第二章風(fēng)力發(fā)電技術(shù)1

第二章風(fēng)力發(fā)電技術(shù)內(nèi)容提要13風(fēng)力發(fā)電概述2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機組的分類4風(fēng)力發(fā)電的基本原理1.風(fēng)力發(fā)電概述1.1風(fēng)力發(fā)電的意義1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展1.1風(fēng)力發(fā)電的意義煤、石油、天然氣是當(dāng)今世界主要能源稀缺性和不可再生性使能源價格不斷增長。燃料型能源產(chǎn)生有害氣體排放，危害健康、導(dǎo)致全球變暖。尋找新的、清潔的、無污染、可再生的替代性能源是當(dāng)今人類面臨的重要問題。水電、核電是現(xiàn)階段低碳能源首選發(fā)電成本與火電接近穩(wěn)定性優(yōu)于風(fēng)電、光電水電開發(fā)總量有限、影響自然環(huán)境核電有泄漏危險1.1風(fēng)力發(fā)電的意義風(fēng)能具有以下特點：太陽能轉(zhuǎn)化而來，地球表面溫差引起空氣流動，具有一定動能。是清潔的、無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源由于能源和環(huán)境等諸多問題的影響，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展受到全球性的廣泛關(guān)注和高度重視。是目前可再生能源中技術(shù)最成熟、最具有規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。具有間歇性，可控性不如常規(guī)性能源。1.1風(fēng)力發(fā)電的意義風(fēng)能的利用方式發(fā)電、助航、提水灌溉、制熱供暖等轉(zhuǎn)化為電能是風(fēng)能主要利用方式利用風(fēng)輪收集風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的機械能通過發(fā)電機將風(fēng)輪收集的機械能轉(zhuǎn)變成電能利用電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送1.風(fēng)力發(fā)電概述1.1風(fēng)力發(fā)電的意義1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展自十九世紀(jì)末至二十世紀(jì)六十年代末，一些國家對風(fēng)能資源的開發(fā)，尚處于小規(guī)模的利用階段。1888年美國電力工業(yè)奠基人之一CharlesF.Brush安裝了被現(xiàn)代人認(rèn)為是第一臺自動運行且用于發(fā)電的風(fēng)力機。1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展1890年丹麥的拉庫爾研制成功了風(fēng)力發(fā)電機，1908年丹麥已建成幾百個小型風(fēng)力發(fā)電站。1957年200kWGedser風(fēng)力發(fā)電機安裝在丹麥Gedser海岸，三葉片帶有電動機機械偏航、交流異步發(fā)電機、失速型風(fēng)力機，是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計先驅(qū)。1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展1973年的石油危機之后，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展得到一些國家政府大力支持，風(fēng)力發(fā)電由小型逐漸向大中型發(fā)展。80年代后，由Geders風(fēng)力發(fā)電機改良的古典三葉片、上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計在激烈的竟?fàn)幹谐蔀樯虡I(yè)贏家.Tvind2MW，葉輪直徑54米，同步發(fā)電機通過電力電子設(shè)備與電網(wǎng)相連。1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展90年代后開始進(jìn)入現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)600kW-750kW風(fēng)力發(fā)電機組98年兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組1995年建成的賴斯比·合德風(fēng)電場裝有Bonus能源公司的40臺600千瓦型風(fēng)機Vistas公司的1.5兆瓦原型風(fēng)機建于1996年。1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢海上風(fēng)力發(fā)電多兆瓦級風(fēng)力發(fā)電世界上第一個海上風(fēng)電場位于丹麥南部的洛蘭島以北海域，1991年修建Repower5MW，葉輪直徑126米，輪轂高度100-120米，目前已經(jīng)在愛爾蘭和比利時海上安裝運行1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電機容量和風(fēng)輪直徑發(fā)展1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電機容量和風(fēng)輪直徑發(fā)展1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展世界風(fēng)電裝機容量09年全球風(fēng)機容量為159,213MW,2009年新增容量為38,312MW。2009年風(fēng)機裝機增長率為31.7%，是自2001年增長最快的一年。風(fēng)電的年發(fā)電量約3400億kWh，占全球電力總消耗的1.6%。美國的裝機容量保持世界第一，中國以微小的差距超過德國位列第二，中德兩國總裝機容量為26,000MW左右?？傃b機容量、新增裝機容量2009年世界新增風(fēng)電裝機最多的10個國家2009年世界前十位風(fēng)電機組供應(yīng)商在市場中所占份額1.2風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展中國風(fēng)電發(fā)展我國電力發(fā)展基本情況，全國聯(lián)網(wǎng)，西電東送、南北互供。我國風(fēng)能資源豐富，主要分布在三北及東南沿海地區(qū)。2009年新增裝機容量為13,800MW2009年底我國風(fēng)電裝機情況2009年我國風(fēng)電各制造企業(yè)累計裝機容量世界風(fēng)機總裝機容量世界風(fēng)機新增裝機容量2009年風(fēng)機裝機容量最多的10個國家2009年世界前十位風(fēng)電機組供應(yīng)商在市場中所占份額全國電網(wǎng)互聯(lián)東北電網(wǎng)華北電網(wǎng)西北電網(wǎng)華東電網(wǎng)南方電網(wǎng)華中電網(wǎng)臺灣電網(wǎng)川渝電網(wǎng)西藏電網(wǎng)我國電網(wǎng)的基本情況華北南方東北西藏臺灣西北華中上海華東金沙江下游水電晉陜寧蒙煤電基地負(fù)荷中心送電至華中華東送電至華北華中華東新疆煤電基地四川水電西藏水電送電至華中華東送電至華中跨國輸電跨國輸電我國一次能源與用電需求分布極不均衡電力流主要由西北、西南煤電、水電基地流向東部受端中心，輸電距離長、輸送容量大多個大型受端中心已經(jīng)形成未來隨著能源開發(fā)西移和北移速度加快，大型能源基地與能源消費地之間的輸送距離越來越遠(yuǎn)，能源輸送的規(guī)模越來越大負(fù)荷中心中國有效風(fēng)功率密度分布圖2009年底我國風(fēng)電裝機情況2009年底我國風(fēng)電裝機情況九個百萬千瓦級風(fēng)電基地內(nèi)蒙古吉林遼寧甘肅黑龍江河北新疆江蘇山東2009年我國風(fēng)電各制造企業(yè)累計裝機容量2009年我國各開發(fā)商新增裝機容量2009年我國新增裝機容量機型分布2.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過程2.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機組的構(gòu)成葉輪：葉片和輪轂，獲取風(fēng)能并轉(zhuǎn)化為機械能。機艙偏航系統(tǒng)傳動鏈主軸：將風(fēng)輪力矩傳遞給齒輪箱或發(fā)電機。齒輪箱：將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在高速軸側(cè)提高到滿足發(fā)電機需要的轉(zhuǎn)速。發(fā)電機：異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、永磁同步發(fā)電機制動系統(tǒng)槳距調(diào)節(jié)裝置塔架電控系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機組的運行與管理。2.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成葉輪輪轂：連接主軸與葉片的重要部件。它承受風(fēng)力作用在葉片上的推力、扭矩、彎矩、陀螺力矩等。機艙偏航系統(tǒng)偏航裝置也叫對風(fēng)裝置，可以分為：

尾舵對風(fēng)：直徑不超過6m的小型風(fēng)力機采用此種方式。

側(cè)輪對風(fēng)：中型風(fēng)力機采用這種方式，

電氣、液壓推動對風(fēng)：風(fēng)向傳感器與伺服電機或液壓系統(tǒng)配合實現(xiàn)對風(fēng)。尾舵對風(fēng)尾舵是兩葉張開的方式，對風(fēng)有一定的阻力，可保證穩(wěn)定的對風(fēng)。

側(cè)輪對風(fēng)側(cè)風(fēng)輪對風(fēng)結(jié)構(gòu)在機艙后部兩側(cè)有兩個側(cè)風(fēng)輪（舵輪），兩個側(cè)風(fēng)輪一般在同一個轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸水平并與風(fēng)力機風(fēng)輪主軸垂直。風(fēng)向風(fēng)速儀安裝在機艙后部頂上，左右兩套相互校驗。機艙不可能總是朝同一個方向旋轉(zhuǎn)，為防止電纜扭轉(zhuǎn)破壞，旋轉(zhuǎn)角度不得超過650°，超過±650°時，控制系統(tǒng)就會控制偏航電機反解纜。主軸齒輪箱變速齒輪箱：將風(fēng)力軸上的低速旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)輸出，以便與發(fā)電機所需要的轉(zhuǎn)速相匹配。制動系統(tǒng)在風(fēng)機停機時，要使風(fēng)輪從運行轉(zhuǎn)速盡快靜止，就需要制動系統(tǒng)，也叫機械剎車。它可以設(shè)置在齒輪箱的高速軸或低速軸位置。發(fā)電機塔架電控系統(tǒng)3.風(fēng)力發(fā)電機組的分類及原理3.1風(fēng)力發(fā)電機組的分類3.2風(fēng)力發(fā)電機組的原理3.1.風(fēng)力發(fā)電機組的分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類——風(fēng)輪軸向垂直軸水平軸3.1.風(fēng)力發(fā)電機組的分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類——葉片數(shù)量3.1.風(fēng)力發(fā)電機組的分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類——按功率調(diào)節(jié)方式定槳距風(fēng)機：槳葉于輪轂固定連接，槳葉的迎風(fēng)角度不隨風(fēng)速而變化。依靠槳葉的氣動特性自動失速，即當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時依靠葉片的失速特性保持輸入功率基本恒定。變槳距調(diào)節(jié)：風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，保證葉片在最佳攻角狀態(tài)，以獲得最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)減小葉片攻角，保證輸出功率在額定范圍內(nèi)。主動失速調(diào)節(jié)：風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速分幾級控制，控制精度低于變槳距控制；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)通過增加葉片攻角，使葉片“失速”，限制風(fēng)輪吸收功率增加。3.1.風(fēng)力發(fā)電機組的分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類——按功率調(diào)節(jié)3.1.風(fēng)力發(fā)電機組的分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類——按傳動形式高傳動比齒輪箱型：風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速較低，通常達(dá)不到發(fā)電機發(fā)電的要求，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。直接驅(qū)動型：應(yīng)用多極同步風(fēng)力發(fā)電機可以去掉風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，讓風(fēng)力發(fā)電機直接拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，這就沒有了齒輪箱所帶來的噪聲，故障率高和維護(hù)成本大等問題，提高了運行可靠性。中傳動比齒輪箱（半直驅(qū)）型：這種風(fēng)機的工作原理是以上兩種形式的綜合。中傳動比型風(fēng)力機減少了傳統(tǒng)齒輪箱的傳動比，同時也相應(yīng)地減少了多極同步風(fēng)力發(fā)電機的極數(shù)，從而減小了發(fā)電機的體積。3.1.風(fēng)力發(fā)電機組的分類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類——按發(fā)電機驅(qū)動方式形式

(a)異步發(fā)電機組同步電機，都用在火電水電核電，這種情況下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電壓可控。因為風(fēng)力不穩(wěn)定,異步發(fā)電機的啟動需要外接電網(wǎng)，它是需要接受電網(wǎng)50Hz的電勵磁。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速快接近同步轉(zhuǎn)速時（99%-100%），發(fā)電機出口斷路器合閘，之后利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用,使得轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生電流，進(jìn)而在定子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。但是該種發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流，并使電網(wǎng)電壓瞬時下降。異步發(fā)電機在電網(wǎng)的運行狀態(tài)分為兩種：（1）nG<nS,此時發(fā)電機以電動機方式運行，從電網(wǎng)吸收電能。（2）nG>nS，此時發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，向電網(wǎng)輸出電能。先由變頻器給轉(zhuǎn)子提供交流電，形成交變磁場，風(fēng)機帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動又形成旋轉(zhuǎn)磁場，然后定子線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，輸出到電網(wǎng)。f1=(P/60)*nr±f2f1為定子電壓頻率f2為轉(zhuǎn)子勵磁電壓頻率nr為雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)速。由上可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速nr發(fā)生變化時，若調(diào)節(jié)f2變化，可使f1保持恒定不變，實現(xiàn)變速恒頻控制。(b)雙饋異步發(fā)電機組有三種運行狀態(tài)：①亞同步運行：該種發(fā)電機在風(fēng)機低于額定轉(zhuǎn)速時，也可以發(fā)電；②同步運行：在等于額定轉(zhuǎn)速時，變頻器給轉(zhuǎn)子提供直流電；③超同步運行：在高于額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子的交變磁場反向，改變?nèi)嗬@組相序，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)供電。雙饋：定子與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子通過變頻器與電網(wǎng)連接，在一定條件，定子與轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)供電。異步電機驅(qū)動的風(fēng)力發(fā)電機組說(c)低速交流發(fā)電機低速交流發(fā)電機由風(fēng)力機直接驅(qū)動，省略了齒輪箱，該種發(fā)電機轉(zhuǎn)子部分是永磁體，只要風(fēng)機帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在定子側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，再通過變頻器恒頻之后并網(wǎng)。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組3.風(fēng)力發(fā)電機組的分類及原理3.1風(fēng)力發(fā)電機組的分類3.2風(fēng)力發(fā)電機組的基本原理3.2風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力機的運行特性由風(fēng)力機的空氣動力學(xué)知，風(fēng)力機的輸入功率為由于通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部都能被風(fēng)輪吸收利用，其風(fēng)能利用系數(shù)v為風(fēng)速，ρ為空氣密度，R為葉片半徑根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力機的理論風(fēng)能利用系數(shù)為0.593.3.2風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力機的運行特性風(fēng)能利用系數(shù)是表征風(fēng)力機效率的重要參數(shù)，它與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑、槳葉節(jié)距角均有關(guān)系。為了便于討論，定義風(fēng)力機的另一個重要參數(shù)葉尖速比，即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比：變漿距的風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖速比和槳