电力系统自动化 2风力发电技术

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1、 风力发电技术11-1 风与风力资源一、风的产生与特性 产生：风是地球外表大气层由于太阳的热辐 射而引起的空气流动；大气压差是风产生的 根本原因。 特性：周期性、多样性、复杂性2二、风的能量与测量1、产生能量的基本要素： 风具有一定的质量和速度。 2、风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与 风级、风向与风频以及风的测量等。 1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。 2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。 3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离 ，国际上的单位是米秒(m/s)或千米小时(kmh)。分13 级 4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向 ，即

2、风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向 出现的次数占各风向出现总次数的百分比， 5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器 和三杯轻便风向风速表等。3三、风力资源 据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约有2被 转变成风能，全球大气中总的风能量约为10 14MW ，其中蕴藏的可被开发利用的风能约有3.510 9MW，这比世界上可利用的水能大10倍。（一）世界风力资源分布 根据世界能源理事会的有关资料，地球表面有27 的地区年平均风速高于5ms(距地而10m高)。如将 这些地方用作风力发电场，则每km2的风力发电能 力最大值可达8Mw，总装机容量可达24x1013w。 据分析，实际上

3、陆地面积中风力大于5ms 的地区 ，其中仅4有可能安装风力发电机组。4世界风能资源评估5(二)中国风力资源中国风能资源十分丰富，全国风能储量约4.8 310 9MW ， 可开发利用的风能资源总量达2.53亿kw。 在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部 地区和东部至南部沿海地带及岛屿。 1、风能最佳区：(1)东南沿海、山东半岛、辽东半岛以及海 上岛屿。(2)内蒙古、甘肃北部。(3)黑龙江南部、吉林东部。2、风能较佳区：(1)西藏高原中北部。（2）三北北部。(3)东 南沿海(离海岸线2050kM) 3、风能可利用区：(1)两广沿海。(2)大小兴安岭山区。3) 东从辽河平原向西，过华北太平原

4、经西北到最西端，左侧绕 西藏高原边缘部分，右侧从华北向南面淮讨、长江到南岭。6（三）风能的利用 按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式的能量，如 机械能、电能、热能等，以实现提水灌溉、发电、供热、风帆 助航等功能。21世纪风能利用的主要领域是风力发电。71-2 风力发电设备一、组成：风力发电机组包括两大部分； 一部分是风力机，由它将风能转换为机械能； 另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。 二、分类：1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可分为水平 轴式或垂直轴式。 2）从塔架位置上，分为上风式和下风式； 3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶 片和多叶片式。

5、4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等； 5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。 6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、小型(110kW)、 中型(10100kW)和大型(100kw以上)机。81、水平轴力风机特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态， 称水平轴风力机。 组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向 装置、发电机和塔架等部件组成，大中型 风力机还有自动控制系统。图 应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆 瓦，是日前最具有灾际开发价值的风力机 ： 类型：有传统风车、低速风力机及高速风 力机等3大类型。9风力机的主要技术指标参数 风轮直径，通常风力机的功率越大，直

6、径越大； 叶片数目，高速发电用风力机为24片，低速风力 机大干4片； 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料； 风能利用系数，一般为0.150.5之间； 启动风速，一般为35m/s; 停机风速，通常为1535ms; 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦几兆瓦； 发电机，分为直流发电机和交流发电机； 另外还有塔架高度等等。10水平轴力风机图112、垂直轴风力机特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力 机叫垂直抽风力机。 形式有：如s型、H型、型等。 应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品 化，但是它有许多特点，如不需大型塔架 、发电机可安装在地面上、维修方便及叶 片制造简便等，研究日趋增多，各种

7、形式 不断出现。各种形式的垂直轴风力机。12型风力机图13三、风力发电系统及装置(一)风力发电机组的系统 组成 风力发电系统是将风能 转换为电能的机械、电气 及共控制设备的组合。 通常包括风轮、发电机、 变速器(小、微容量及特 殊类型的也有不包括变速 器的)及有关控制器和储 能装置。14（二）调向机构作用：用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气 流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转 平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风 力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力 机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机 构(国外通称偏航系统)。 类型：小型水平轴风力机常用的调向机构有 尾舵和尾车

8、；风电场中并网运行的中大型 风力机则采用由伺服电动机。15（三）发电机 u微型及容量在10kW以下的小型风力发电机 组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整 流后向负载供电及向蓄电池充电； u容量在l00kw以上的并网运行的风力发电机 组，则应用同步发电机或异步发电机： （四）升速齿轮箱 作用：是将风力机轴上的低速旋转输入转变 为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要 的转速相匹配。16(五)塔架 水平抽风力发电机组需要通过塔架将其置 于空中，以捕捉更多的风能。 类型：即由钢板制成的锥形筒状塔架和由 角钢制成的桁架式塔架。 (六)控制系统 组成： 100kw以上的中型风力发电机组及 1Mw以上的大

9、型风力发电机组皆配有由微 机或可编程控制器(PLC)组成的控制系统来 实现控制、自检和显示功能。17控制系统主要功能：按预先设定的风速值(一般为34ms)自动启动风 力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并 人电网。 借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参 数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、 发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功 率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、 液压系统的油压等。 当风速大干最大运行速度(一般设定为25ms)时实 现自动停机。 故障保护。 通过调制解调器与电话线连接。18水平轴中大风力发电机组基本结构19四、大型并网型风力发电机组类型：目前世界上

10、比较成熟的并网型风力发 电机组多采用水平轴风力机，其形式多种多 样常见的水平轴风力机类型有：单叶片式；双叶片式；三叶片式； 多叶片风车式车轮式多叶片风车式；迎 风式；背风式等。 基本组成：典型的大型风力发电机组通常主 要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及 控制系统等几大部分组成。20小型风力发电机图21风力发电连接电网系统图22低杨程风力提水机图23风电系统图124风力机结构图25南澳风电场26风电场127中国风电历年装机图281-3 风力发电运行方式 分类：独立运行和并网运行两种运行方式。 一、独立运行方式 独立运行的风力发电机组，又称离网型风力发电机 组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电

11、池蓄能， 再供应用户使用，如需要交流电，则要加逆变器。 （一）储能系统： 风力发电系统采用的储能系统主要有：蓄电池储能 、抽水蓄能。 正在研究试验的有压缩空气储能、飞轮储能、电解 水制氢储能等。29风力发电特点及优势: 它是一种安全可靠的发电方式，随着大型机组的技术成熟 和产品商品化的进程，风力发电成本降低。 风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景 ， 建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过三个 月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投 产一台； 装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来 便利； 运行简单，可完全做到无人值守； 实际占地少，机组与监控、变

12、电等建筑仅占风电场约1的 土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用； 对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下 均可建设， 在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和 柴油发电机等级成互补系统或独立运行，这对于解决边远 无电地区的用电问题提供了现实可能性。 30(二)与其他发电形式的联合运行 常用的方式主要有：1 风力柴油发电联合运行2 风力大阳能电地发电联合运行 风力一光伏联合系统有两种不同的运行方式 ： （1）切换运行，即有风时由风力发电机组供电 ，有太阳光时由太阳能电池方阵供电，这种 方式简单，但系统的效率较低： （2）同时运行，风力发电机组与太阳能电池方 阵同时向苦电池组充

13、电，可以充分发挥两者 的效能，系统效率高。 31二、并网运行方式 作用：采用风力发电机与电网连接，由电网输送电能的方式，是 克服风的随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方式， 同时可达到节约矿物燃料的目的。 应用：10kw以上直至Mw级的风力发电机组皆可采用这种方式。 并网运行又可分为两种不同的方式： 恒速桓频方式，即风力发电机组的转速不随风速的波动而变 化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。 这种方式目前已普遍采用，具有简单可靠的优点，但是对风能 的利用不充分。 变速恒频方式，即风力发电机组的转速随风速的波动作变速 运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利

14、用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时 还应解决由于变速运行而在风力发电机组文撑结构上出现共振 现象等问题。321-4 风电场 一、概念 风力发电场是日前世界上风力发电并网运行 方式的基本形式。图1、图2、图3， 在风能资源良好的地区，将几十台、几百 台或几千台单机容量从数十kw、数百kw直 至MW级以上的风力发电机组按一定的阵列 布局方式成群安装而组成的风力发电机群体 称为风力发电场，简称风电场。 风力发电场属于大规模利用风能的方式，其 发出的电能全部经变电设备送往大电网。33(二)风力发电场的选址 1、考虑因素：风电场场址选择的最主要的因 素是风能资源、环境影响、道路交通及

15、电网 条件等许多出素。 2、主要依据： 风力资源 风塔建设条件 气象数据 地形地貌 对居民影响34(三)风力发电场的风力发电机组排布 作用：合理地选择机组的排列方式，以 减少机组之间的相互影响，风电场内风 力发电机组的排列应以风电场内可获得 最大的发电量来考虑。 影响因素：主要受风能分布、风场地形 和土地征用的影响。 机组排列的最主要原则：是充分利用风 能资源，最大程度利用风能。35(四)风力发电场的经济效益评估 风电场容量系数即发电成本是衡量风力 发电场经济效益的重要指标。风电场内 风力发电机组容量系数的计算方法为：36风电场每kWh电能的发电成本的影响因素 风能资源特性(主要是风速频率分布

16、)、 风力发电机组设备的投资费用、 风电场建设工程费用、 风电场运行维护费用、 建场投资回收方式及期限(指投资贷款利率、 设备规定使用寿命及所要求的固定回收率等) 某些部件进口关税、设备增值税和设备保险 所付出的费用等。37(五)风力发电场的安装和调试风电机组运行安装方式灵活，既可以单机运行，也可 以组成风力发电场机群运行，采用何种运行方式主 要决定于风场的建设条件；机组安装简单，单机安 装调试仅需57天的时间。 主要工作包括： 机组基础建设（基础钢筋敷设、敷设接地网、混凝 土浇筑和混凝土捣震） 主要部件吊装、 内部线路连接、 机组系统调试。381-5 风力发电现状与展望一、风力发电发展简史 起源：世界上第1台用于发电的风力机于1891年在 丹麦建成 。 发展：风电技术经过20年