第2章风力发电基础基础知识课件

风力发电原理及其新技术应用华北电力大学电气学院夏世威s.w.xia@风力发电原理及其新技术应用华北电力大学电气学院1国内外风力发电的发展概述风力发电的基本原理风力发电系统的分类笼型异步风力发电机组双馈型异步风力发电机组直驱型同步风力发电机组风电功率预测提纲国内外风力发电的发展概述提纲2国内外风力发电的发展概述国内外风力发电的发展概述3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24第2章风力发电基础基础知识ppt课件5从1996年到2009年，世界累计风电装机容量的增长率超过20%，平均28%；2007年，世界累计风电装机容量94112MW，增长26.8%；2007年，世界新增风电装机容量20073MW，增长32.1%；到2007年，我国风电装机容量6050MW，超过丹麦，成为世界第5；到2008年，我国风电装机12170MW，居世界第4；风电的快速发展从1996年到2009年，世界累计风电装机容量的增长率超过262006年1月：《可再生能源法》2007年9月：《可再生能源中长期发展规划》2009年：《新能源产业振兴规划》有力的政策支持2006年1月：《可再生能源法》有力的政策支持7到2020年：风电装机1.5亿千瓦其中陆地1.2亿千瓦，海上3000万千瓦建设六个陆上千万千瓦级风电基地及其外送联网工程新能源在能源结构中比例达9%（含水电20%）新能源发电装机占总装机比例达15%（含水电35%）新能源产业增加直接投资45000亿带动社会间接投资9万亿《新能源产业振兴规划》到2020年：《新能源产业振兴规划》8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）我国风电发展特点风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大；我国风电发展特点9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10风力发电的基本原理风力发电的基本原理11第2章风力发电基础基础知识ppt课件12第2章风力发电基础基础知识ppt课件13第2章风力发电基础基础知识ppt课件14第2章风力发电基础基础知识ppt课件15第2章风力发电基础基础知识ppt课件16第2章风力发电基础基础知识ppt课件17第2章风力发电基础基础知识ppt课件18第2章风力发电基础基础知识ppt课件19第2章风力发电基础基础知识ppt课件20第2章风力发电基础基础知识ppt课件21第2章风力发电基础基础知识ppt课件22我上到风机上了我上到风机上了23第2章风力发电基础基础知识ppt课件24第2章风力发电基础基础知识ppt课件25第2章风力发电基础基础知识ppt课件26第2章风力发电基础基础知识ppt课件27第2章风力发电基础基础知识ppt课件28第2章风力发电基础基础知识ppt课件29第2章风力发电基础基础知识ppt课件30第2章风力发电基础基础知识ppt课件31第2章风力发电基础基础知识ppt课件32第2章风力发电基础基础知识ppt课件33第2章风力发电基础基础知识ppt课件34第2章风力发电基础基础知识ppt课件35第2章风力发电基础基础知识ppt课件36第2章风力发电基础基础知识ppt课件37第2章风力发电基础基础知识ppt课件38第2章风力发电基础基础知识ppt课件39第2章风力发电基础基础知识ppt课件40第2章风力发电基础基础知识ppt课件41第2章风力发电基础基础知识ppt课件42第2章风力发电基础基础知识ppt课件43第2章风力发电基础基础知识ppt课件44第2章风力发电基础基础知识ppt课件45第2章风力发电基础基础知识ppt课件46第2章风力发电基础基础知识ppt课件47第2章风力发电基础基础知识ppt课件48第2章风力发电基础基础知识ppt课件49第2章风力发电基础基础知识ppt课件50第2章风力发电基础基础知识ppt课件51第2章风力发电基础基础知识ppt课件52第2章风力发电基础基础知识ppt课件53第2章风力发电基础基础知识ppt课件54第2章风力发电基础基础知识ppt课件55第2章风力发电基础基础知识ppt课件56第2章风力发电基础基础知识ppt课件57第2章风力发电基础基础知识ppt课件58第2章风力发电基础基础知识ppt课件59第2章风力发电基础基础知识ppt课件60第2章风力发电基础基础知识ppt课件61第2章风力发电基础基础知识ppt课件62第2章风力发电基础基础知识ppt课件63第2章风力发电基础基础知识ppt课件64第2章风力发电基础基础知识ppt课件65第2章风力发电基础基础知识ppt课件66第2章风力发电基础基础知识ppt课件67第2章风力发电基础基础知识ppt课件68第2章风力发电基础基础知识ppt课件69第2章风力发电基础基础知识ppt课件70第2章风力发电基础基础知识ppt课件71第2章风力发电基础基础知识ppt课件72第2章风力发电基础基础知识ppt课件73风力发电系统的分类按风轮桨叶分类：失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率；变桨型：高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。风力发电系统的分类按风轮桨叶分类：74按风轮转速分类：定速型：

风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与恒速发电机对应；变速型：

（1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能转换率，与双速发电机对应；（2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。按风轮转速分类：75按传动机构分类：齿轮箱升速型：

用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机；（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）直驱型：

直接连接低速风力机和低速发电机。（避免齿轮箱故障）按传动机构分类：76按发电机分类：异步型：（1）笼型单速异步发电机；（2）笼型双速变极异步发电机；（3）绕线式双馈异步发电机；同步型：（1）电励磁同步发电机；（2）永磁同步发电机。按发电机分类：77按并网方式分类：并网型：并入电网，可省却储能环节。离网型：一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。按并网方式分类：78风力机风能转换效率特性风轮的功率风能转换率叶尖速比TSR:叶尖速比TipSpeedRate:桨距角风力机风能转换效率特性风轮的功率TSR:叶尖速比TipSp79风力发电机组输出功率(定速vs变速)风力发电机组输出功率(定速vs变速)80笼型异步风力发电机组定速笼型异步风力发电机组变速笼型异步风力发电机组笼型异步风力发电机组定速笼型异步风力发电机组81定速笼型异步风力发电机组定速笼型异步风力发电机组82三相笼型异步风力发电机三相笼型异步风力发电机83笼型异步风力发电机的内部结构笼型异步风力发电机的内部结构84（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容；（2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦；（3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，Ｓmax绝对值要大；（4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置；笼型异步风力发电机的特点（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数85变速笼型异步风力发电机组变速笼型异步风力发电机组86（1）笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；（2）运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行效率高；（3）发电机机端电压可调，轻载运行效率高；（4）发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网波动的适应性好；（5）变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。变速笼型异步风力发电机组的特点（1）笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；变速笼型异步87双馈型异步风力发电机组主电路：双馈异步发电机+交直交双向功率变换器双馈型异步风力发电机组主电路：双馈异步发电机+交直交双向功率88国产1MW双馈型异步风力发电机国产1MW双馈型异步风力发电机89引入转子交流励磁变流器，控制转子电流；转子电流的频率为转差频率，跟随转速变化；通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态；通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率；转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量与转差率有关（约为全功率的S倍）。双馈型异步风力发电机组的原理引入转子交流励磁变流器，控制转子电流；双馈型异步风力发电机组90（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变流器成本相对较低；（3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）；（4）并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求；（6）改善作用于风轮桨叶上机械应力状况；（7）双向变流器结构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。双馈型异步风力发电机组的特点（1）连续变速运行，风能转换率高；双馈型异步风力发电机组的特91直驱型同步发电机组电励磁直驱同步发电机组永磁直驱同步发电机组混合励磁直驱同步发电机组直驱型同步发电机组电励磁直驱同步发电机组92同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。采用同步发电机的必要性同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整93由齿轮箱引起的风电机组故障率高；齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染；系统的噪声大，效率低，寿命短。去除齿轮箱，直接驱动的理由：发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大；全功率整流逆变，变流器成本高。直驱带来的问题：由齿轮箱引起的风电机组故障率高；去除齿轮箱，直接驱动的理由：94直驱型同步发电机组直驱型同步发电机组95直驱型同步发电机组定子铁心定子绕组发电机转子直驱型同步发电机组定子铁心定子绕96电励磁直驱同步发电机组电励磁直驱同步发电机组97通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；定子绕组输出电压的频率随转速变化；可采用不控整流和PWM逆变，成本较低；转子可采用无刷旋转励磁；转子结构复杂，励磁消耗电功率；体积大、重量重，效率稍低。电励磁直驱同步发电机组的特点通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；电励磁直驱同98永磁直驱同步发电机组的功率变换电路永磁直驱同步发电机组的功率变换电路99永磁直驱同步发电机组的特点永磁发电机具有最高的运行效率；永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；永磁发电机和全容量全控变流器成本高；永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。永磁直驱同步发电机组的特点永磁发电机具有最高的运行效率；100混合励磁直驱同步发电机组的特点利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力；采用部分功率容量的SVG逆变器向发电机机端注入无功电流，以调节发电机的端电压；无需全功率容量的脉冲整流或DC-DC变换器，可明显节省变流器的容量；SVG逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。混合励磁直驱同步发电机组的特点利用转子的凸极磁阻效应，增强永101（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内继续称为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。小结：（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换102风电功率预测必要性：风电装机容量增大，对电力系统的影响越来越大风力发电具有间歇性和不确定性为保证系