大规模新能源发电及并网技术风电

大规模新能源发电及并网技术风电当前1页，总共142页。国内外风力发电的发展现状风力发电基础知识大型风机系统基本结构3.1风力发电与并网技术当前2页，总共142页。一国内外风力发电的发展现状1.世界风电的发展自1990年以来,风力发电一直是世界上增长最快的可再生新能源。从1996年起，全球累计风电装机连续11年增速超过20％，平均增速达到28.35％。2008年虽然经历了历史罕见的金融危机，但风电依然成为最具吸引力的发电投资，已经成为各个国家替代能源的首选。当前3页，总共142页。一国内外风力发电的发展现状2010年底，全球风电总装机容量达199,520兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92%。2008年和2009年全球年装机容量分别增加42%和35%，而2010年年度装机增长率仅为3%。受金融危机的影响，2010年年度装机增长率仅为3%。2010年美国风电装机新增下滑最厉害，欧洲保持平稳增长。中国、印度等新兴市场显示出强大的生命力。当前4页，总共142页。一国内外风力发电的发展现状经过2010年的转折，最大风电国家市场的排名发生了变化：中国以18,928兆瓦的新增装机容量稳居第一位，并且创造了单个国家年度新增装机容量的世界纪录；美国以5,115兆瓦的新增装机容量位列第二；第三名是印度，新增装机容量2,139兆瓦。在欧洲，德国、英国和西班牙成为排名前三的欧洲国家，每个国家的新增装机容量大约是1,500兆瓦。当前5页，总共142页。一国内外风力发电的发展现状当前6页，总共142页。2013年全球风电新增装机前十大国家2013年中国风电新增装机容量为16.1GW,占全球新增装机总量的45.4%；德国风电新增装机容量为3238MW，占比为9.1%；英国风电新增装机容量为1883MW，占比为5.3%；当前7页，总共142页。2013年全球风电累计装机前十大国家截至2013年底中国风电累计装机容量为91.42GW,占全球累计装机总量的28.7%；美国风电累计装机容量为61,091MW，占比为19.2%；德国风电累计装机容量为34,250MW，占比为10.8%；当前8页，总共142页。2.我国风电的发展我国的风电自2003年进入高速发展时期。从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番。2009年，中国以2580万千瓦的总累计装机容量超过德国，成为世界第二，但与排名第一的美国仍有近1000万千瓦的差距。截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。《中国风电发展报告2010》预测：2020年，中国风电累计装机可以达到2.3亿千瓦，相当于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时，相当于取代200个火电厂。一国内外风力发电的发展现状当前9页，总共142页。“十二五”将加快海上风电投资，预计2020年海上风电装机容量将超过3200万千瓦。

上网瓶颈是风电发展的最大障碍，也是急需解决的问题，我国电网“十二五”期间风电并网目标是9000万千瓦。日本核电危机后，我国核电政策偏紧，水电的规划目标已经被充分挖掘，风电和光伏是最有可能弥补核电缺位的清洁能源，风电与光伏将“临危受命”，得到更大的发展空间。一国内外风力发电的发展现状当前10页，总共142页。原《可再生能源中长期发展规划》提出的风电发展目标是2020年全国风电总装机容量达到3000万千瓦，调整后的风电装机容量指标可能达到1亿－1.5亿千瓦。根据《新兴能源产业发展规划》，预计到2020年，中国新能源发电装机2.9亿千瓦，约占总装机的17％。其中，核电装机将达到7000万千瓦，风电装机接近1.5亿千瓦，太阳能发电装机将达到2000万千瓦（即20GW），生物质能发电装机将达到3000万千瓦。一国内外风力发电的发展现状当前11页，总共142页。我国风能资源分布中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦近海可开发风能资源是陆地的3倍多当前12页，总共142页。当前13页，总共142页。风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大；单个风电场装机容量不断增加，已有多个10万千瓦级风电场投运，正建千万千瓦级大型风电基地；风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV)；风电机组的种类不断增多，从早期的定速风电机组（1MW以下），到双馈感应风力发电和直驱同步风力发电（1MW以上）我国风电发展特点当前14页，总共142页。世界风电技术发展趋势风电单机容量稳步上升：以德国为例，03年平均单机容量超过1.5MW，叶片直径大于64m的风机占77%；变浆调节方式迅速取代失速调节方式：德国03年装机的风电机组，超过91%采用了变浆调节方式；变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式：通过控制发电机转速，是风机叶尖速比接近最佳，提高风机运行效率。德国03年装机的风电机组，超过90%的风机采用了变速恒频方式；无齿轮箱的直驱同步发电机组的市场份额迅速扩大当前15页，总共142页。Repower5MW风力发电机组当前16页，总共142页。英国海上风场瑞典海上风场当前17页，总共142页。海上风电场当前18页，总共142页。华锐风电海上吊装作业当前19页，总共142页。海上风电场当前20页，总共142页。当前21页，总共142页。当前22页，总共142页。桨叶的翼型1、桨叶的几何参数与空气动力特性攻角风向弦长AB攻角：来流方向与弦线的夹角升力角：来流方向与零升力线夹角桨叶上的气动力总的气动力，S—

桨叶面积，Cr—

总气动系数C压力中心升力，与气流方向垂直，Cl—

升力系数阻力，与气流方向平行，Cd—

阻力系数Cd、Cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。二、风力发电基础知识弦线当前23页，总共142页。升力和阻力的变化曲线-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2-0.2升力系数与阻力系数是随攻角变化的升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。二、风力发电基础知识当前24页，总共142页。旋转桨叶的空气动力风向v-uw运动旋转方向重要参数桨距角回转平面与桨叶截面弦长的夹角倾斜角相对速度dF气流W产生的气动力dL气流升力dD气流阻力I轴向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率dPw=ωdT二、风力发电基础知识当前25页，总共142页。二、风力发电基础知识气流动能为m空气质量，v气流速度 密度为ρ的气流过面积S的气体体积为V，m=ρV=ρSv则单位时间内气流所具有的动能为理想风轮与贝兹（Betz）理论：风力机的理论最大效率：风力机能量转换过程当前26页，总共142页。风能利用系数： 风力机的实际功率 其中CP为风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的函数，它永远小于0.593叶尖速比为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比风力机的主要特性系数二、风力发电基础知识桨距角越大，最大Cp越小——风速过大，可以增大桨距角来降低Cp，降低风能捕获，限制转速桨距角一定，最大Cp处的λ一定——风速变化，需要调节风机转速才能达到最大Cp，以捕获最大风能当前27页，总共142页。2.分类恒速恒桨变速变桨二、风力发电基础知识当前28页，总共142页。2.1.恒速恒桨技术原理恒速恒桨一般采用鼠笼式异步发电机，风力机桨距固定，其运行完全靠叶片气动特性控制，当风机带动发电机达到或接近同步速时并入电网，此后电机转速基本保持恒定，系统送入电网的电压频率恒定。当前29页，总共142页。恒速恒桨风力发电技术的特点电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。转速不变，无法根据风速变化调节转速追踪最大风能利用系数，效率较低；强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。适用于中小功率风电系统，通常不大于1000kW。当前30页，总共142页。2.2.变速变桨技术分类采用DFIG（双馈感应发电机）当前31页，总共142页。采用普通同步发电机（全功率变换型）当前32页，总共142页。采用多极永磁同步发电机（全功率变换直驱型）当前33页，总共142页。34

按照风轮结构及其在气流中的位置：水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平按风轮结构划分按功率调节方式划分定桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机面与风向垂直。

垂直轴风力机:风轮围绕一个垂直轴进行旋转。当风速超过额定风速时，为了保证发电机的输出功率维持在额定功率附近，需要对风轮叶片吸收的气动功率进行控制。对于确定的叶片翼型，在风作用下产生的升力和阻力主要取决于风速和攻角，在风速发生变化时，通过调整攻角，可以改变叶片的升力和阻力比例，实现功率控制。2.其他分类当前34页，总共142页。35

定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。

优点:结构简单。

缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且由于轴向压力增大,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大。此外，由于桨距角不能调整，没有气动制动功能，因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。

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变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。

优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。

缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。

目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。

主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。利用叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到额定功率后，使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度，增大来风攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。

优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。

缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。

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高传动比齿轮箱型：

优点：由于极对数小，结构简单，体积小；

缺点：传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。

直接驱动型：采用多级同步风力发电机，让风轮直接带动发电机低速旋转。

优点：没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等，提高了运行可靠性。缺点：发电机极对数高，体积比较大，结构复杂。

半直驱型：上述两种类型的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应减少了多极同步风力发电机的极数，从而减少了发电机的体积。按传动形式划分当前37页，总共142页。38当前38页，总共142页。39

恒速型风力机：发电机转速恒定不变，不随风速的变化而变化。

变速型风力机：发电机工作转速随风速时刻变化而变化。主流大型风力发电机组基本都采用变速恒频运行方式。按发电机转速变化划分

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沿海风场风况和环境条件与陆地风场存在差别，海上风电机组具有一些特殊性：

1)适合选用大容量风电机组。海上风速通常比沿岸陆地高，风速比较稳定，不受地形影响，风湍流强度和风切变都比较小，并且具有稳定的主导风向。在相同容量下，海上风电机组的塔架高度比陆地机组低。

陆地风电机组海上风电机组

当前40页，总共142页。412)风电机组安全可靠性要求更高。海上风电场遭遇极端气象条件的可能性大，强阵风、台风和巨浪等极端恶劣天气条件都会对机组造成严重破坏。海上风电场与海浪、潮汐具有较强的耦合作用，使得风电机组运行在海浪干扰下的随机风场中，载荷条件比较复杂。海上风电机组长期处在含盐湿热雾腐蚀环境中，加之海上风电机组安装、运行、操作和维护等方面都比陆地风场困难。因此，海上风电机组结构，尤其是叶片材料的耐久性问题极为重要。

3)基础形式与陆地风电机组有巨大差别。由于不同海域的水下情况复杂、基础建造需要综合考虑海床地质结构、离岸距离、风浪等级、海流情况等多方面影响，因此海上风电机组复杂，用于基础的建设费用也占较大比例。海上风电在风资源评估、机组安装、运行维护、设备监控、电力输送等许多方面都与陆地风电存在差异，技术难度大、建设成本高。当前41页，总共142页。42

水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴垂直或近似垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定，用于风力发电的风力机的叶片数一般取1～3片，用于风力提水的风力机叶片数一般取12～24片。

水平轴风力发电机

当前42页，总共142页。43按照风轮与塔架相对位置的不同划分

上风向风力机下风向风力机水平轴风力机风轮在塔架的下风位置旋转的风力机。能够自动对准风向，不需要调向装置。缺点：空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，风力机性能降低。以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力机为逆风式风力机。需要调风装置，使风轮迎风面正对风向。当前43页，总共142页。44

定义：垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转。

特点：①无需调风向装置，可接受来自任何方向的风，风向改变时无需对风。②齿轮箱和发电机均可安装在地面上或风轮下，运行维修简便，费用较低。③叶片结构简单，制造方便，设计费用较低。垂直轴风力发电机

分类：阻力型风力机：利用空气对叶片的阻力做功。升力型风力机：利用翼型升力做功。当前44页，总共142页。45

S形风力机由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点可在较低风速下运行，但S形风轮由于风轮周围气流不对称，从而产生侧向推力。受侧向推力与安全极限应力的限制，S形风力机大型化比较困难。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力机，仅为0.15左右。在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下，其功率输出较低，因而用于发电的经济性较差。

当前45页，总共142页。46升力型:达里厄型风力机是水平轴风力机的主要竞争者。形式:有φ形、H形、△形、Y形和菱形等。根据叶片结构形状，可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种。

H形风轮和φ形风轮应用最为广泛。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动而产生的合力形成转矩，因此叶片几乎在旋转一周内的任何角度都有升力产生。达里厄风力机最佳转速较水平轴的慢，但比S形风轮快很多，其风能利用系数与水平轴风力机相当。当前46页，总共142页。47H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，对于相同的总强度，φ形叶片比较轻，且比直叶片可以更高的速度运行。但φ形叶片不便采用变浆距方法来实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，φ形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。

当前47页，总共142页。三、大型风力发电机组的基本结构当前48页，总共142页。当前49页，总共142页。当前50页，总共142页。当前51页，总共142页。当前52页，总共142页。当前53页，总共142页。当前54页，总共142页。当前55页，总共142页。当前56页，总共142页。当前57页，总共142页。当前58页，总共142页。当前59页，总共142页。我上到风机上了当前60页，总共142页。当前61页，总共142页。当前62页，总共142页。当前63页，总共142页。当前64页，总共142页。当前65页，总共142页。当前66页，总共142页。当前67页，总共142页。当前68页，总共142页。当前69页，总共142页。当前70页，总共142页。当前71页，总共142页。当前72页，总共142页。当前73页，总共142页。当前74页，总共142页。当前75页，总共142页。当前76页，总共142页。当前77页，总共142页。当前78页，总共142页。当前79页，总共142页。当前80页，总共142页。当前81页，总共142页。当前82页，总共142页。83

由于风轮在旋转过程中，转动惯量很大，所以当风速超过切出风速时，变桨调节的风电机组通过对桨距角的调整可以实现气动制动。对于失速控制的风电机组，由于叶片与轮毂固定连接，通常采用可旋转的叶尖实现气动制动。图为一种具有旋转叶尖的制动结构。在风轮运行时，叶尖部分和其他部分方向一致，形成一个整体。当需要制动时，叶尖部分绕叶片轴向旋转90°，实现