1、智能電網一 風力發電技術一、關于風二、風力機歷史與分類三、水平軸風機特性四、技術五、發展和趨勢 太陽的輻射造成地球表面受熱不均，引起大氣層中不均中分 布 空氣沿水平方向運動形成風，風 的形成就是空氣的結果關于風口什么是風能? 風能就是空氣的動能,是指承載的能量，風能的大小決定于 風速和空氣的密度口人類利用風能有多久了?人類利用風能的歷史可以追溯到公元前 公元前數世紀，我國就利用風力提水、灌溉、 磨面、舂米 中國的木帆船， 宋代是我國應用風車的全盛風車，一直沿用至今兩三千年的歷史記載，當時流行的垂直 軸 公元前 2 世紀，人就利用垂直軸風車碾米 10 世紀人用風車提水 11 世紀風車在中東己獲得

2、廣泛的應用 13 世紀風車傳至歐洲，14 世紀已成為歐洲不可缺少的原。在 荷蘭風車先用于萊茵河三角洲湖地和低濕地的汲水，其風車的功率 可達 50 馬力，以后又用于榨油和鋸木 到了十八世紀二十年代，在洲風力機被用來灌溉田地和驅動 發電機發電 從 1920 年起，人門開始研究利用風力機作大規模發電 1931 年，在的 Crimean Balaclava 建造了一座 1 0 0KW 容量的風力發電機，這是最早商業化的風力發電機一、關于風口風有什么特性？隨機性變化陡峭， 速區最大頻率出現在低風變化平緩，最大頻 b率在較高風速區WE(m%)一、關于風關于風風頻玫瑰圖ft 纟戈風向風頻=某風向出現的次數/

3、風向總觀測次數xlOO%某的關于風口風有什么特性?風速隨高度的變化而變化，V | K . . *與風速,表面粗糙程度(可能隨Wlnd SWith H0,9ht風向而變),以及Increase in Wind Power with Height3oP*P0 (H/HJ空 1 急定性(晝夜變化） 有關V2= 7.8 m/sIf 40 f 風切變指數在低風速、粗糙,表面和穩定條件下較大 典型風切變指數值：Vj 7.0 m/s 10 _ .15: 7 傾和海灘.15 - .25: _般起伏的農田 25- .40+1 森林和山區iv ! Wind參Shear Profile口風有什么特性?風力機輸出功率

4、P= 1/2 X 功率系數 X 空氣密度 X 掃風面積 X 風速C pPAV3Bt mmr瞬時風速i 不是平均風速1.225kg/m3一、關于風關于風口風有什么特性? 地理位置 沿海地區 長斜坡的嵴部 關口 開闊地帶 導風山谷 季節、日夜 冬天大于夏天 白天大于夜晚關于風口我國的風力分布怎樣?百萬千瓦級風能1、吉林2、河北北部3、4、內蒙草原5、河西走廊區6、戈壁7、黑龍江8、山東9、沿海10、浙江11、福建12、內陸區域：三北地區離岸區域：各沿海省份潛在開發區域一、關于風二、風力機歷史與分類三、水平軸風機特性四、技術五、發展和趨勢二、風力機歷史與分類口歷史l f18871888 年冬,Bru

5、sh 安裝了一臺被現代人認為是, Brush 第一臺自動運行的且用于發電的風力機。葉輪直徑 17Electric用，1892 年并入 GE。米，144 個由雪松木制成的葉片。運行了約 20 年，來給他家地窖的蓄電池充電，12 千瓦。二、風力機歷史與分類口歷史1918 年，丹麥約有 120 個地方公用事業擁有風 力發電機，通常的單機容量是 2035kW , 總裝 機約 3MW ,占丹麥電力消耗量的 3%。丹麥對 風力發電的在隨后的若干年逐漸減退,直 到二次期間出現供電危機為止。 F.LSmidth 風機;二次大戰期間 f 丹麥工程公 司 F.LSmidth (現在是水泥機械制造商)安裝 了一批兩

6、葉片和三葉片的風機。丹麥概念:三葉片、失速調節的葉片和恒 速運行的感應發電機。之前的風機發的都是直流電。1942 年安裝在 Bobo 島，是風-中的一部 分，給小島供電。1951 年，這些直流發電機被 35kW 的交流異步 發電機取代。二、風力機歷史與分類口分類現代風力機由功率公，風速一定情況下，出小由掃風面 積的大小決定，直接導致風力機設計較大。Udi現代的風力機全部都采用風力機葉片的升力帶動葉輪轉 動雪為了降低齒輪箱齒輪變比，要求葉輪具有較高的轉 速,這將需要較低=葉片面的葉片（fH/葉輪掃 風面積）。低葉輪充當有效能量集中器的作用，使 其在一個比較好的_,能量的回收期能降低至不到1 年,

7、 即用于生產和安裝風力機的能量在其運行的第一年內即 可追回。NEG Micon 1.5MW 葉輪直徑 6064m 1995 年Vestas 1.5MW 葉輪直徑 6368m 1996 年 Bonus 2MW 葉輪直徑72m 1998 年 NEG Micon 2MW 葉輪直徑 72m 1999 年 8 月 GE3.6MW Vestas4.5MW 葉輪直徑 120mRepower 5MW 葉輪直徑 126m二、風力機歷史與分類口歷史按照槳葉受力方式分類按照風機旋轉主軸的方向（即主軸與地面相對位置）分類升軸風機（升力型)阻力氣流方向垂直軸風機水平軸風機口分類垂直軸風機（多為阻力型)二、風力機歷史與分

8、類二、風力機歷史與分類口分類單葉片風機雙葉片風機三葉片風機多葉片風機口分類按照風機接收風的方向分類下風向風機上風向風機上風向風力機必須有某種調向裝置來保持風輪迎風。而下風向風力機 則能夠自動對準風向，從而免除了調向裝置。但對于下風向風力機，由分空氣通過塔架后再吹向風輪，這樣，塔架就干擾了流過葉片的 氣流而形成所謂塔影效應，使性能有所降低。二、風力機歷史與分類按照功率傳遞的機械發電機鈐子直驅型風機有齒輪箱型風機口連二、風力機歷史與分類二、風力機歷史與分類口分類 按照槳葉接收風能的功率方式可分為： 定槳 S 巨（失速型)風機一槳葉與輪轂的連接是固定的 * 變槳距風機一葉片可以繞葉片中心軸旋轉 按照

9、葉輪轉速是否恒定可分為:恒速風力發電機組一設計簡單可靠，造價低,維護量少，直接并網 變速風力發電機組一氣動效率高，機械應力小，功率波動小，成本效 率高，支撐結構輕 根據風力發電機組的發電機類型分類: 異步發電機型(籠式異步發電機、繞線式雙饋異步發電機) 同步食電 111 型(電九)齒同步發由機、永磁同步食 根據風力發電機組的輸出端電壓高低劃分： 高壓風力發電機組一風力發電機輸出端電壓為 1020kV ,甚至40kV 低壓風力發電機組一輸出端電壓為 lkV 以下，主流機型 根據風機的額定功率劃分： 微型、小型、中型、大型口常見機型Solutions with gear box技術特點：1、槳距角

10、固定;2、轉速基本恒定,采用失速技術（包括主動失速技術）；-3、大、小電機切換（部分)；4、采用可控硅并網;定槳距恒速風力機+感應發電機優占1 T2im,人成不仳，缺點并網沖擊電流大；2.動態無功補償問題；3、風能利用率低；4、風速快速變化時的機械傳動鏈應化；，不容易實現風機的大型二、風力機歷史與分類二、風力機歷史與分類口常見機型技術特點:1、槳距角固定;2、采用全功率變流器實現 感應發電機和并網；優點：1、解決了并網沖擊和無功補2、風機的工作轉速范圍寬;償問題；能力不強;定槳距芟速感應發電機丄、轉速和功率2、成本較高；3、不容易實現風機的大型化；口常見機型技術特點:變速運行,風能利用率高;發

11、電機為雙饋式，變流器的功率僅為發電機功率的1/4 到 1/3 ;功率因數可以調節;與變槳系統共同調節風機 的功率和轉速;優點：變流器容量小,發電機技術 成熟；缺點：依然存在齒輪箱；變槳+雙饋式風力發電技術二、風力機歷史與分類二、風力機歷史與分類口常見機型技術特點:采用永磁同步發電機 (多磁極）;變流器的功率與發電機相當；優點：取消了增速齒輪箱;降伯了風機的故障率和維護成本；缺點:成本較高,變槳+直驅式風力發電技術一、關于風二、風力機歷史與分類三、水平軸風機特性四、技術五、發展和趨勢口致動盤概念Streani-tube沿流管方向的質量流量處處相等PAOOU = pAdUd = pA,vUw致動盤

12、導致速度發生變化，在氣 流方向的分量為_alJCOa 為軸流誘導因數（入流因數） 在圓盤上，氣流方向的凈速度為Ud =Uco (l- a) 由動量定理，又得圓盤上游剖面管的橫截面積比圓盤面積小， 而 下游的則比圓盤面積大。流管膨脹是因為要保 證每處的質量流量相等。時間內通過特定截面的 空氣質量是 PAUUw = ( l - 2 a) U 00三、水平軸風機特性三、水平軸風機特性極限口“理想”風輪得出風輪所能產生的最大功率：8 3 Pmax= P AV3式中：Pmax 風輪所能產生的最大功率；P氣密度，kg/m 3 ;A 一風力發電機葉輪旋轉一周所掃過的面積，m2V 風速，m/s0 假定：風速與

13、風輪軸方向一致并在整個風輪掃掠面上是均勻的。上式除以掃掠面 A 內的風動能，可得風力機的理論最大效率口理論hV假定作用于上的力可以通過圓截 面上入射合速度測定的攻角的二維翼 型特性計算得出，忽略順翼展方向的速度分量,忽略三維效應。圓環形Cbi!單元.TTTL 丨 a)UJ Vchvi?ics(bj l ortcs作用在流速上的氣流三、水平軸風機特性葉尖圓周速度A 二 -來流風速2RnV0.50.40.3020.10三、水平軸風機特性口葉尖速度比 三、水平軸風機特性口風能利用系數-葉尖速度比特性曲線最大風能利用系數發生在軸向誘導因數a (它隨極限值的 1/3 處。半徑 的變化而變化）最接近葉尖速

14、比較 低時，軸流誘導因數比 1/3 小的多，翼型攻角將大到導致 失速狀態的發生。對于大多數風力機來說，失速更有可 能發生在其葉根處，由于實際條件的約束，葉片的安裝 槳距角在該區域不夠大。當葉尖速比較低時，葉片失速是導致功率大量損耗的原因。 葉尖速比較高時，攻角很大，阻力開始占主導地位。葉尖速比在 較高或較低時，阻力都很大，并且 a 也不是最適宜的，所以風能 利用系數很低。很明顯，如果風力機能在所有風速范圍內獲得最 大風能利用系數的最佳葉尖速比來運行最好。一、關于風二、風力機三、水平軸風機特性技術 u四、五、發展和趨勢四、技術變槳調節口過程風速測量PitchWind載荷Geartrain Gen

15、eratn力矩轉速測量風電機組主控系偏航統 丨力矩變槳電網接入系統1系統系統電網接四、技術口功率主動變槳距可以在大于額定風速時限制功率,這種的實現是通過將每個葉片的部分或全部相對于葉片軸方向進行旋轉以減小攻角，同時也減小了升力系數。變槳距系統的動作必須快速,例如槳距角的變化率為5/s 或更快，以便將作用于風輪上的瞬間過大的能量限制到一個可接受的范圍。口功率 技術2S30152GWind speed nvs|七、技術四、技術口功率所需的葉片槳距角的范圍典型地是從 0開功率,始 ,這時葉尖弦線在旋轉平面內或很接近旋轉平面，到大約 35。但是為了有效地氣動剎車，葉片必須變槳距角到90或完全順槳，這時

16、葉尖弦線平行于風輪旋轉軸向使邊緣指向風速的方向。口變速風力機葉片在特定的葉尖速比下能提供峰值功率。通七、技術過改變轉速使之隨著風速的變化可以獲得最佳葉尖速比，能量的獲取就會明顯增加。通過在發電機和電網之間加入變流器,發電機轉速就可以于電網頻率解耦，并發電機氣隙轉矩。風輪速度有變化，也能四、技術口變速窄帶變速：發電機的定子和轉子都連接到電網， 定子直接與電網相連，$專子則通過滑環和變流器連接到電網。窄帶變速使用價格相對便宜的變流器，因為只有 很少一部分的電能通過它，但是速度也只能是在很小的范 圍內變化，一般兩邊都是同步速度的30%50。實際 上，這已經足夠實現變速運行的所有優點，也得到了普遍 的

17、應用。四、技術NES5411 雙饋變流器LCL 變速 網側_DC濾波器變流器電網 輪_發電機：5=TC轉軸開關CT、變壓器四、技術口變速寬帶調速：發電機的定子通過變流器連接到電網 o寬帶調速帶載從零變到額定速度,但是所有功率輸 出必須通過變流器。四、技術口變速NES5412 直驅變流器n 制動器 風輪：|=|=轉軸四、技術口變速變槳距變速變槳距風電機組根據風況的不同將運行分為三個階段:第一階段是起動階段，發電機轉速從靜止上升到切入速度; 第二階段是發電機并入電網運行后，運行在額定風速以下區域 ,風力發電機組開始獲取風能并轉化成電能,第三階段是在 更高的風速下，風力發電機組的機械和電氣限制要求轉

18、子速度 和功率輸出在限定值以下;策略：低于額定風速時，S 艮蹤 Cpmax 曲線，以基本獲得 最大能量；高于額定風速時， S 艮蹤 Pmax 曲線， 并保持輸出穩定四、技術口變速變槳距18 m/s |Increasing pitch|16 m/s14 m/s7s0 JDOptimum Cp (fine pitch)Generator speed紅色實線最優化功率系數運行曲線 黃色虛線轉矩-轉速斜線際運行曲線黃色實線 實QnbJO JOJeJauao四、技術載荷風電機組載荷特點輪轂和低速軸載荷機艙載荷 齒輪箱載荷 塔架載荷風 空氣動力學 葉片動力學 傳動系統動力學 電力系統 塔架動力學 基礎 葉

19、片載荷四、技術載荷與風力發電機組在大風時功率調節和低風速時最優控制一樣,很顯然系統的動作會對機組載荷產生主要的影響。設計因器時應該考慮到對載荷的影響,至少要保 證器的動作而導致過載。在額定風速以上時調整空氣動力轉矩 減小齒輪箱轉矩的尖峰避免過量的變槳距動作通過風力發電機組塔架的振動盡量減少塔架的基本載荷避免加劇輪轂和葉片載荷四、技術載荷載荷nodding signal proc. 一 一 nodnIhisloiy window四、技術并網對風電系統的并網運行，其難點在于如何減少并網沖擊，以及如何與最大風能捕獲和電能質量相結合。變速恒頻風電機組可以實現對風速變化的快速響應，實現無沖擊的并網，輸出

20、電能可實現有功無功的解耦調節 ,機電系統之間的剛性連接變為柔性連接。雙饋型風力發電機的并網電機至接近同步轉速時，由變流器:風力機起動后帶動發進行電壓匹配、同步和相位，以便迅速地并入電網,并網時基本上無電 流四、技術沖擊。隨著風速變化，進行最大 Cpmax 追蹤調節；調節勵磁電流的頻率、幅值、相位，保證變速運行 時仍發出恒定頻率的電力，實現有功和無功功率的輸出調永磁直驅風力發電系統中,通過變流器實現全功率軟并網，并網過程平穩。但由于變頻器容量大，產生的諧波 也大。隨著風電機組容量的不斷増大，多電平大功率變流器將會在直驅式風電系統得到應用，多電平變流器具有抑制四、技術諧波、提高功率因數、減小電壓應力、減小電磁擾動和波 形畸變等優點。四、技術低電壓穿越技術 LVRT低電壓穿越( LVRT ),指在風力發電機并網點電壓 跌落的時候，風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的 無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而穿 越這個低電壓時間( 區域)。低電壓穿越技術 LVRT電網運行準則，定量地給出了風電系統離網的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續時間），只有當電網電壓 S 失落低于規定曲線以后才風力發電機脫網，當電壓在 凹陷四、技術部分時,發電機應提供無功功率。