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1、- 网络教育学院课 程 设 计题目：学习中心： 层 次： 专升本 专 业： 电气工程及自动化 年 级： 2012 年 春 季学 号：学 生：辅导教师：完成日期：序言能源、环境是当今人类生存和开展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力开展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平开展迅猛，但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术开展，
2、对进一步推动风电产业及技术的安康可持续开展具有重要的参考价值。第一章 风力发电开展的现状2005年2月，我国国家立法机关通过了?可再生能源法?，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源开展中的优先地位。2009年12月，我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%45%，把应对气和变化纳入经济社会开展规划，大力开展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重到达15%左右。随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛开展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。我国
3、自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开场，经过二十几年的开展，我国的风电市场已经获得了长足的开展。到2009年底，我国风电总装机容量到达2601万kW，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位1,2。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式开展的阶段，预计2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。第二章 比拟各种风力发电机的优缺点一、 当前风力发电机有两种形式：1 水平轴风力发电机大、中、小型水平轴风力发电机技术开展的比拟快，在世界各地人们已经很早就认识了，大型的水平轴风力发电机已经可以做到3-5兆瓦，一般由国有
4、大型企业研发生产，应用技术也趋于成熟。小型的水平轴风力发电机一般是一些小型民营企业生产，对研发生产的技术要求比拟低，其技术水平也是参差不齐。小型水平轴风力发电机的额定转速一般在500-800r/min，转速高，产生的噪音大，启动风速一般在3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适宜在有人居住或经过的地方安装。2 垂直轴风力发电机大、中、小型垂直轴风力发电机技术开展的较慢一些，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比拟高，尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术开展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在60-200
5、r/min，转速低，产生的噪音很小可以忽略不计，启动风速一般在1.6-4m/s。二、 参数比照：序号性能水平轴风力发电机垂直轴风力发电机 1 发电效率 50-60% 70%以上 2 电磁干扰碳刷有无 3 对风转向机构有无 4 变速齿轮箱 10KW以上有无 5 叶片旋转空间较大较小 6 抗风能力弱强可抗12-14级台风 7 噪音 5-60分贝 0-10分贝8 启动风速高2.5-5m/s低(1.5-3m/s) 9 地面投影对人影响眩晕无影响 10 故障率上下. 11 维修保养复杂简单 12 转速上下 13 对鸟类影响大小 14 电缆绞线问题有无或碳刷损坏问题 15 发电曲线凹陷饱满第三章 介绍相关
6、风力发电控制技术一、 现有风力发电系统的构造及各自特点小型发电直流混合系统小型发电交流混合系统A型：恒 速B型：有 限变速C型：变速含局部功率变频器发电机类型优点缺点双绕组双速异步发电机相对于单绕组单速型风力机，风能利用效率增高，适应风速变化*围大，可靠性高造价本钱高，具有齿轮箱，机械承受应力大，噪声大，易出故障可变转子电阻绕线式感应发电机相比恒速风力机风能利用率高，变桨距动作频率减小，可靠性增高控制系统负载，机械承受应力较大，有齿轮箱，噪声大双馈式异步发电机机械承受应力小，独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率，可以产生无功提供应定子电气损耗大，有齿轮箱，价格昂贵，发电机要使用滑环，可靠
7、性降低。在弱电网情况下，电压会波动。绕线式同步发电机机械承受应力小，噪声小，气动效率高，不需要无功功率补偿系统，频率稳定，电能质量高。电器损耗和变频器容量大，本钱较高。永磁同步发电机转子不需要提供励磁，效率比感应式电机高，无齿轮箱，噪声及机械应力小，控制灵活电器损耗大，变频器容量大，发电机体积大，励磁不能调节，价格昂贵。二、 永磁同步发电机控制1. 工作原理： 风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能。 直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能。 变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网。2 控制模式： 监视电网、风况和机
8、组运行参数，对机组运行进展控制。 根据风速与风向的变化，对机组进展优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。 控制根本目标：保证风力发电机组平安可靠运行; 获取最大能量; 提供良好的电力质量。三、 风力发电系统的并网技术1 风力发电系统的并网技术及对电力系统的影响 风力发电机并网的条件: 发电机输出的电压和电网电压在幅值、频率、相位上完全一样 并网时可能遇到的问题: 引起系统电压下降，对电机和机械部件造成损坏；造成系统瓦解，威胁其它挂网机组的正常运行。2 同步风力发电机组并网技术 同步发电机的优点:既能提供有功功率，又能提供无功功率，周波稳定、电能质量高。 在风力发电系统中的缺点： 并网时其调速
9、性能很难要求的精度；无功振荡与失步问题，在重下尤为严重。 解决方法：在同步发电机与电网之间采用变频装置。3 异步风力发电机组并网技术 异步风力发电机优点: 对机组的调速精度要求不高；控制装置简单；不会产生振荡和失步，运行稳定。 并网时存在的问题：直接并网会产生冲击电流会造成电压大幅度下降；需要无功补偿；不稳定系统的频率过于下降，电流剧增而过载。第四章 对风力发电技术开展趋势的展望一、 风力发电的技术开展风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化
10、技术等方面。1 风力发电机组机型及容量的开展现代风力发电技术面临的挑战及开展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低本钱。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化开展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开场，至1990年到达250kW，1997年突破1MW，1999年即到达2MW。进入21世纪，兆瓦级风力机逐渐成为国际风电市场上的主流产品。2004年德国Repower即研制出第一台5MW风电机，Enercon开发出第二代直驱式6WM风电机，预计2013年单机容量将突破15MW1,3。从世界*围来看，1.5MW-2MW的机型占世
11、界机组容量的比例，已从2007年的63.7%飞速上升到80.4%；而在我国，2005年风电场新安装的兆瓦级风电机组占当年新装机容量的21.5%，而2009年比例已经上升到86.86%4。这说明容量风电机组已经成为我国风电市场上的主流产品。2 风力发电机组控制技术的开展控制技术是风力发电机组平安高效运行的关键技术，这是因为： 自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素的随机性和不可控性，这样风力机所获得的风能也是随机和不可控的。 为使风能利用率更高，大型风力发电机组的叶片直径大约在60m100m之间，因此风轮具有较大的转动惯量。 自动控制在风力发电机组的并网和脱
12、网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障的检测和保护中都应得到很好的利用。 风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣，在海岛和遥远的地区甚至海上，人们希望分散不均的风力发电机组能够无人值班运行和远程监控。这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。3 风力发电机组控制策略的开展风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化，导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最正确值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量及接入的电网产生影响，对于小电网甚至会影响其稳定性。风力发电机组通常采用
13、柔性部件，这有助于减小内部的机械应力，但同时也会使风电系统的动态特性复杂化，且转矩传动模块会有很大振荡。目前，对风力发电机的控制策略研究根据控制器类型可分为两大类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。传统控制采用线性控制方法，通过调节发电机电磁转矩或桨叶节距角，使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。对于快速变化的风速，其调节相对滞后。同时基于*工作点的线性化模型的方法，对于工作*围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用。二、 存在的问题及展望尽管近年来我国风电产业得到了迅猛的开展，但同时也暴露出众多的问题。首先，我国尚未完全掌握风电机组的核心设计及制造技术。在设计技术方面，我国不仅每年需支付大量的专利、生产许可及技术咨询费用，在一些具有自主研发能力的风电企业中，其设计所需的应用软件、数据库和源代码都需要从国外购置。在风机制造方面，风机控制系统、逆变系统需要大量进口，同时，一些核心零部件如轴承、叶片和齿轮箱等与国外同类产品相比其质量、寿命及可靠性尚有很大差距。其次，我国风电开展规划与电网规划不相协调，上网容量远小于装机容量。风电开展侧重于资源规划，风电场的建立往往没有考虑当地电网的消纳能力，从而造成装机容量大，并网发电少的现状。2009年新增装机容量中1/3未能上网，送电难已经成为制约风电开展的瓶颈。最后，我国风电的技术标准和规*不健全，包括风
