风力发电及其控制解析

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1、风力发电及其控制 一. 概述 二. 目前世界市场上风力发电概况 三. 当前风电机技术发展现状及趋势 四. 风力发电控制技术 一.概述 1.广泛应用的常规能源（如石油、天然气、煤及核 能等）是有限的并会产生污染。而洁净的可再生 能源（如太阳能、潮汐能及风能等）最近一些年 来得到了长足的发展，其中风能作为一种洁净无 污染的可再生能源，是目前最具有大规模开发利 用前景的能源，也是一种最具有竞争力的非常规 能源。风力发电是风能的主要形式，风力发电对 电力结构的调整以及环境保护将起到重要作用。 一.概述 2.近年来世界风力发电发展十分迅速，每年其容量 以30%的速度递增。1998年世界风力发电装机容量

2、为9839MW，比1997年增加了29.6%。1999年4月世 界风力发电装机容量已突破了10000MW。 3.由于陆上风电机受运输、安装等条件限制，单机 容量2MW是风电机发展的极限，这主要是因为风电 机容量达到2MW后，桨叶长度将达60-70m，陆上运 输极为困难，安装用的吊车容量将超过1200- 1400t。这种容量的吊车，除了在欧美等发达地区 外，其余地区基本没有。 一.概述 4.目前，我国仅掌握定桨距失速调节型风电机技术 ，这类风电机的容量可以扩大到750kW，另外三种 技术均没有涉及。我国风电机技术开发仍处于较 低水平。 5.目前世界市场上风电机主要的调节技术有：定桨 距调节风电机

3、技术，变桨距调节风电机技术，主 动定桨距调节技术，变速恒频四种。 一.概述 6.变速恒频控制方案 在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要 求风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。恒 速恒频指在风力发电过程中，保持发电机转速不变，从而 得到恒频的电能；变速恒频指在风力发电过程中发电机的 转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能 。 风力机的功率与风速的三次方成正比，即 P=1/2CpA3 式中：-空气密度；-风速；A-风力机的扫掠面积 ；Cp-风力机的输出功率系数（一般Cp=1/32/5，最大可 达16/27=0.593） 一.概述 6.变速恒频控制方案 当风速在一定范

4、围 变化时，若允许风力机 做变速运行，则能达到 更好利用风能的目的。 这是由于风力机的输出 功率系数Cp在某一确定 的尖速比（叶轮尖的线 速与风速的比值）TSR （tip speed ratio ）下达到最大值，如图 1所示。 一.概述 6.变速恒频控制方案 恒速恒频的风力机转速保 持不变，而风速又经常变化， 显然Cp不可能保持在最大值。 变速恒频风力发电系统的 特点是风力机和发电机的转速 可在很大范围内变化而不影响 输出电能的频率。由于风力机 的转速可变，可以通过适当的 控制，使风力的尖速比处于或 接近于最佳值，从而最大限度 的利用风能。 二.目前世界市场上风力发电概况 1.四种风电机技术

5、1).定桨距调节风电机技术（Stall regulation） 这种技术就是所谓的典型丹麦风电技术的核心，其基 本原理是利用桨叶翼型本身的失速特性。其优点是：调节 简单可靠，控制也可大大简化；其缺点为：桨叶、轮毂、 塔架等主要受力部件的受力增大。 现在国际上600kW以下的机组，大部分仍在使用该项 技术，如MFG-MICON、BONUS、NORDEX等著名厂商都采用该 项技术。 二.目前世界市场上风力发电概况 2). 变桨距调节风电机技术（Pitch regulation） 主要代表为Vestas。 变桨距调节的主要优点为：桨叶受力较小， 桨叶可以做得比较轻巧，风电机的结构部件都可 以做得比较

6、轻巧；其缺点为：结构复杂。 二.目前世界市场上风力发电概况 3). 主动定桨距调节技术（Active stall regulation） 这种调节方法是前述二种方法的组合。目前 ，国际上几大风电机制造商，如MFGMICON、BONUS 等，在大于600kW风电机上均采用此种技术。这种 调节方法的主要好处是：具有定桨距调节方法的 特性，输出功率变化较小、轮平稳。 二.目前世界市场上风力发电概况 4). 变速恒频（Viarable speed） 这种调节方式从理论上说是最优化的调节方 式。目前使用这种技术的制造商主要是德国的 Enercon、荷兰的Largeway。 这种调节方法可以在输出功率低于

7、额定功率 之前使效率达到最高。但当输出功率大于额定功 率，即风速大于额定风速后，其调节方式与变桨 距方式相同。恒频装置价格昂贵，是这种技术只 在德国大量使用，而其它国家很少采用的原因。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造商 制造商（国家）/2000年底累计销售(MW)/2001年当年销售(MW)/2001年当年 市场份额(%)/2001年底累计销售(MW)/累计市场份额(%) Vestas（丹麦）3,3351,648,24.1%,4,983,20.0% Enercon（德国）2,1701,036,15.2%,3,206,12.9% NEG Micon（丹麦）3,636

8、,847,12.8%,4,510,18.1% Enron（美国）1,423,865,12.7%,2,288,9.2% Gamesa（西班牙）1,476,648,9.5%,2,125,8.5% Bonus（丹麦）1,713,593,8.7%,2,306,9.3% Nordex（德国）1,013,461,6.7%,1,473,5.9% MADE（西班牙）592,191,2.8%,783,3.1% 三菱（日本）3791,782.6%,5582.2% REpower（德国）2461,33,1.9%,379,1.5% 其他3,034,448,6.6%,3,48214.0% 合计19,017,7,075

9、, 26,092 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造 排在第十一名至十三名的是Suzlon（印度 ）、Lagerway（荷兰）和Dewind（德国）。 Vestas Wind System A/S（丹麦）：Vestas集 团是一个跨国公司，在13个国家有子公司及合 资公司。主要业务是风电开发、制造、销售、 市场开拓和维修。产品的单机容量范围从 660kW到2MW，即将推出3 MW 产品。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造商 Enercon GmbH（德国）：Enercon公司是德国最大的风电 机组制造商。自行开发了没有齿轮箱的变桨距变转速风

10、电 机组，采用多极低速电机。产品的单机容量范围从600kW 到1.8MW，由本公司制造的部件比例是所有风电机组制造 商中最高的。Enercon公司是其创始人拥有的私营企业。 NEG Micon A/S（丹麦）：NEG Micon公司是世界领先的风 电机组制造商之一，约占全球风电机组累计市场份额的 20%，有1万多台销售到38个国家。NEG Micon公司在20多 个国家建立了生产、销售和服务网点，提供的产品的单机 容量范围从600kW到2MW。 NEG Micon A/S公司是 哥本哈根股票市场的上市公司。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造商 Enron Wind

11、Corp（美国）：Enron Wind公司是跨国的风 电机组制造商之一，在美国、德国、西班牙和荷兰有生产 设施，2002年被美国通用电气公司(GE)收购。生产变桨距 变转速风电机组，产品单机容量范围从550kW到3.6MW。 Gamesa Eolica（西班牙）：Gamesa Eolica公司是最大的 开发商之一Gamesa Energia S.A.的姊妹公司。产品是变 桨距风电机组，单机容量范围从660kW到2MW，在西班牙占 有最大的市场份额。Gamesa集团于2000年被列为马德里股 票市场的上市公司。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造商 Bonus Ener

12、gy（丹麦）：从1979年起Bonus公司一直是丹 麦的主要风电机组制造商，也是世界著名的供应商之一， 持续不断地开发风电机组技术。产品是定桨距和主动失速 型风电机组，单机容量范围从600kW到2MW。 Nordex AG（德国）：Nordex 是Borsig Energy公司的成 员，而Borsig Energy公司又属于德国的大型产业集团 Babcock-Borsig AG。Nordex公司原来是丹麦公司，从 1985年起生产风电机组，产品的单机容量范围从600kW到 2.5MW。Nordex AG公司于2001年被列为德国股票市场的上 市公司。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著

13、名风力发电机组制造商 MADE Energias Renovables（西班牙）：MADE公司产品的 单机容量范围从330kW到660kW。该公司100%由西班牙国营 电力公司集团Grupo Endesa拥有。 三菱重工 MHI（日本）：MHI从20世纪80年代后期进入风 电产业，产品的单机容量范围从250kW到1MW，主要出口到 美国市场，并开始在墨西哥建立叶片生产设施。 REpower Systems AG（德国）：REpower于2001年1月成 立，由三个多年从事风电的公司合并组成在希腊、法国和 西班牙有子公司。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造商 Ecot

14、ecnia（西班牙）：Ecotecnia公司原来从事太阳能业 务，后来成为西班牙的主要风电机组制造商之一，2001年 销售产品51MW。 Suzlon Energy （印度）：Suzlon 公司是印度最大的风 电机组制造商，产品的单机容量范围从350kW到1MW，2001 年销售产品120MW。 该公司是Suzlon Energy集团的成员 。 Dewind AG（德国）：Dewind公司建立于1995年，由一些 在风电产业具有多年经验的人士组成。产品的单机容量范 围从600kW到2MW，到2001年底已经有360台产品投入运行 ，2002年初安装第一台2MW机组。 二.目前世界市场上风力发电

15、概况 2.世界著名风力发电机组制造商 Desarrollos（西班牙）：2001年销售了风电机组8MW。 Fuhrlander GmbH（德国）：Fuhrlander公司原来是从事 金属加工的企业，20世纪80年代开始制造风电机组，产品 的单机容量范围从00kW到1.5MW，正在与Jakobs Energie 和BWU公司联合制造MD70及MD77型机组。 Jeumont Industrie（法国）：Jeumont公司是法国的风电 机组制造商，Framatome SA的子公司。 Lagerway the Windmaster（荷兰）：主要产品是 LW50/750型无齿轮箱变桨距变转速750kW

16、风电机组。 二.目前世界市场上风力发电概况 2.世界著名风力发电机组制造商 Nordic Windpower AB（瑞典）：主要产品是两叶片上风 向的1MW风电机组。 Turbowinds n.v.（比利时）：1995年以前主要从事小型 风电机组的商业化，后来购买了Windmaster公司的技术， 产品的单机容量范围从300kW到1.3MW。 Wincon West Wind（丹麦）：由丹麦Vestfrost A/S公司 拥有，产品销售到印度、德国和丹麦。 三. 当前风电机技术发展现状及趋势 1.现状 1).我国在80年代中期曾开发过变距调节的20kW、 30kW、40kW和50kW风电机。由于当时