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文檔簡介
1、風力發(fā)電機介紹目錄1. 風力發(fā)電發(fā)展的推動力 2.風力發(fā)電的相關(guān)參數(shù)2.1.風的參數(shù)2.2.風力機的相關(guān)參數(shù)(以水平軸風力機為例)3.風力機的種類3.1.水平軸風力機3.2.垂直軸風力機4.水平軸風力機詳細介紹4.1.風輪機構(gòu)4.2.傳動裝置4.3.迎風機構(gòu)4.4.發(fā)電機4.5.塔架4.6.避雷系統(tǒng)4.7.控制部分5.風力發(fā)電機的變電并網(wǎng)系統(tǒng)5.1.(恒速)同步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù)5.2.(恒速)異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù)5.3.交直交并網(wǎng)技術(shù)5.4.風力發(fā)電機的變電站的布置6.風力發(fā)電場7.風力機發(fā)展方向1. 風力發(fā)電發(fā)展的推動力: 1) 新技術(shù)、新材料的發(fā)展和運用;2) 大型風力機制造技術(shù)及風力
2、機運行經(jīng)驗的積累;3) 火電發(fā)電成本(煤的價格)上漲及環(huán)保要求的提高(一套脫硫裝置價格相當一臺鍋爐價格)。2. 風力發(fā)電的相關(guān)參數(shù):2.1.風的參數(shù):2.1.1. 風速: 在近300m的高度內(nèi),風速隨高度的增加而增加,公式為:V:欲求的離地高度H處的風速;V0:離地高度為H0處的風速(H0=10m為氣象臺預報風速的高度);n:與地面粗糙度等因素有關(guān)的指數(shù),平坦地區(qū)平均值為0.190.20。2.1.2.風速頻率曲線:在一年或一個月的周期中,出現(xiàn)相同風速的小時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風速頻率。圖1:風速頻率曲線2.1.3. 風向玫瑰圖(風向頻率曲線):在一年或一個月的周期中,出現(xiàn)相同風向的小
3、時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風向頻率。以極座標形式表示的風向頻率圖叫風向玫瑰圖。圖2:風向玫瑰圖2.2. 風力機的相關(guān)參數(shù)(以水平軸風力機為例):2.2.1. 風力機的軸功率Pw:r:空氣密度(Kg/m3); V:風速(m/s);A:風輪葉片掃掠面積(m2);Cp:風能利用系數(shù);是風輪所接收的能量與通過風輪掃掠面積的全部風的動能的比值,根據(jù)Betz的理論,理想風輪最大風能的利用系數(shù)Cpmax=16/27=0.593,是風輪轉(zhuǎn)化為有用功的能 量上限。2.2.2. 葉尖速度比:為葉尖的速度與風速的比值:=wR/Vw:葉輪的轉(zhuǎn)角速度; R:葉輪的半徑; V:風速;圖3:Cp和 的關(guān)系特性曲線-低
4、速風輪 -高速風輪2.2.3. 葉片幾何攻角a和升力系數(shù)CY葉片幾何攻角a:為翼型上合成氣流的方向與翼型幾何弦的夾角;升力系數(shù)CY:為升力與最大升力的比值;圖4: 葉片幾何攻角a圖5: CY和 a 的關(guān)系特性曲線A-有彎度翼型 B-對稱翼型葉片的失速:由上圖可看出,葉片處于某幾何攻角時升力最大,超過這個角度時升力急劇降低,此現(xiàn)象稱為葉片失速。3. 風力機的種類:風力機是將風能轉(zhuǎn)化為其它能的機械;其結(jié)構(gòu)多種多樣,圖6示意了各種類型風力機的示意圖。3.1. 水平軸風力機:風輪軸線安裝位置與水平夾角不大于150的風力機叫做水平軸風力機。3.2. 垂直軸風力機:風輪軸線安裝位置與水平面垂直的風力機叫做
5、垂直軸風力機。4. 水平軸風力機詳細介紹:水平軸風力機是當今普遍應(yīng)用、推廣的機型,是風能利用的主要形式。中小型風力機為運行平穩(wěn)多選用三葉片結(jié)構(gòu),兆瓦級風力機由于造價因素多選用二葉片結(jié)構(gòu)。下文就水平軸風力機的風輪機構(gòu)、傳動裝置、發(fā)電機、塔架、避雷系統(tǒng)作具體的介紹:圖6:各種類型風力機的示意圖圖7:水平軸風力機的機艙結(jié)構(gòu)示意圖4.1. 風輪機構(gòu):4.1.1. 葉片:是風力機主要構(gòu)成部分,當今95%以上的葉片都采用玻璃鋼復合材料,質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片的技術(shù)含量高,屬風力機的關(guān)鍵部件,大型風力機的葉片往往由專業(yè)廠家制造。4.1.2. 輪轂:輪轂的作用是連接葉片和低速軸,要求能承受大的、復雜的載
6、荷,中小型風力機采用剛性連接,兆瓦級風力機采用蹺蹺板連接方式。4.1.3. 變漿距、定漿距的概念:在風力機功率調(diào)節(jié)中,牽涉到變漿距、定漿距的概念。變漿距、定漿距調(diào)節(jié)方式的比較見表1。表1: 各種功率調(diào)節(jié)方式比較4.1.3.1. 變漿距風輪: 變漿距調(diào)節(jié)機構(gòu):能自動改變?nèi)~片的安裝角,以適應(yīng)風力機各工況下的功率、轉(zhuǎn)速的調(diào)整。可為電液伺服或電子機械結(jié)構(gòu)。 快速應(yīng)急順漿機構(gòu):能使葉片的安裝角(圖四)快速趨近為0,可作為緊急停機的方法。可為氣動、液壓或機械(彈簧)結(jié)構(gòu)。4.1.3.2. 定漿距風輪:葉片的安裝角固定,結(jié)構(gòu)簡單,在額定風速以內(nèi),葉片的升力系數(shù)和風能利用系數(shù)較高,當風速超過額定值時,葉片進入
7、失速狀態(tài)(見前面所述(圖五)),致使葉片升力不再增加,葉片結(jié)構(gòu)復雜、成本高。葉尖氣動剎車機構(gòu):在風力機緊急停機時,可通過葉輪上的液壓機構(gòu)將葉尖剎車機構(gòu)轉(zhuǎn)到橫切風的位置。4.2. 傳動裝置:風輪轉(zhuǎn)速約為3050 r/min,發(fā)電機轉(zhuǎn)速約為10001500 r/min,需傳動裝置,要求效率高、質(zhì)量輕、體積小和傳動比范圍大。傳動裝置有氣(液)動和機械制動機構(gòu),在緊急停車或檢修時用。4.3. 迎風機構(gòu):它是使風輪保持最佳的迎風位置的裝置,下風式風力機具有自動對風的能力,上風式風力機應(yīng)有電動迎風機構(gòu),迎風機構(gòu)應(yīng)有電纜纏繞解繞功能。4.4. 發(fā)電機:4.4.1. (恒速)同步發(fā)電機:(恒速)同步發(fā)電機的優(yōu)
8、點是其勵磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機的電壓和無功功率,發(fā)電機效率高。同步電機要通過同步設(shè)備的整步操作達到準同步并網(wǎng)(并網(wǎng)困難),由于風速變化大,以及同步發(fā)電機要求轉(zhuǎn)速恒定(50Hz0.2),風力機必需裝有良好的變漿距調(diào)節(jié)機構(gòu)。4.4.2. (恒速)異步發(fā)電機:異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、造價低,異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時,由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負荷,因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高,不需要同步設(shè)備的整步操作,只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng),且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。缺點是并網(wǎng)時沖擊電流幅值大,不能產(chǎn)生無功功率。雙繞組可變極(4/6極)異步發(fā)電機能在兩種不同的額定轉(zhuǎn)速下運行,可解決低風速時發(fā)電機的效率問題。4.4.
9、3. 變速運行風力發(fā)電機: 變速運行風力發(fā)電機:可采用類同于(恒速)異步/同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu),通過對它們在結(jié)構(gòu)及控制方法的改進來提高變速風力發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率。 變流裝置:新型全功率因數(shù)變流裝置具有變頻并網(wǎng)功能,在微處理器的支持下可控制發(fā)電機的輸出功率因數(shù)(從而具有了無功補償能力),此外,新型全功率因數(shù)變流裝置還具有諧波抑制功能,可向共用電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能。圖8示意了全功率因數(shù)變流器主電路結(jié)構(gòu)框圖,圖9示意了全功率因數(shù)變流器主電路原理示意圖。圖8:全功率因數(shù)變流器主電路結(jié)構(gòu)框圖圖9:全功率因數(shù)變流器主電路原理示意圖美國風力發(fā)電機制造商U.S Kenetech/WindPower 1993年研
10、制的變速運行風力發(fā)電機KVS-33:額定功率:350KW,最大輸出功率:450KW,風速范圍:4.529.1 m/s。在兆瓦級風力發(fā)電機中應(yīng)用變流技術(shù)(交直交)有:國名機型安裝地點額定功率(kW)建成年份美國Mod-5B/Kahuku Pt32001987瑞典Nordic 1000 10001995荷蘭NEWECS-45/Medemblik10001985加拿大EOLE/Cap Chat40001987意大利GAMMA 60/Alt Nurra15001992另外,變流技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。工程名稱國家功率(MW)電壓線路長度(KM)換流閥型式投運年份舟山群島中國5010056
11、晶閘管1987葛州壩-上海中國12005001080晶閘管1989因特芒廷美國1600500784晶閘管1986 優(yōu)點:變速運行風力發(fā)電機可在不同的風速下通過調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速w維持最佳的葉尖速度比(l=wR/V),以保持風能利用系數(shù)Cp最大(參見圖三),從而能捕捉更多的風能。消除了在風速變化時對恒速運行風力發(fā)電機的載荷沖擊,使風力機運行更可靠、平穩(wěn)。4.5. 塔架:作用:支撐風力機回轉(zhuǎn)部分并使風輪在一定高度受風,按塔架的材料分:角鋼或鋼管桁架塔和圓錐鋼管塔。按發(fā)電機和塔架的關(guān)系分:一塔一機,一塔二機。 如圖10:一塔二機示意圖一塔二機優(yōu)點(如圖10所示):1) 由于沒有塔影效應(yīng)(指由塔架造成的氣流
12、渦流區(qū)對風力機產(chǎn)生的影響),塔架可采用鋼筋水泥結(jié)構(gòu),降低造價。2) 兩臺發(fā)電機可共享設(shè)備(如:液壓、控制器、變送電設(shè)備、迎風機構(gòu)、避雷設(shè)備)。3) 可使機組安裝過程簡化。4.6. 避雷系統(tǒng):1994年丹麥超過6%的風力機遭雷擊,LM公司估計每年有1%2%的風葉遭雷擊,所以并網(wǎng)運行的大型風力機的防雷是非常重要的。對葉片、塔架、機艙都應(yīng)采取不同的避雷器件和防雷技術(shù),以增加風力機的避雷能力。4.7. 控制部分:(風力機單機控制及風力場系統(tǒng)控制見第三部分。)5. 風力發(fā)電機的變電并網(wǎng)系統(tǒng):5.1. (恒速)同步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù):由于風速的不確定性,風力機的可調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機要求的精度,同步
13、發(fā)電機的并網(wǎng)困難,常采用下面幾種方法:5.1.1. 常規(guī)自動準同步并網(wǎng)方式:準同步并網(wǎng)方式就是對已勵磁的發(fā)電機的電壓和頻率進行調(diào)節(jié),使其與系統(tǒng)同步,然后并網(wǎng)。由于風速的不確定性,通過此方法并網(wǎng)很困難。5.1.2. 自同步并網(wǎng)方式:發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高接近同步速(80%90%額定轉(zhuǎn)速)時,將未加勵磁的同步發(fā)電機投入電力系統(tǒng),延時13秒后再加勵磁,發(fā)電機會自行拉入同步運行。5.2. (恒速)異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù):異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時,由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負荷,因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高,不需要同步設(shè)備的整步操作,只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng),且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。常采用下面幾種方法:5.2.
14、1. 直接并網(wǎng):發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速時直接并網(wǎng)。缺點:并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象,異步發(fā)電機將受到45倍額定電流的沖擊,系統(tǒng)電壓會瞬時下降。5.2.2. 降壓并網(wǎng)方式:在發(fā)電機與系統(tǒng)之間串接電抗器、電阻以減少合閘瞬間沖擊電流與電網(wǎng)電壓的下降的幅度,并網(wǎng)穩(wěn)定后,再將電抗器、電阻退出。5.2.3. “軟并網(wǎng)”方式:在發(fā)電機與系統(tǒng)之間串雙向可控硅,并網(wǎng)時通過調(diào)節(jié)可控硅的導通角使電機平穩(wěn)并網(wǎng)。可限制電機在聯(lián)網(wǎng)和大、小電機切換(異步電機變極運行)時的瞬變沖擊電流。圖11示意了軟切入裝置的系統(tǒng)框圖。圖11:軟切入裝置的系統(tǒng)框圖5.2.4. 準同期并網(wǎng)方式:發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速時,先用電容激磁,建立額定電壓,
15、然后對已激磁建壓的發(fā)電機的電壓和頻率進行調(diào)整。使其與電網(wǎng)系統(tǒng)一致再并網(wǎng)。缺點:需高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備。5.3. 交直交并網(wǎng)聯(lián)接方式:該方法首先將發(fā)電機發(fā)出的交流電變成直流電,再經(jīng)逆變器變換成與電力系統(tǒng)頻率同步的交流電。(參見前節(jié)變速運行風力發(fā)電機所述)根據(jù)整流器輸出直流電壓的高低,可分兩種并網(wǎng)方式:1) 對整流器輸出直流電壓低的情況,一臺發(fā)電機用一臺逆變器,再升壓并網(wǎng),如圖12所示;2)對整流器輸出直流電壓高的情況,所有發(fā)電機共用一臺逆變器,再升壓并網(wǎng),如圖13所示。 圖12:一臺發(fā)電機用一臺逆變器圖13:所有發(fā)電機共用一臺逆變器 5.4. 風力發(fā)電機的變電站的布置: 風力發(fā)電機單機容量小,出口電壓低(異步發(fā)電機的出口電壓為400690V),為降低電力在傳輸過程中的損耗,需要用升壓器對電壓升壓,然后在傳輸并網(wǎng)。1) 一個風力發(fā)電機與一個升壓器相聯(lián),再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。2) 所有風力發(fā)電機與一個升壓器相聯(lián),再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。3) 根據(jù)具體情況,將風力發(fā)電場劃分為幾個發(fā)電單元,每個發(fā)電單元包括幾臺距離相近的風力發(fā)電
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