《风力发电机结构组成及其应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力发电机结构组成及其应用.ppt（189页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、风力发电机组结构组成应用,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 风电场的并网技术 风电场的低电压穿越能力LVRT 储能装置的应用,提 纲,国内外风力发电的发展概述,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,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
2、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,2006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,到2011年： 风电装机3500万千瓦 其中陆地3000万千瓦，海上500万千瓦 新能源在能源结构中比例达2%（含水电10%） 新能源发电占总装机比例5%（含水电25%） 新能源产业增加直接投资9700亿 带动社会间接投资2万亿 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
3、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,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,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
4、，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,风力发电的基本原理,我上到风机上了,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。,按风轮转速分类： 定速型： 风轮保持一定转速运行，
5、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。,按并网方式分类： 并网型： 并入电网，可省却
6、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。,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Tip Speed Rate :桨距角,风力发电机组输出功率(定速vs变速),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,定速笼型异步风力发电机组,三相笼型异步风力发电机,笼型异步风力发电机的内部结构,发电机状态,电动机状态,用转差率s可以表示异步电机的运行状态!,笼型异步风力发电机的工作状态,（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）
7、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，max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,变速笼型异步风力发电机组,（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
8、力发电机组的特点,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,国产1MW双馈型异步风力发电机,绕线型转子三相异步发电机的一种； 定子绕组直接接入交流电网； 转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向功率变换器； 转子绕组通入变频交流励磁； 转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态； 定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；,双馈异步发电机,国产600kW交直交双向功率变换器 （IGBT+DSP）,两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线； 在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态； 发电机侧
9、三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法； 电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法； 可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。,交直交双向功率变换器,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,双馈型异步发电机组的效率
10、,（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,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,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
11、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,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：,直驱型同步发电机组,直驱型同步发电机组,定子铁心 定子绕组 发电机转子,电励磁直驱同步发电机组,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
12、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,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。,混合励磁直驱同步发电机组,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
13、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。,（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：,市场上2MW以上大型风力发电机
14、组,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 为保证系统稳定运行，必须增加旋转备用容量，间接地增加了风力发电的整体运营成本 通过对大型风电场的输出功率进行准确的短期和中期预测，可以大幅降低系统的旋转备用容量，有效降低风力发电的整体运营成本，为电网的运行调度提供依据，成为风电接入电网的关键技术之一,风力发电功率预测的方法,物理方法：先预测风机轮毂高度处的气象信息如风速和风向，再利用风机的功率曲线得到风机的实际输出功率；需要利用数值天气预报NWP的信息； 统计方法：实质是在系统的输入（NWP/历史统计数据/实测数据）和风机功率之间建立一种线性
15、映射关系。常用的有时间序列法ARMA、卡尔曼滤波、灰色预测法等； 学习方法：利用人工智能的方法建立输入和输出之间的非线性模型，如人工神经元网络ANN、小波分析法、支持向量机法等。 发展趋势：NWP的利用和多种预测方法的综合 由ARMA的平稳性和可逆性分析确定ANN的网络结构 由ANN网络实现次日风电功率的滚动预测,国内外风电功率预测现状,德国： WPMS：ISET（德国太阳能研究所）开发，2001， 应用于四家电网公司 Previento：德国奥尔登堡大学开发，2002 丹麦： Prediktor：Riso开发，1994年开始运行 WPPT：丹麦技术大学开发，1994 Zephy：丹麦技术大学
16、开发，2003,国内外风电功率预测现状,西班牙： LocalPred-RegioPred：西班牙可再生能源中心，2001 SIPREoLICO：西班牙卡洛斯III大学开发，2002 美国： eWind：AWS Truewind开发，1998 中科院： 采用NWP和ANN，预测精度15%，应用于吉林电网,风电功率预测原理,风电功率预测原理,训练数据：数值天气预报和风电场的功率 输出：次日风电场的功率（15min为一个时段）,风电功率预测原理,风电功率预测原理,一周的功率预测结果：预测精度15%,风电功率预测的效益分析,以吉林电网为例，最大电力5872MW，峰谷差2060MW； 没有风电，旋转备用300MW，平均发电负荷率77.8% 接入风电，没有风电功率预测，平均发电负荷率降为73.9%；有风电功率预测，精度按20%计算，只需新增旋转备用65MW，平均发电负荷率76.9%； 按发电负荷率每增加1%，煤耗降低1g/kWh计算，每年节约标准煤12.6万吨，经济效益1.27亿元，效益显著； 风电功率预测还能显著提高电网的安全稳定性，提高大型风电场接
