第二章风力发电技术1

第二章风力发电技术内容提要13风力发电概述2风力发电系统构成风力发电机组的分类4风力发电的基本原理1.风力发电概述1.1风力发电的意义1.2风力发电的发展1.1风力发电的意义煤、石油、天然气是当今世界主要能源稀缺性和不可再生性使能源价格不断增长。燃料型能源产生有害气体排放，危害健康、导致全球变暖。寻找新的、清洁的、无污染、可再生的替代性能源是当今人类面临的重要问题。水电、核电是现阶段低碳能源首选发电成本与火电接近稳定性优于风电、光电水电开发总量有限、影响自然环境核电有泄漏危险1.1风力发电的意义风能具有以下特点：太阳能转化而来，地球表面温差引起空气流动，具有一定动能。是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源由于能源和环境等诸多问题的影响，风力发电的发展受到全球性的广泛关注和高度重视。是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式。具有间歇性，可控性不如常规性能源。1.1风力发电的意义风能的利用方式发电、助航、提水灌溉、制热供暖等转化为电能是风能主要利用方式利用风轮收集风能，将其转变为旋转的机械能通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能利用电网远距离输送1.风力发电概述1.1风力发电的意义1.2风力发电的发展1.2风力发电的发展自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。1888年美国电力工业奠基人之一CharlesF.Brush安装了被现代人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。1.2风力发电的发展1890年丹麦的拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。1957年200kWGedser风力发电机安装在丹麦Gedser海岸，三叶片带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，是现代风力发电机的设计先驱。1.2风力发电的发展1973年的石油危机之后，风力发电发展得到一些国家政府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家.Tvind2MW，叶轮直径54米，同步发电机通过电力电子设备与电网相连。1.2风力发电的发展90年代后开始进入现代风力发电技术600kW-750kW风力发电机组98年兆瓦级风力发电机组1995年建成的赖斯比·合德风电场装有Bonus能源公司的40台600千瓦型风机Vistas公司的1.5兆瓦原型风机建于1996年。1.2风力发电的发展风力发电技术发展趋势海上风力发电多兆瓦级风力发电世界上第一个海上风电场位于丹麦南部的洛兰岛以北海域，1991年修建Repower5MW，叶轮直径126米，轮毂高度100-120米，目前已经在爱尔兰和比利时海上安装运行1.2风力发电的发展风力发电机容量和风轮直径发展1.2风力发电的发展风力发电机容量和风轮直径发展1.2风力发电的发展世界风电装机容量09年全球风机容量为159,213MW,2009年新增容量为38,312MW。2009年风机装机增长率为31.7%，是自2001年增长最快的一年。风电的年发电量约3400亿kWh，占全球电力总消耗的1.6%。美国的装机容量保持世界第一，中国以微小的差距超过德国位列第二，中德两国总装机容量为26,000MW左右。总装机容量、新增装机容量2009年世界新增风电装机最多的10个国家2009年世界前十位风电机组供应商在市场中所占份额1.2风力发电的发展中国风电发展我国电力发展基本情况，全国联网，西电东送、南北互供。我国风能资源丰富，主要分布在三北及东南沿海地区。2009年新增装机容量为13,800MW2009年底我国风电装机情况2009年我国风电各制造企业累计装机容量世界风机总装机容量世界风机新增装机容量2009年风机装机容量最多的10个国家2009年世界前十位风电机组供应商在市场中所占份额全国电网互联东北电网华北电网西北电网华东电网南方电网华中电网台湾电网川渝电网西藏电网我国电网的基本情况华北南方东北西藏台湾西北华中上海华东金沙江下游水电晋陕宁蒙煤电基地负荷中心送电至华中华东送电至华北华中华东新疆煤电基地四川水电西藏水电送电至华中华东送电至华中跨国输电跨国输电我国一次能源与用电需求分布极不均衡电力流主要由西北、西南煤电、水电基地流向东部受端中心，输电距离长、输送容量大多个大型受端中心已经形成未来随着能源开发西移和北移速度加快，大型能源基地与能源消费地之间的输送距离越来越远，能源输送的规模越来越大负荷中心中国有效风功率密度分布图2009年底我国风电装机情况2009年底我国风电装机情况九个百万千瓦级风电基地内蒙古吉林辽宁甘肃黑龙江河北新疆江苏山东2009年我国风电各制造企业累计装机容量2009年我国各开发商新增装机容量2009年我国新增装机容量机型分布2.风力发电系统构成风力发电系统能量的传递和转换过程2.风力发电系统构成风力发电机组的构成叶轮：叶片和轮毂，获取风能并转化为机械能。机舱偏航系统传动链主轴：将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机。齿轮箱：将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电机需要的转速。发电机：异步发电机、双馈发电机、永磁同步发电机制动系统桨距调节装置塔架电控系统：风力发电机组的运行与管理。2.风力发电系统构成叶轮轮毂：连接主轴与叶片的重要部件。它承受风力作用在叶片上的推力、扭矩、弯矩、陀螺力矩等。机舱偏航系统偏航装置也叫对风装置，可以分为：

尾舵对风：直径不超过6m的小型风力机采用此种方式。

侧轮对风：中型风力机采用这种方式，

电气、液压推动对风：风向传感器与伺服电机或液压系统配合实现对风。尾舵对风尾舵是两叶张开的方式，对风有一定的阻力，可保证稳定的对风。

侧轮对风侧风轮对风结构在机舱后部两侧有两个侧风轮（舵轮），两个侧风轮一般在同一个转轴上，转轴水平并与风力机风轮主轴垂直。风向风速仪安装在机舱后部顶上，左右两套相互校验。机舱不可能总是朝同一个方向旋转，为防止电缆扭转破坏，旋转角度不得超过650°，超过±650°时，控制系统就会控制偏航电机反解缆。主轴齿轮箱变速齿轮箱：将风力轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机所需要的转速相匹配。制动系统在风机停机时，要使风轮从运行转速尽快静止，就需要制动系统，也叫机械刹车。它可以设置在齿轮箱的高速轴或低速轴位置。发电机塔架电控系统3.风力发电机组的分类及原理3.1风力发电机组的分类3.2风力发电机组的原理3.1.风力发电机组的分类风力发电系统的分类——风轮轴向垂直轴水平轴3.1.风力发电机组的分类风力发电系统的分类——叶片数量3.1.风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按功率调节方式定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。3.1.风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按功率调节3.1.风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按传动形式高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。3.1.风力发电机组的分类风力发电系统的分类——按发电机驱动方式形式

(a)异步发电机组同步电机，都用在火电水电核电，这种情况下转子的转速和电压可控。因为风力不稳定,异步发电机的启动需要外接电网，它是需要接受电网50Hz的电励磁。当风力发电机组的转速快接近同步转速时（99%-100%），发电机出口断路器合闸，之后利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用,使得转子绕组产生电流，进而在定子中产生感应电动势。但是该种发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流，并使电网电压瞬时下降。异步发电机在电网的运行状态分为两种：（1）nG<nS,此时发电机以电动机方式运行，从电网吸收电能。（2）nG>nS，此时发电机处于发电状态运行，向电网输出电能。先由变频器给转子提供交流电，形成交变磁场，风机带动转子转动又形成旋转磁场，然后定子线圈产生感应电动势，输出到电网。f1=(P/60)*nr±f2f1为定子电压频率f2为转子励磁电压频率nr为双馈发电机转速。由上可知，当转速nr发生变化时，若调节f2变化，可使f1保持恒定不变，实现变速恒频控制。(b)双馈异步发电机组有三种运行状态：①亚同步运行：该种发电机在风机低于额定转速时，也可以发电；②同步运行：在等于额定转速时，变频器给转子提供直流电；③超同步运行：在高于额定转速时，转子的交变磁场反向，改变三相绕组相序，从而实现转子向电网供电。双馈：定子与电网直接连接，转子通过变频器与电网连接，在一定条件，定子与转子同时向电网供电。异步电机驱动的风力发电机组说(c)低速交流发电机低速交流发电机由风力机直接驱动，省略了齿轮箱，该种发电机转子部分是永磁体，只要风机带动转子转动，在定子侧产生感应电动势，再通过变频器恒频之后并网。永磁同步风力发电机组3.风力发电机组的分类及原理3.1风力发电机组的分类3.2风力发电机组的基本原理3.2风力发电的基本原理风力机的运行特性由风力机的空气动力学知，风力机的输入功率为由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用，其风能利用系数v为风速，ρ为空气密度，R为叶片半径根据贝兹理论，风力机的理论风能利用系数为0.593.3.2风力发电的基本原理风力机的运行特性风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。为了便于讨论，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片的叶尖线速度与风速之比：变浆距的风能利用系数是叶尖速比和桨