《新能源转换与控制技术惠晶方光辉第3章节风能风力发电与控制技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新能源转换与控制技术惠晶方光辉第3章节风能风力发电与控制技术（129页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 风能、风力发电与控制技术,本章主要内容 3.1 风的特性及风能利用 3.2 风力发电机组及工作原理 3.3 风力发电机组的控制策略 3.4 风力发电机组的并网运行和功率补偿 3.5 风力发电的经济技术性评价,绪 论,在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。 风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是
2、近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。,感性认识：各式风机,3.1 风的特性及风能利用,3.1.1 风的产生 风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。,图3-1 地球上风的运动,3.1.2 风的特性与风能,1、随机性 2、风随高度的变化而变化 不同高度风速的表达式：,式中 距地面高度为h处的风速（ms）； 0高度为h0处的风速（ms），一般取h0为10m； k修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约 为0.1250.5。,3.1.3 风的表示及应用 1、风向,风向一般用16个方位表示，也
3、可以用角度表示。图示方向方位图,图3-2 风向方位图,2、风速 由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。 3、风力 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。,风力等级与风速的关系：,式中 VNN级风的平均风速(m/s)； N风的级数。,4、风能 （1） 风能密度，空气在一秒钟内以速度流过单位面积产生的动能。 表达式为：,（2） 风能，空气在一秒钟时间内以速度流过面积为S截面的动能。,表达式为：,（3） 风能利用，风能的利用主要是将大气运动时
4、所具有的动能转 化为其他形式的能量 。,风能转换及应用情况 如图所示。,图3-5 风能转换与应用情况,3.2 风力发电机组及工作原理 3.2.1 风力发电机组的结构及分类,1、风力发电机组的分类,风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。,按风轮轴的安装型式,按风力发电机的功率,按运行方式,水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组,微型（额定功率501000W）、小型（额定功率1.010kW）、中型（额定功率10100kW）和大型（额定功率大于100kW）,独立运行和并网运行,2、风力发电机组的结构 风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率
5、低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。,（1）独立运行的风力发电机组,水平轴独立运行的风 力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。,图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构,并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示,（2） 并网运行的风力发电机组,图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图,并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱
6、、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。,（3） 大型风力发电机组,图3-8 大型风力发电机组的基本结构,3.2.2 风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。 1、水平轴风力机： a.荷兰式 b.农庄式 c.自行车式 d.桨叶式,图3-9 水平轴风力机,2、垂直轴风力机： a.萨窝纽斯式 b.达里厄式 c.旋翼式,图-10 垂直轴风力机,水平轴,垂直轴,3.2.3 风力机的气动原理,风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。,图3-11 风力机的叶片翼型及受力,现分析风轮不动时受到风吹的情
7、况： 当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力 F ，力 F 可以分解为与相对风速方向平行的阻力 FD 和垂直于风向的升力 FL ，升力使风力机旋转，实现能量的转换。,风力机的输出功率 当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：,对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比m，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比m不变。 在桨距角一定时，CP与叶尖速比的关系如下图所示。,图3-13 风力机的利用系数与叶尖速
8、比的关系,3.2.4 风力发电机,在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心 。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。,1、 独立运行风力发电机组中的发电机 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。,图3-14 独立运行的交流风力发电机系统结构,
9、（1）直流发电机 直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。,图3-15 电磁式直流发电机结构,（2）永磁式交流同步发电机 永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。,图3-17 凸极式永磁发电机结构示意图,
10、1定子齿 2定子轭 3永磁体转子 4转子轴 5气隙 6定子绕组,（3）硅整流自励式交流同步发电机 如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。 硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。,图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图,（4）电容自励式异步发电机 电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。,图3-19 电容自励式异步发电机电路原理,并网运行的风力发电机组中所用
11、的发电机,（1）异步发电机 风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。 （2）同步发电机 当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。,（3）双馈异步发电机 双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三
12、种，系统结构如下图所示。,图3-25 双馈异步发电机的系统结构,双馈异步发电机工作原理： 异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为： 式中 f1定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速； p发电机的极对数； n转子的转速（r/min）； f2转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。,根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态： 1）亚同步运行状态。此时n0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。,2
13、）超同步运行状态。此时nn1，转差率s0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。 3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。,双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。,（4）无刷双馈异步发电机 无刷双馈异步发
14、电机(Brushless DoublyFed Machine，简称BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。,图3-27 级联式无刷双馈异步发电机,图3-28 磁场调制型无刷双馈异步发电机,（5）开关磁阻发电机 开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。,图3-29 三相（6/4极）开关磁阻发电机结构,开关磁阻发电机用作为风力发
15、电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。,开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。,图3-30 开关磁阻风力发电机系统的构成,3.3 风力发电机组的控制策略,与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性复杂控制系统。尤其是对于并网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行
16、效率和发电质量，而这正是风力发电机组控制中的关键技术，现代风力发电机组一般都采用微机控制，如下图所示。,2A/D转换模块 3风向标 4风速计 5频率计 6电压表 7电流表 8控制机构 9执行机构 10液压调速油缸 11调向电机 12其他传感器,图3-32 风力发电机组的微机自控原理框图,3.3.1 风力发电的特点及控制要求 风力发电系统控制的目标主要有四个： 保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。 风力发电系统常规的控制功能有七个： 在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行； 低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能； 高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值； 减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；,减小功率传动链的暂态响应； 控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅； 调节机组的功率，确保机组输出
