风力发电原理徐大平风力发电原理

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1、风力发电原理,华北电力大学控制与计算机工程学院,课程简介,第一章：绪论 第二章：风能及其转换原理 第三章：风力发电机组结构 第四章：风力发电机 第五章：风力发电机组的控制技术 第六章：垂直轴风力发电机组 第七章：离网风力发电系统,第一章 绪论,随着生产力和生活水平提高，世界能源消耗迅速增长在20世纪，世界人口增长4倍，而能源消耗增长16倍。 常规的化石能源储量有限，面临数量紧缺和价格提高。 化石能源开发和燃烧利用加剧了人类和地球生物生存环境的恶化。 出路是调整能源结构、开发利用清洁可再生能源。,地球上的能源与环境问题,能量,能量是物质运动的一种度量，也是物质存在的一种形态，一般指其具有的做功能

2、力。 目前，通常认为有以下六种能量形式： 机械能：动能： 重力势能： 弹性势能： 表面能： 热能： 电能： 以及化学能、辐射能、核能。,能源,能够直接或经转换提供能量的资源称为能源。 按被利用程度分: 常规能源：开发利用时间长，技术相对成熟、能大量生产利用。 新能源：开发和利用尚在研究和推广使用。 按取得方式分： 一次能源：自然存在，可直接利用。 二次能源：经转换或加工生产的。 按短期内能否重复取得分： 可再生能源 非可再生能源 就目前生产技术水平，可大规模开发利用的清洁可再生能源主要有：风能、太阳能和生物质能。,1.1 风能利用及风力发电历史,人类利用风能有资料记载的有几千年历史。早期主要是

3、以风做为动力风帆、风车。,a) 帆船 b) 风车 人类早期风能利用示例,1.1 风能利用及风力发电历史（续）,十九世纪晚期开始出现风力发电。 1887美国人Charles F. Brush研制出世界上第一台12kW直流风力发电机，用来给家里的蓄电池充电。 1891丹麦物理学家Poul La Cour建造了一台30KW左右的具有现代意义的风力发电机组，发出直流电，用于制氢。 1926德国科学家Albert Betz对风轮空气动力学进行了深入研究，提出了“贝茨理论”，指出风能的最大利用率为59.3%，为现代风电机组空气动力学设计奠定了基础。 1940美国工程师Palmer Cosslett Put

4、nam与S.Morgan Smith公司合作，制造出风电发展历史上第一个1250kW超大型的Smith-Putnam风电机组。 1942德国人Ulrich Huetter提出“叶素动量理论”。 我国风力发电始于20世纪70年代，80年代后研制并网机组。,1.1 风能利用及风力发电历史（续）,a) Brush的风电机组 b) Poul la Cour的风电机组 c) Smith-Putnam的风电机组 早期的风电机组,1.1 风能利用及风力发电历史（续）,a) 德国人Huetter建造的风电机组W-34 b) 丹麦人Johannes Juul建造风电机组Gedser 现代风电机组的先驱,1.2

5、中国风能资源与开发,1.2.1 风能特点 风能蕴藏量大、分布广。 风能是可再生能源。 风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。 风能的能量密度低。 不同地区风能差异大。 风能具有不稳定性。,1.2.2 我国风能资源,我国风能密度分布图,1.2.2 我国风能资源（续）,我国全年风速大于 3m/s的小时数的分布图,1.2.2 我国风能资源（续）,中国有效风能分布图,1.2.3 风电发展概况,世界风电装机容量（来源：世界风能协会（WWEA）2009世界风能报告）,2009年世界风电装机最多的十个国家（MW）,据国家电网公司统计2011年并网风电装机容量5258万千瓦。,1.2.3 风电发展概况（续）

6、,我国规划的大型（千万千瓦、百万千瓦级）风电基地分布图,1.3 风力发电技术与发展,1.3.1 机组类型 微型、小型、中型及大型风电机组 离网型风电机组和并网型风电机组 水平轴风电机组、垂直轴风电机组,微型、小型、中型及大型风电机组,按照额定功率的大小，可以将风电机组分为： 1）微型风力发电机组：额定功率小于1KW。 2）小型风力发电机组：额定功率1KW99KW。 3）中型风力发电机组：额定功率100KW 600KW。 4）大型风力发电机组：额定功率大于600KW。,离网型风电机组和并网型风电机组,按照风电机组与电网的关系，分为离网型风力发电机组和并网型风力发电机组。 1）离网型风力发电机组：

7、一般指单立运行，所发出的电能不接入电网的风力发电机组。这种机组一般容量较小(常为微小型机和中型机)，专为家庭或村落等小的用电单位使用，常需要与其他发电或储电装置联合运行。 2）并网型风力发电机组：一般指以机群布阵成风力发电场，并与电网联接运行的大、中型风力发电机组。,水平轴风电机组、垂直轴风电机组,按照风轮旋转主轴与地面相对位置的关系，风电机组分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。 1）水平轴风力发电机组：风轮旋转轴与地面平行，叶片数量视用途而定。水平轴风电机组又可分为升力型和阻力型。 2 ）垂直轴风力发电机组：分为阻力型和升力型两大类。,水平轴风力发电机组,水平轴风力发电机类型,垂直轴

8、风力发电机组,垂直轴风力发电机类型,1.3.2 大型水平轴并网机组基本结构,目前在并网风力发电领域主要采用水平轴风电机组形式，其基本结构包括由风轮、传动系统、发电机、控制与安全系统、偏航系统、机舱、塔架和基础等组成。,水平轴风电机组结构图,1.3.3 风电技术发展,技术发展主要在提高风能利用量（低风速、高海拔、海上、大型化、变速恒频）、改善机组性能（提高寿命、降低成本、适应恶劣气候、适应电网、智能监控、完善标准）方面，具体体现在： 1、水平轴风电机组技术成为主流 2、风电机组单机容量持续增大 3、变桨变速功率调节技术得到广泛采用 4、双馈异步发电技术仍占主导地位 5、直驱式、全功率变流技术得到

9、迅速发展 6、大型风电机组关键部件的性能日益提高,1.3.3 风电技术发展（续）,7、智能化控制技术的应用加速提高了风电机组的可靠性和寿命 8、叶片技术发展 9、风电场建设和运营的技术水平日益提高 10、恶劣气候环境下的风电机组可靠性得到重视 11、低电压穿越技术得到应用 12、海上风电技术成为重要发展方向,电压偏差与低电压穿越,当风电场并网点的电压偏差在-10%+10%之间时，风电场内的风电机组应能正常运行。 风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不间断并网运行。 对故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后至少以10%额定功率/秒的功率变化率恢复至

10、故障前的值。,a）在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力。 b）在发生跌落3s内能够恢复到额定电压的90%，风电场内机组保持并网运行。,低电压穿越要求规定,1.4 风电相关标准,现代并网型风电相关的专业技术标准大致涉及以下几方面： 风资源评估 风电机组设计与认证 风电场设计与运行,1.4 风电相关标准（续）,国际电工委员会（IEC）标准 风力发电系统-第一部分：设计要求 海上风电机组设计要求 国外主要风电标准 德国 风能转换系统的认证准则 丹麦 风机的载荷和安全标准 挪威 海上风电机组结构设计标准 中国主要风电标准 中国有现行风力机械标准59个，其中并网型风

11、力发电机组标准21个，离网型风力发电机组标准38个。 这些标准主要分为国家标准和行业标准两类。,表1-7 IEC有关风电机组的部分标准,表1-8并网型风力发电机组的部分相关标准,第二章 风能及其转换原理,32,本章内容 2.1 风的形成及其特性 2.2 风的测量与估计 2.3 风能资源评估及风电场选址概述 2.4 风能转换基本原理 2.5 风力机运行特性,33,2.1.1 风的形成及其基本特性,风：指空气相对于地球表面的运动，是由于大气中热力和动力的空间不均匀性所形成的。 大气边界层：受地表摩擦阻力影响的大气层。 按高度分成三个区域：底层、 下部摩擦层、上部摩擦层。 边界层空气在高度方向上特点

12、： 空气上下对流运动 水平运动速度随高度变化 风向随高度变化 大气湍流特性随高度变化,大气边界层,1. 风的形成,34,2. 风的尺度,小尺度：空间数米到数千米，时间数秒到数天。 中尺度：空间数千米到数百千米，时间数分钟到一周。 天气尺度：空间数百千米到数千千米，时间数天到数周。 行星尺度：空间数千千米以上，时间数周。,气流运动的空间和时间尺度,35,3. 风的大小,风的大小通常指风速的大小。风速和风向在时间、空间上的变化均是随机的。 通常把风看作是由平均风和脉动风两部分组成。,风速和风向时间历程曲线,36,3. 风的大小,某地点平均风速的大小除取决于时距外，还与所测点的高度有关，我国规定的标

13、准高度为10m。 风力等级是依据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象确定的。 国际上采用的风速等级是1805年英国人蒲福拟定的。在1946年，人们又把第12级（飓风）分为6级。表见下页。,37,38,2.1.2 全球性的风,大气环流是全球范围内，由于太阳辐射不均匀，产生赤道和极地的温度和气压差异，导致的赤道上空的热空气向极地运动，而极地地面的冷空气向赤道运动的循环状态。 1856年，美国人费雷尔提出了更接近实际的“三圈环流”大气运动模型。,1. 大气环流,三圈环流示意图,39,关于科里奥利力,科里奥利（17921843），法国物理学家。1835年提出，在一个转动参考系中，运动物体受到的虚拟力

14、除惯性离心力外，还受到“惯性”的另一种表现的力，我们把它称为科里奥利力。,例： 在一个以角速度为的转动圆盘上，把质量为m的物体沿径向，以速度v抛向B点。我们会发现，经过一段时间，物体m没有到达B点，而是到达了B点。,当m在A点时，它还随圆盘有一个切向速度rA，在B（或B）点时，随圆盘有一个切向速度rB。,则：,当t很小时，从B向B方向的运动可以看作是速度从0开始(抛出)的匀加速运动。,大气环流的形成 赤道气温高，空气受热，密度变小上升，使该地气压变低。以北半球为例，地面附近北方的冷空气流过来补充。流过来时受到科里奥利力影响，向西偏移，且速度越大，受力越大，偏转越厉害。 再看上升的气流：一方面气

15、流上升，温 度降低。另一方面由于北方空气补充赤道方向。气流在气压差作用下向北流动，而流动时受科氏力影响向东偏移。且速度越大偏移越厉害。在北纬30附近，其运动方向基本与纬线一致。一方面阻挡了北方过来补充的气流。另一方面，自身变冷后下沉，补充地面向赤道方向补充气流造成的低气压，形成了赤道附近的”哈德莱环流”。-同理，有另外两圈环流。,大气环流,2. 季风,季风是随季节变化的风，是在较大的范围内，盛行风向随季节明显变化的反映。 季风形成的主要原因是海陆比热不同而造成的热力差异，从而形成了大尺度的、随着季节交替变化的局部热力环流。一般以年为周期。 全球性的风中，出了大气环流和季风以外，还有急流和大气长波现象。,43,2.1.3 地方性的风,1. 海陆风,海风的形成 b) 陆风的形成 海陆风形成示意图,44,2. 山谷风,谷风的形成示意图,山风的形成示意图,山谷风形成示意图,45,3. 焚风,山前有降水情况 b) 山前无降水情况 焚风形成示意图,46,2.1.4 平均风,平均风速是指在某一时间间隔中，空间某点瞬时水平方向风速的 数值平均值，用下式表示。,1 平均风速,风能计算常用10分钟（或1小时）平均风速,47,2 平均风速随高度变化规律,1）对数率变化,z 距地高度（米）； z 0 地表粗燥长度（米），其取值由下表给出：,48,2