20五月2025第四章

風能及其利用3三、風力發電的運行方式風力發電的運行方式可分為獨立運行、并網運行、風電場、風力﹣柴油發電系統聯合運行、風力發電﹣太陽電池發電聯合運行、風力﹣生物質能﹣柴油聯合發電系統等。1、獨立運行亦稱為獨立運行風力發電機，是應用在無電網地區的風力發電機，一般功率較小。通常是由一臺小型風力發電機向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電。3～5kW以下的風力發電機多采用這種運行方式，可供邊遠農村、牧區、海島、氣象臺站、導航燈塔、電視差轉臺及邊防哨所等電網達不到的地區利用。2、并網運行是指風電機組與電網相聯，向電網輸送有功功率，同時吸收或者發出無功功率的風力發電系統。并網運行是為了克服風的隨機性帶來的蓄能問題而采取的最穩妥易行的運行方式，也是風力發電的主要發展方向。10kW以上直至兆瓦級的風力發電機均可以采用這種運行方式。3、風電場該運行方式是在風能資源豐富的地區按一定的排列規則成群安裝風力發電機組，組成集群，少的3～5臺，多的可達幾十臺、幾百臺，甚至數千上萬臺。風電場內風力發電機組的單機容量為幾十千瓦至幾百千瓦，也有達到兆瓦以上的。風電場一般選在較大盆地的風力進出口或較大海洋湖泊的風力進出口等，具體體現在高山環繞盆地（或海洋或湖泊）的峽谷低處，或有貫穿環山巖溶巖洞處，這樣就可獲得較大的風力。一般需要達到兩個要求：一是場址的風能資源比較豐富，年平均風速在6m/s以上，年平均有效風功率密度大于200W/m2，年有效風速累積時間（3～25m/s）不小于5000h；二是場地面積需達到一定的規模，以便有足夠的場地布置風力發電機。風電場大規模利用風能，其發出的電能全部經變電設備送往大電網。4、風力﹣柴油發電系統聯合運行該系統由風力發電機組、柴油發電機組、蓄能裝置、控制系統、用戶負荷及耗能負荷等組成。各發電、供電系統既能單獨工作，又能聯合工作，互相不沖突。采用風力﹣柴油發電系統可以實現穩定持續的供電。這種系統有兩種不同的運行方式：①風力發電機與柴油發電機交替運行；②風力發電機與柴油發電機并聯運行。5、風力發電﹣太陽能電池發電聯合運行該系統是一種互補的新能源發電系統，風力發電機可以和太陽能電池組成聯合供電系統。風能、太陽能都具有能量密度低、穩定性差的弱點，并受地理分布、季節變化及晝夜變化等因素的影響。我國屬于季風氣候區，冬季、春季風力強，但太陽輻射弱，夏季、秋季風力弱，但太陽輻射強，兩者能量變化趨勢相反，因而可以組成能量互補系統，并給出比較穩定的電能輸出。這種運行方式利用了自然能源的互補特性，增加了供電的可靠性。6、風力﹣生物質能﹣柴油聯合發電系統該系統是在風力﹣柴油發電系統基礎上增加了更多功能的聯合系統，在有生物質能的地方，將柴油發電系統直接接入沼氣、天然氣或生物柴油等可燃氣體或液體，就可以使柴油發電機工作并發電。四、風力發電設備風力發電機組由兩部分組成：一部分是為發電提供原動力的風力機，也稱為風輪機；另一部分是將其轉換為電能的發電機。1、風力機的分類風力機主要利用氣動升力帶動風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產生的一種力，機翼翼型特點使運動的氣流在機翼上表面形成低壓區，在機翼下表面形成高壓區，從而產生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產生升力的同時也產生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉動。國內外風力機的結構形式繁多，從不同的角度可有多種分類方法。（1）按葉片工作原理分：升力型風力機（啟動轉矩小，轉速高）和阻力型風力機（啟動轉矩大，轉速低）。（2）按風力機的用途分：風力發電機、風力提水機、風力鍘草機、風力脫谷機等。（3）按風輪葉片的葉尖線速度與吹來風速之比大小分：高速風力機（比值大于3）和低速風力機（比值小于3）。也有把比值為2～5的稱為中速風力機。（4）按風機容量大小分：小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）、大型（1000kW以上）。我國則分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4種。也有的將1000kW以上的風機稱為巨型風力機。（5）按風輪葉片數量分：單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式風力機。（6）按風輪軸與地面的相對位置分：水平軸風力機、垂直軸（立軸）風力機。水平軸風力機風輪的旋轉軸與風向平行；垂直軸風力機風輪的旋轉軸垂直于地面或氣流方向。因為葉片工作原理不同，水平軸和垂直軸風力機又可細分為升力型水平軸風力機、阻力型水平軸風力機、升力型垂直軸風力機和阻力型垂直軸風力機。2、垂直軸風力機（1）槳葉式風力機（2）薩布紐斯式風力機（3）達里厄型風力機（4）旋轉渦輪式風力機（5）費來納式風力機（6）費特.肖奈達式風力機3、水平軸風力機（1）螺旋槳式風力機（2）荷蘭式風力機（3）多翼式風力機（4）帆翼式風力機（5）渦輪式風力機（6）多風輪式風力機請自行閱讀教材P69~P71頁，想一想思考題1：將達里厄型風力機和薩布紐斯式風力機組合在一起使用有什么優點？思考題2：風力機與發電機有哪兩種連接方式？多葉片風力機單葉片風力機垂直軸風力機旋轉渦輪風力機五、發電機的選擇和分類1、異步交流發電機（1）按結構不同分類：籠型、繞線轉子。①在定槳距并網型風力發電系統中，一般采用籠型異步發電機。籠型異步發電機定子由鐵心和定子繞組組成。轉子采用籠型結構，轉子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形，槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條。在鐵心兩端用鋁或銅端環將導條短接。轉子不需要外加勵磁，沒有集電環和電刷。籠型異步發電機剖面②繞線轉子異步發電機的定子與籠型異步發電機相同，轉子繞組電流通過集電環和電刷流入流出。異步發電機定子繞組為三相繞組，可采用星形或三角形聯結，當定子的三相繞組接到三相電壓時，可以產生固定速度的旋轉磁場。發電機轉子的轉速略高于旋轉磁場的同步轉速，并且恒速運行時，發電機運行在發電狀態。因風力機的轉速較低，在風力機和發電機之間需經增速齒輪箱傳動來提高轉速以達到適合異步發電機運轉的轉速。一般與電網并聯運行的異步發電機為4極或6極發電機，當電網頻率為50Hz時，發電機轉子的轉速必須高于1500r/min或1000r/min，才能運行在發電狀態，向電網輸送電能。三相繞線轉子異步發電機繞組接線（2）并網方式：直接并網、降壓并網、通過晶閘管軟并網①

直接并網風力異步發電機直接并網的條件有兩條：一是，發電機轉子的轉向與旋轉磁場的方向一致，即發電機的相序與電網的相序相同；二是，發電機的轉速盡可能地接近于同步轉速。②降壓并網降壓并網是在發電機與電網之間串接電阻或電抗器，或者接入自耦變壓器，以降低并網時的沖擊電流和電網電壓下降的幅度。發電機穩定運行時，將接入的電阻等元件迅速地從電路中切除，以免消耗功率。這種并網方式的經濟性較差，適用于百千瓦級以上，容量較大的機組。風力異步發電機直接并網③晶閘管軟并網異步風力發電機通過反并聯（或雙向）晶閘管軟切入裝置與電網相連，異步風力發電機在接近同步速時，晶閘管的控制角在180°～0°之間逐漸同步打開，晶閘管的導通角也在0°～180°之間逐漸同步打開，當異步風力發電機滑差為零時，晶閘管全部導通，這時短接已全部導通的晶閘管，異步風力發電機輸出電流直接流向電網，風電機組進入穩態運行階段。通過控制控制可控硅的導通角，可連續調節加在負載上的電壓波形，進而改變負載電壓的有效值，以限制異步發電機并網以及大小電機切換時的瞬間沖擊電流，得到一個比較平滑的并網過程。可控硅軟并網方法是異步風力發電機組普遍采用的并網方法。風力異步發電機經晶閘管軟并網2、同步交流發電機（1）同步發電機是目前使用最多的一種發電機。同步發電機的定子與異步發電機相同，由定子鐵心和三相定子繞組組成；轉子由轉子鐵心、轉子繞組（即勵磁繞組）、集電環和轉子軸等組成，轉子上的勵磁繞組經集電環、電刷與直流電源相連，通以直流勵磁電流來建立磁場。為了便于起動，磁極上一般還裝有籠型起動繞組。同步發電機的轉子有凸極式和隱極式兩種。凸極式同步發電機結構簡單、制造方便，一般用于低速發電場合；隱極式的同步發電機結構均勻對稱，轉子機械強度高，可用于高速發電。大型風力發電機組一般采用隱極式同步發電機。同步發電機結構同步發電機轉子結構a)隱極式b)凸極式（2）并網條件風力同步發電機并聯到電網時，為了防止過大的電流沖擊和轉矩沖擊，風力發電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網端對應相電壓的瞬時值完全一致，具體有五個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。在并網時，因風力發電機旋轉方向不變，只要使發電機的各相繞組輸出端與電網各相互相對應，條件④就可以滿足；而條件①可由發電機設計、制造和安裝保證；因此并網時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中條件③頻率相同是必須滿足的。風力同步發電機與電網并聯運行的電路六、風力發電機的結構風力發電機結構圖第五節

風力發電的現狀與展望一、我國風力發電的發展現狀1、風電成為我國新增電力裝機的重要組成部分。2