动永磁三相发电机发出三相交流电。风速的不断变化、忽大忽小，发电机发出的电流和电压也随着变化。发出的电经过控制器的整流，由交流电变成了具有一定电压的直流电，并向蓄电池进行充电。从蓄电池组输出的直流电，通过逆变器后变成了220V的交流电，供给用户的家用电器。122小型风力发电机的电力变换装置由于风能的随机性，发电机所发出电能的频率和电压都是不稳定的，以及蓄电池只能存储直流电能，无法为交流负载直接供电。因此，为了给负载提供稳定、高质量的电能和满足交流负载用电，需要在发电机和负载之间加入电力变换装置，这种电力变换装置主要由整流器、逆变器、控制器、蓄电池等组成。1231整流器整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经过控制器再对蓄电池进行充电。一般采用的都是三相桥式整流电路。在风电支路中整流器的另外一个重要的功能是，在外界风速过小或者基本没风的情况下，风力发电机的输出功率也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。1242逆变器 逆变器的主要作用是将蓄电池存储的或由整流桥输出的直流电转变为负载所能使用的交流电。目前独立运行小型风电系统的逆变器多数为电压型单相桥式逆变器。在风力发电中所使用的逆变器要求具有较高的效率，特别是轻载时的效率要高，这是因为风电发电系统经常运行在轻载状态。另外，由于输入的蓄电池电压随充、放电状态改变而变动较大，这就要求逆变器能在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且要保证输出电压的稳定。125逆变器的保护功能有：（1）过充保护：当风速持续较高，蓄电池充电很足，蓄电池组电压超过额定电压1.25倍时，控制器停止向蓄电池充电，多余的电流流向卸荷器。（2）过放保护：当风速长期较低，蓄电池充电不足，蓄电池组电压低于额定电压0.85倍时，逆变器停止工作，不再向外供电。当风速再增高，蓄电池组电压恢复到额定电压的1.1倍时，逆变器自动恢复工作、向外供电。1263蓄电池

在独立运行的小型风力发电系统中，广泛采用蓄电池作为蓄能装置。蓄电池的作用是当风力较强或负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分储存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电。当风力较弱、无风或用电负荷增大时，储存在蓄电池中的电能向负荷供电，以补足风力发电机所发电能的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的作用。

阀控式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水。

127目前在大多数风电系统或太阳能光伏系统中采用的都是阀控式密封铅酸蓄电池。蓄电池是影响风电系统寿命的关键因素，对阀控式密封铅酸蓄电池充放电的控制直接影响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。在大多数的风电系统中，都是由CPU来监测并控制蓄电池的充放电过程，较多采用分阶段法来优化充电过程。因为分阶段充电过程符合阀控式密封铅酸蓄电池的特性，能很好地保护蓄电池，延长其使用寿命。128小型风力发电组的优点机动性高：小型发电机可配合需要增加或变更组件大小；安装方便：可根据需要随时安装，安装简单，快速解决日常用电问题；能源使用多元化：小型发电机可与多种不同的可再生能源组合，方便可靠；量身定做的电力使用：某些小型发电机种可以配合实际的电力需求调节发电量,提升发电效率；可靠且稳定：小型发电机组容易维修,它属于小地区发电与输配网路,万一断电的话,影响较小；减少对环境的冲击：减少因燃烧木柴、干草以及使用电池后遗留下的重金属对环境与地下水的污染。129国内主要风力发电机生产商水平轴风力发电机生产商：深圳艾腾世纪科技有限公司顺德风源能源科技有限公司广州红鹰能源科技有限公司宁波风神风电集团中科恒源广州尚能风力发电设备有限公司垂直轴风力发电机生产商：上海麟风风能科技有限公司130小型风力发电机国内主要厂家及产品型号：青岛风之翼风力发电机有限公司600W风力发电机（FD2.5-600W）131小型风力发电机国内主要厂家及产品型号：青岛风之翼风力发电机有限公司2kW风力发电机（FD4-2KW）132扬州神州风力发电机有限公司额定电压（DCV）：24/48额定电流（DCA）：25/12.5

额定功率（W）：600

启动风速（米/秒）：2.5

额定风速（米/秒）：10.5

安全风速（米/秒）：45

发电机工作形式：永磁同步发电机

风轮直径（米）：1.6

叶片数（片）：3

风机寿命（年）：15-20

毛重（kg）：36

型号：Q-600133两种风力机的比较水平轴风力发电机，风轮围绕一个水平轴转动，需要有调向装置来保持风轮迎风。垂直轴风力发电机围绕垂直轴旋转，可以接受来自任何方向的风，无需调向装置，结构设计简化。垂直轴发电机的齿轮箱和发电机可以安装在地面上，维修方便。而水平轴风力发电机则需要在离地面很高的地方进行维修，十分不便。水平轴风力发电机的启动风速要求较高。而垂直轴发电机的启动风速要求较低，可以实现微风启动，比较适合在城市或是风力相对较小的地方使用。134水平轴风机的桨叶上受到正面风载荷力、离心力，叶片根部收到很大弯矩产生的力，易发生叶片根部折断事故；垂直轴制造风轮叶片两头与轴固定，犹如一张弓，叶片只受拉应力，用料少，寿命长，不易折断，可以耐强风。 不难看出在小型机组中垂直风力发电机的优势，但目前市场上水平轴风力发电机占绝大多数，达里厄型垂直风力发电机由于其性能优良，正成为水平轴风力发电机的有力竞争者，目前垂直轴风力发电机多在北美运行。135小型风力发电机——水平轴桨叶式实验室有如下三种类型的小型风力发电机HY-400W风机技术参数型号规格HY400H起动风速m/s2.5切入风速m/s3额定风速m/s12额定转速rpm750额定功率w400最大功率w500额定电压DCV12\24风轮直径m1.5风叶数量3叶片长度mm725最大抗风风速m/s50广州红鹰能源科技有限公司136小型风力发电机——垂直轴达里厄式

磁悬浮风力发电机300WCXF300W额定功率:300W尺寸（高度/直）:1.23M/1.09M重量:27KG叶片材质:铝合金叶片数量:3最小启动风速:1m/s最小发电风速:2m/s最小充电风速:2.7m/s额定风速:12m/s深圳市泰玛风光能源科技有限公司137小型风力发电机——垂直轴旋翼式138磁悬浮风力发电机磁悬浮风力发电机集磁悬浮技术、电机工程、动力机械、航空大气工程、外观设计、实用设计、风洞测验、电脑模拟分式等学科于一体，采用轻型铝合金、钛金、不锈钢紧固件等轻型特殊材料制造。其工作原理是：采用磁悬浮技术理论、将电机线圈悬浮于一定的空间，在没有任何机械摩擦阻力以及在风力作用下，使电机转动并切割磁力线发出交流电，微风起动、高效发电、运行平稳、使用安全。广泛应用于城市和农村道路照明、庭院照明、景观照明、广告灯箱、交通信号灯、道路测速供电、无人值守监控设备以及远离电网的各种供电需求等方面。139磁悬浮风力发电机的特点A、磁悬浮风力发电机可单独输入或与太阳能互补方式组合输入形成风光互补供电系统。B、磁悬浮风力发电机采用自适应功率控制技术，在低风速时进行升压，使风机在较低转速时即可对蓄电池充电；高风速时限制输出功率，以免损坏蓄电池。C、磁悬浮风力发电机所使用控制器对蓄电池严格按限流恒压方式充电，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏，并保持恒压浮充，随时补充蓄电池自身漏电损失。D、磁悬浮微风发电机在蓄电池电量过低时，会自动断开负载，防止蓄电池过度放电损坏；待蓄电池补充电量后，自动恢复接通负载140深圳市泰玛风光能源科技有限公司工程案例——汕头南澳岛工程141海上风力发电应用142辽宁沈阳通讯基站风光互补系统143试验平台整体结构简图 通过在实验室对变频器的控制，由频率的变化来控制风洞产生风的大小；工控机通过监控系统能够清晰地观察实验室外部的工作情况。144①风洞②水平轴风力发电机③H型垂直轴风力发电机④垂直轴风力发电机室外145146室内机部分147小型风力发电平台设备实验平台运用到的设备主要有：智能电量测量仪、HY-400W小型风力发电机、磁悬浮风力发电机、CHF100A系列矢量通用型变频器、风光互补路灯控制器、增强智能型采集单元、650线ICR日夜型网络枪形摄像机等。1、智能电量测量仪

本平台采用了PF9802智能电量测量仪，它可用于交流、直流、交流+直流信号的测量。并具备电流、功率上下限设定、判别及报警功能。148型号PF9802三窗口显示V、A、W/PF/Hz输入电压3.0V～300V输入电流10mA～20A量程切换自动功率因素-1.000～+1.000频率范围DC/AC:45Hz～130Hz带宽：5kHz精度（0.4%读数+0.1%量程+1字）上下限判定功能具备电流、功率上下限设定、判别及报警功能，非常适合产线测量智能电量测量仪技术参数1492、CHF100A系列矢量通用型变频器品牌：英威腾规格型号：250*160*180CHF100A-5R5G/7R5P-4

CHF100A系列矢量通用型变频器为CHF系列功能增强型产品，其融合CHF100、CHE100所有优点于一身，采用DSP控制系统，完成优化的无速度传感器控制、V/F控制，功能更优化，应用更灵活，性能更稳定。可广泛应用于风机、泵类负载及对速度控制精度、转矩响应速度、低频输出特征有较高要求的应用场合。150 本系统采用此变频器，将主要应用本设备控制风洞产生理想的风，从而进行风力发电的模拟试验，以弥补广西地区自然风力较小的缺点，同时能够改善自然风难以控制及利用的难点，为试验平台的调试及今后的开放提供一个便利的环境。 在试验平台的控制过程中，本变频器的工作频率为0—50HZ。较为宽广的频率区间能够使本平台产生的较宽的风速区间，提高平台的实际价值。1513、风光互补路灯控制器风光互补路灯控制器适合于风光互补供电系统，尤其适用于风光互补路灯系统，不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池所发出的电能，而且还提供了强大的控制功能。智能型风光互补路灯控制器提供了太阳能电池防反冲、太阳能电池接反、蓄电池过充电、蓄电池过放电、蓄电池接反、蓄电池开路、风机自动刹车和手动刹车等多种保护。本平台采用此风光互补灯控制器，主要利用它对蓄电池的充电保护，同时由于本平台今后还具备同时模拟太阳能发电的功能，风光互补灯控制器都是必不可少的。152风光互补控制器安装使用注意事项:1、不可以直接安装在雨水可以淋到的地方。2、应采用竖直壁挂安装方式。3、蓄电池、负载、太阳能电池板正负极请勿接反。4、负载功率请勿超过额功率或电流。5、保证风光互补控制器通风流畅，散热良好。6、应定期检查风光互补控制器工作状态，及时性排除不利影响。1534、增强智能型采集单元 增强智能型采集单元应用于ZTEE_guard监控系统的被控端局，是集数据采集、处理、存储、通讯于一身的增强型多功能监控设备，可以同时监控多个智能设备、非智能设备及环境参量，并支持图片、图像监控，以及智能门禁系统，可广泛应用于本地网机房、移动基站的监控。 本系统运用了此智能采集单元的8路通用AI/DI测量通道中的3路，用作模拟信号。采集风力发电机直接传送出来的模拟信息，同时采集通过整流逆变得到的直流电与交流电的信息，进行数据的分析处理，采集单元将采集的信息传送到工控机，进行数据分析。此外还利用视频接入扩展板，接入了1路视频，通过校园网络的传输，完成了对本试验平台的视频监控。1545、摄像头：650线ICR日夜型网络枪形摄像机 采用高性能1/3SONYExviewHADCCDII，水平解析度达650线，ICR滤光片彩转黑功能，实现日夜监控。支持数字宽动态功能，适合逆光环境的