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第一章 风力发电技术,t课件,t课件,第一节 概述,风能是大气运动形成的一种能源形式，其能量来自于大气所吸收的太阳能。人类对风能的利用历史久远，早在公元10世纪，波斯就出现了水平转动的风磨。,t课件,公元12世纪，欧洲开始使用风车抽水、碾磨谷物，此后风车一直是主要的动力机械之一。,t课件,我国开始利用风能作为动力大约在13世纪中叶。现在所说的风能利用主要是指风力发电。采用风力涡轮机发电的设想始于1890年丹麦的一项风力发电计划，到1918年丹麦已经投入运行了120台风力发电机。,t课件,风力发电走向规模化应用还是在20世纪90年代以后，风力发电的装机容量开始以每年平均20%以上的速度增长，已成为世界上各种能源中增长最快的一种。据统计，2007年底，全球风力发电新增装机容量19791MW，总装机容量达到94005MW，比2006年增加了27%，风力发电的总量已占全球电力消费总量的1%以上。,t课件,我国风能资源非常丰富。 2006年国家气候中心研究结果表明，我国陆地10米高度层可开发和利用的风能储量除青藏高原外总量约为25亿kW，海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计约32.5亿kW。我国风电开发的空间十分巨大。目前，风力发电只占在全国电力装机总容量的1.2%。而根据国家发改委的长期产业规划，2020年10000万kW，占全国电力总装机的2%。,t课件,一、世界风能发电概述,20世纪末，由于能源危急和全球环境保护的影响，欧洲、美国及亚洲的印度、中国风力发电出现强劲势头，其中丹麦的风电量已经超过了总发电量的20%。目前， 欧洲最大的风力发电国是德国，西班牙居第二。全球风力发电保持高速发展的势头，预计到2010年，全球风力发电装机总量可以达到160GW。,t课件,风力发电快速增长的原因在于两个方面：一是经济发展对电力需求的快速增长和可持续发展的要求；二是风力发电技术的不断进步，促进了发电价格不断降低。风电价格不断降低的同时，化石燃料的价格呈总体上升趋势，加之环保和二氧化碳减排的要求，化石燃料发电的价格总体是上涨的。因此风力发电将称为21世纪重要的能源形式之一。,t课件,就风能资源的储量来说，地球上风力资源的利用才刚刚开始，发电技术的发展就是风力发电机技术的发展。目前，风力发电机在叶片材料、气体动力学特性、控制方式等方面不断进步的同时，主要是向大型化的方向发展。世界风能市场上风力发电机的主要供应商来自欧洲和美国，其中丹麦一直居世界领先地位，占全部市场份额的60%以上。,t课件,德国一直引领着世界风电市场的发展。德国2006年底发电装机容量2194MW，是目前世界上发电装机容量最多和风力发电机组技术最先进的国家。德国风力发电的制造技术和生产规模都处于世界领先水平，目前世界上在运行的最大的商用风力发电机组就产自德国。德国Enercon E112型风力发电机最大输出功率达到6MW,风力发电机全高186m,风轮直径为114m，切出风速为2834m/s，是目前世界上最大的风轮机。,t课件,丹麦和西班牙-紧随德国之后 丹麦和西班牙的风电也在高速发展。西班牙的2006年装机容量达到11.6GW，欲挑战德国争夺欧洲之冠的地位。丹麦已经成功地用风电来满足国内23%的电力需求，是世界上风电贡献率最高的国家。丹麦在风电机组制造、风能资源评价和风电场接入电网等领域的技术均居世界领先地位。,t课件,美国的风力发电美国的风能资源丰富，据估算，如果全部开发美国三个州(得克萨斯州等)的风电就可以满足全美的电力需求。在美国，风能发电已经很有竞争力，其成本相等甚至低于传统电力的平均价格。目前，美国最大的风电场是位于德克萨斯州的马谷风能中心，该中心建有 421台风力发电机组，装机容量达到735MW，于2006年9月全部建成。美国新建风电场普遍使用GE公司1.5MW风力发电机，其次是西门子公司的 2.3MW风力发电机。,t课件,印度-发展中国家的先锋从20世纪80年代起，印度就启动了风电项目。在20世纪90年代后期印度风电市场一度低靡，但最近却开始复苏。截至2006年底，风电装机容量已达6270MW，印度已经成为全球第五大风电生产国。在过去几年，政府积极推动风电产业的发展，鼓励大型私有和公有企业投资，并同时给予当地制造基地同样的政策激励。在印度，有的公司现在已经可以生产70%的风电机组零件，不需要从主要的欧洲制造商进口，从而大大降低了风电机组生产成本，并给当地创造出额外的就业机会。印度还建立了两百多个风力监测站，为风能资源的开发利用提供基础数据支持。,t课件,二、我国风力发电概况,我国的风电事业起步较晚，在20世纪末，风力发电机组的制造还主要在于简单的小型家用风力发电机组。进入21世纪以来，我国的风电装机容量开始快速增长，2006年底，装机容量上升到将近260万kW。我国国土面积辽阔，风能资源丰富，目前风电装机容量还相对较低。规划预计到2010年风电装机总容量达到2500万kW, 2020年风电装机总容量达到10000万kW。,t课件,中国的风能资源主要集中在两个带状地区,一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”,其风能功率密度在200瓦/平方米300瓦/平方米以上,有的可达500瓦/平方米以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等,这些地区每年可利用风能的小时数在5000小时以上，有的可达7000小时以上。从新疆到东北,面积大、交通方便、地势平,风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个,这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少,发出的电上不了网。一条是东部沿海风带，主要位于沿海几十公里的大陆海岸和海道，其风能资源比三北风带还好，海道煤和石油依靠大陆，电力联网困难，发展发电迫在眉睫。,t课件,t课件,中国现代风电技术的开发利用始于20世纪70年代，0.115kW离网型风力发电机组开始试验、示范、应用推广。“六五”、“七五”、“八五”期间，国家和地方政府把22kW、30kW、55 kW、75kW、120kW、200kW 风电机组列入重点科技攻关项目，但由于诸多原因，都未商业化运行。规模化的风力发电场80年代后期投入运行。,t课件,截至2006年底，我国除台湾外累计安装风电机组3311台，装机容量259.9万kW,共建设91个风电场，分布在16个省。,t课件,“九五”期间，并网型风电机组得到快速发展。 定桨距失速型200kW、250kW、 300kW 、600kW风电机组； 变桨距双速型600 kW风电机组； 中国一拖和西班牙Made合资建立一拖美德风电设备公司，生产660kW风电机组； 中国西航和德国Nordex合作建立西安维德风电设备公司，生产600kW风电机组。,t课件,“十五”期间，国家提出研制“兆瓦级风电机组”的攻关目标，有如下3个课题：1.3MW 定桨距失速型风电机组1MW 双馈型变速恒频风电机组1.2MW 直驱型变速恒频风电机组,t课件,风力发电机组经过二十余年的发展，容量从十千瓦级增大到兆瓦级，从90年代定桨距失速型风电机组为主导机型，向变速变距型风电机组为主流机型的方向发展，且随着电力电子技术的发展，变速恒频的风力发电技术已经成了风力发电的大势所趋。兆瓦级机组的市场份额1997年及以前还不到10%，2001年则超过一半，2002年达到62.1%。风电装机容量约以平均每年增幅30%的速度在增长，成为增长速度最快的清洁能源。,t课件,新疆达坂城是我国最早建设规模化风电场的地区，于1989年建成的达坂城风电一场是我国第一个风能发电场，所有设备全部从丹麦引进。,t课件,广东省南澳岛风电场是我国第一个海岛风电场。南澳岛是广东唯一一个岛县，东南季风长，风力资源丰富，风况属世界最佳之列。到2005年底，装机容量达到5.6万kW，是亚洲最大的海岛风电场。,t课件,2007年6月，我国最大的风电场是内蒙古的辉腾锡勒风电场，总装机容量189MW，为第29界奥运会输送绿色电力。同时还有两个风电项目在建，到2010年将建成百万千瓦级的风电场。,t课件,官厅位于北京市官厅水库南岸，是北京主要的风口之一，一期项目总装机容量49.5MW，2007年底竣工、并网发电，生产的电能直接输入北京电网，供给市民和奥运场馆使用。,建设现场,t课件,三、我国风力发电工业的现状,我国在20世纪50年代开始风力发电机的研制。目前大功率风力发电机组还依靠进口。与国际水平相比，我国风力发电机的单机容量较小，关键部件需要进口，整机质量还有差距。我国在海上发电的资源勘察、设备制造、施工安装工艺和运行管理方面还比较落后。,t课件,2007年，国内风力发电机组生产厂家通过引进技术、合资、合作方式，可以批量生产600kW、660kW和750kW的风力发电机组，同时也研发了兆瓦级风力发电机组。2006年10月，我国首台自主研制的1.5MW变速恒频风力发电机组在沈阳华创风能有限公司正式出厂。对于我国实现大型风力发电机组的国产化具有重要意义， 1.5MW变速恒频风力发电机组的研制填补了我国该项技术的空白。,t课件,1.5MW双馈风力发电机组,t课件,2MW永磁直驱式风电机组,t课件,我国风电产业的自主研发道路还十分漫长，一些领域与国外先进水平差距甚至在拉大。我国风电产业的发展应该是以我为主，中外合作，通过合资、合作的方式引进国外先进技术，同时大力开展风电领域的基础研究，逐步形成风电产业的自主研发能力。,t课件,四、风力发电的优点以及负面影响,风力发电的优点风能是可再生能源形式，有利于可持续发展。有利于环境保护。随着风电技术的日趋成熟，风电成本越来越低，可以和其他能源形式相竞争。,t课件,风力发电的负面影响间接的不可再生能源利用和污染物排放。机组生产过程中造成的污染物的排放是风电的间接污染物排放。风电可能对鸟类造成伤害噪声问题对无线电通信的干扰安全问题，叶片折断伤人等,t课件,五、并网发电风力机的总发电成本的影响因素,投资成本成是影响风力发电成本的主要因素，投资成本包括制造加工费、基建费等系统寿命运行费和维修成本风系特性。风能潜力与风速的三次方成正比，平均风速高则电站经济性好系统的能量转换效率技术利用率，即正常发电时间在一年中占的比例,t课件,第二节 风能和风力发电,一、风能风能是一种无污染的、可再生的能源，取之不尽，用之不竭，分布广泛，但能量密度相对较低，具有时空上的不稳定行。研究风能的利用离不开对风的特性描述，风的最大特性是他的变化性。对于风能的利用来讲，我们主要关心风速和风向。,t课件,风速的特性风速是指空气的移动速度，即单位时间内空气微团移动的距离。瞬时风速称为有效风速，即实际发生作用的风速，通常指很短时间间隔内的风速。平均风速是很长时间内风速的平均值，实际上是在较长时间范围内，多次风速测量的平均值，即,t课件,风速频率风速频率是风速在一年内或一个月内中所出现的时间分布。在计算风速频率是，通常把风速的间隔定为1m/s，依次划分风速区间，较长观测时间内各种风速吹风时数与该时间间隔内吹风总数的百分比就是风速频率分布。风速频率是确定风能电站年工作时数的基本数据。,t课件,风能“玫瑰”。风速是矢量，既有大小，也有方向。风速的大小随时变化，其方向也是不稳定的。在一段时间内，风速在不同的方向上出现的时间称为风速在该方向上的方向频率。方向频率与该方向上平均风速的三次方的乘积沿个方向的分布即为风能“玫瑰”。根据玫瑰图可以看出哪个方向上的风具有优势,t课件,风能的能量密度,t课件,风能资源的分布 按照风能资源的多少可以划分成这样几个区域：最大风能资源区。我国的最大陆上风能资源区是东南沿海一带及其岛屿，这一带的面积相对较小，只在由海岸向内陆几十公里的范围内才有较大的风能资源。次最大风能资源区。为内蒙古和甘肃北部。这一带面积辽阔，终年在西风带的控制之下，适合大规模风力发电，是我国最大的风能资源区。,t课件,大风能资源区。黑龙江和吉林省北部、辽东半岛的沿海区。较大风能资源区。除了上述地区以外的三北北部、青藏高原和其他沿海地区，其中青藏高原风速全年出现时间可达6500h，但由于海拔高，空气密度小，风能密度也小。最小风能资源区。云、贵、川地区，陕西南部，河南南部，湖南南部，福建、两广地区及塔里木盆地。其中西双版纳和四川盆地的风能最小，只有部分山顶和峡谷等特殊地形的地区才可能进行风能利用。,t课件,t课件,二、风力发电,目前风力发电可分为两种方式：离网型的小型分散风力发电装置。这种风力发电机组功率小，风速适应范围广，生产技术成熟，适合家庭和边远地区的小型用电负荷点。考虑到风能的不连续性，通常需要配置蓄电池。并网型大型风力发电装置。是风力发电规模化利用的主要方式，最大的功率已经达到6MW。丹麦、德国是风力发电机组生产技术比较领先的国家。,t课件,风力发电的价值风电的当量燃料价值。风能进入电网，其他发电装置就可以少发电，从而节省燃料。风电的容量价值。电力系统要求有必要的备用容量储备，风力机组同样也有容量价值。减少污染物和温室气体的排放。通过风力发电所能节省的燃料、容量和排放费用，可以计算出风力发电的价值。,t课件,风力发电装置风力发电装置包括风轮机（风力机）、传动变速机构和发电机三个主要部分。其中风轮机是发电装置的核心，风轮机大体上分为两种： 桨叶绕水平轴转动的翼式风轮机 桨叶绕垂直轴转动的风轮机 实际上，目前并网发电的风轮机主要是三叶式绕水平轴转动的翼式风轮机。,t课件,水平轴的翼式风力发电装置主要由以下几个部分组成：叶轮。也称风轮，将流体的运动动能转换成轴功向外传递。叶片的设计需要满足几项要求：对特定的风速具有最大的转换效率；最大功率输出在限制范围内，以保护发电机；可承受最大风荷和长期疲劳负荷；避免出现共振；质量小，价格低。,t课件,偏转机构和风向标 风速不断变化，风轮叶片正对来风方向，才能输出最大的风能。小型风轮机用尾舵来调整方向，大型风轮机普遍采用偏转机构对风轮方向进行精确控制。传动机构 一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴节和刹车装置。齿轮箱是风力发电机组最重最昂贵的部件，因此，很多工程师都在努力探索和研制由风轮机直接驱动的低速发电机。,t课件,塔架 风速随着高度的增加而增大，因此较高的塔架可以是风轮机获得更多的风能。发电机 为了与电网频率保持一致，通常的发电机组采用：恒速恒频系统，利用风能的份额小；变速恒频系统，是目前风能发电的重要发展方向。风速仪和控制器 在风速范围内控制器进行风轮机转速调节，如风速达到或超过启动风速，控制器启动风轮机；如风速达到或超过切出风速，控制器关闭风轮机。,t课件,三、风电场,建设风电场除了要考虑风速条件外，还要综合考虑场地状况、道路状况、接入电网的条件等因素。一个完整的风电场项目，一般包括以下几个步骤:风电场选址项目可行性评估项目准备风电场建设风电场运行和维护风电场退役、场地恢复,t课件,风电场选址 一般需要考虑以下一些因素：风能资源。主要考虑年平均风速，风速频率，年发电量和容量系数。 容量系数：发电机组的年度电能净输出，与风电机组额定容量与全年运行8760h的乘积比值称为风电机组的容量系数。,t课件,风电场场地状况 场地应该开阔，地质条件好，便于大规模开发。交通运输方便并网条件好 距离电网越近，并网投资越少，线损和压降也越小。不利气象条件和环境的影响 这些不利因素可能影响发电机组的寿命。土地征用和环境影响,t课件,风力发电机组选型和布置 风力发电机组的选型单机容量越大，风能利用越高，但是，单机容量增大的同时价格也随着增加，大容量的机组技术投入多而产量较小，成本偏高，所以总体来看，风力发电机组的单机容量价格随着单机容量的变化呈U字形曲线，国内目前性价比较高的仍然是兆瓦级以下的机组。但单机大容量仍然是发展趋势。,t课件,风力发电机组的布置首先根据风能玫瑰图确定主导风向，风力发电机组排列应与主导风向垂直。对于开阔、平坦的场地，上游风力发电机组会对下游风力发电机组产生干扰，风力发电机组可以布置成有利于加大风速的地形，采用单排布置或者多排差排布置方式。,t课件,风力发电机组的运行和安全性风电场中的风力发电机组在工作期间可能处于如下状态之一：正常工作状态暂停状态停机状态紧急停机状态 每种工作状态都可看作是风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧急故障状态处在最低层次。,t课件,运行控制系统是风力发电机组的常规控制系统，此外，还有一套独立于运行控制系统的安全系统。安全系统的任务是在出现严重问题或检测到潜在严重问题时保护风力发电机组，使之处于安全状态。保护动作通常是紧急刹车，使风轮机停止工作。安全系统必须独立于控制系统，而且具有高度的可靠性和自动故障免除性。为了保证安全，必须配备两套以上的刹车系统，而且各自的工作方式和动力源必须不同。,t课件,风电对电网运行的影响风速和风向总是随机变化，因此风能的特点是具有不稳定性，使得风电场的输出功率有波动性，从而影响局部的电能质量。风电容量到达一定程度后，会引起电压不稳，特别电网较大波动的时候，可能导致风力发电机组从电网解链，严重时甚至导致电网瓦解。,t课件,风力发电对电网的不利影响可以通过超导储能技术加以改善。超导储能系统是一种新的储能方式，代表着柔性交流输电技术的发展方向，也可以吸收或释放有功和无功，快速相应电网系统的需求信号。相对与一般发电厂，风电场风力发电机一般采用异步机，需要吸收电网无功来建立磁场，从而在并网后对局部电网的电压水平有明显的影响。,t课件,第三节 风轮机的基本理论,一、理想风轮机的能量利用1919年，德国物理学家贝兹首次提出贝兹法则：如果采用风轮机，只能把不足16/27的风的动能转化成机械能。假设风轮是理想的，且由无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力。此外，假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流通过风轮前后的速度方向为轴向。理想的风轮的气流模型如图所示。,t课件,t课件,t课件,t课件,这就是著名的贝兹理论，他说明风轮从自然界中获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，损失部分可解释为留在尾迹中的气流旋转动能。,t课件,二、风轮机的空气动力特性风能利用系数Cp 风能利用系数定义为风轮机的风轮能够从自然风能中吸收的能量与输入风能之比。风能利用系数可表示为,t课件,理想的风能利用系数Cp的最大值是0.593，即贝兹理论的极限值。Cp值越大，表示风轮机能够从自然界中获得的能量百分比越大，风轮机的效率越高，即风轮机对风能的利用率也越高。对实际有用的风轮机来说，风能利用系数主要取决与风轮叶片的气动和机构设计及制造工艺水平。如高性能螺旋桨式风力机，其Cp值一般是0.45，而阻力型风轮机只有0.15左右。,t课件,叶尖速比,t课件,风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线构成风轮机空气动力特性曲线,t课件,三、风轮机的设计风轮机的工程设计是根据功率要求，安装选用的叶轮形式和相应的风轮机特性曲线，计算风轮的半径和转速。,t课件,t课件,设计步骤：（1）根据风轮机特性曲线查取最优风能利用系数和叶 尖速比配合（2）由Cp确定风轮机半径（3）确定风轮机转速,t课件,四、风轮机的结构和能量控制 风轮机的机构 风轮机设备的主要结构包括：风轮机桨叶：通常采用个或两个桨叶。轮毂：桨叶安装在轮毂上，轮毂与低速轴相连接。低速传动轴：转速通常较低，内部的液压传动系统与轮毂内的液压装置相连用于调节桨叶。齿轮箱：与低速轴和高速轴相连接高速轴：通常转速在1500r/min左右，与发电机相连，配有刹车装置。机械刹车装置：用于制动，必要时用于调节转速。,t课件,风力发电机机舱内的组成,t课件,发电机：输出电压一般为690V,发电功率在5001500kW,并朝大容量方向发展。电子控制装置：监测风轮机运行状况，并自动实现偏转调节，故障时实现自动停机。冷却系统：冷却发电机。机塔：用于支撑风轮机。通常高度越高，风速越大，风况越好，需要更高的机塔。偏转装置：保持风轮机在迎风方向。风速风向测量系统：与控制装置相连，实现风轮机切入和切出的启停控制。,t课件,风轮机的能量控制 风轮机的设计思想是尽可能便宜的产生电能。风轮机的设计是基于目标风场的风速条件，因此风轮机一般被设计成在风速为815m/s时具有最佳的性能，即有最大的电能产出。而不是花费心思把风机设计在强风是有最多电能产出，因为强风天气不多见。因此在强风天气时必须浪费多余风能，以免破坏风机。所以风机设计有能量控制装置，安全控制方式有如下几种。,t课件,可调契角控制风轮机 通过监测风力发电机的电能输出，调节桨叶，使桨叶一次轻微地转过一个角度，改变迎风面积，实现能量控制。这种方式通常采用液压驱动装置进行调节。被动失速控制风轮机 被动失速控制风轮机的桨叶被固定，契角不可变。通过适当设计风轮机的桨叶，根据空气动力学原理，当实际风速达到某一特点值时，开始出现失速。该方式避免使用复杂的控制系统调节桨叶，但同时出现了复杂的气体动力学设计难题。,t课件,主动失速控制风机 越来越多的大型风机在发展主动失速控制装置。在低速时为了有足够大的力矩，采用和可调契角同样的控制方式；当风速增大，发电机将要超负荷时，则与可调契角控制方式相反，而是通过主动方式达到桨叶失速，它比被动失速方式更能精确控制能量输出，另一方面优点是它能在强风天气保持额定功率运行，而失速型通常因为失速而使电能输出降低。它同时也带来了投资成本和维护费用的提高。,t课件,其他能量控制方法 一些老式的风轮机用叶片上的副翼控制转子输出的能量。一般飞机上都装有副翼，通过副翼的转动可以改变机翼的几何形状，从而在飞机起飞时提供更多的升力。,多翼式风力机,t课件,另一种在理论上可行的办法是使风轮机偏离迎风方向，减小风能输入。偏离控制技术只应用在小型机组上，因为偏离会使转子受周期性变化的力，最终会破坏整个风力发电结构。,t课件,当风速达到启动风速是，风轮机开始运行，带动发电机发电。随着风速增加发电机的功率开始增加。达到设计风速时，风力发电机可以达到额定功率。当风速进一步增加时，风力发电机的能量控制开始工作，是发电机不会超负荷，而是在额定点附近工作。如果风速进一步增大超过了能量控制调节的范围，风力发电机就会实施停机保护。,典型的风力发电机的输出功率曲线,t课件,第四节 风电机组的并网技术,变速恒频风力发电系统的出现早期风电系统中大多采用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后来的变速恒频系统所取代。变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。可按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从而提高机组发电效率,优化风力机的运行条件。,一、变速恒频风力发电系统,t课件,变速恒频风力发电系统结构风力机把风能转化为动能。齿轮箱将风力机的低转速转化为发电机运行所需高转速。发电机把风力机输出的机械能转变为电能。发电机侧变流器将发电机发出的变频交流转换为直流。直流环节的电压控制一般为恒定。网侧变流器使直流电转变为三相正弦波交流电，并能有效的补偿电网功率因数。变压器把电能变为高压交流电。,t课件,变速恒频风力发电系统结构,t课件,变速恒频风力发电系统分类 在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风电系统：永磁直驱风力发电系统绕线转子型异步双馈风力发电系统异步电机风力发电系统无刷双馈风力发电系统 目前应用较为广泛且较有发展前景的主要是双馈式和永磁直驱式。永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重要方向。,t课件,缺点 永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁性，并且电机的功率因数不可控。,永磁直驱风力发电系统优点 风轮与永磁同步发电机直接相连，无需升速齿轮箱。 转子为永磁式结构，无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高了效率。 转子上没有滑环，运行更加安全可靠。,t课件,绕线转子型异步双馈风力发电系统优点 减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要控制转子滑差功率。 减小逆变器和电磁噪声滤波损失。 在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性和可靠性。,缺点 就是双馈电机使用滑环，需要定期维修，这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。,t课件,异步电机风力发电系统优点 异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。 整流器可产生用于电机的可调励磁。快速瞬态响应。 当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿器。,缺点 复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。 为满足电机磁场需要，定子侧变流器容量要比额定功率高3040%。,t课件,无刷双馈风力发电系统这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。,同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。,t课件,变速恒频机组的控制,变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段:起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控制。在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速的变化，从而获取最大的能量。 功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下。,t课件,变速恒频风力发电机组的主控制框图,t课件,根据变速风力发电机组在不同区域的运行将基本控制策略确定为：低于额定风速时，通过对变频器进行控制，从而控制发电机的电磁转矩，以改变发电机的转速，从而能在在变速运行区域跟踪曲线，风力发电机受到给定的功率-转速曲线控制，获得最大能量。风力机在高于额定风速时，进入功率恒定区，通过对桨距角和发电机的电磁转矩的控制，跟踪曲线，并保持输出稳定。,t课件,二、基于双PWM的永磁直驱式 风力发电系统的并网控制 永磁直驱式风力发电系统交-直-交变频系统 由于风速的随机性，输入到发电机的能量也在不断地变化，然而，同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，不可直接并网。现在一般采取的方法是在同步发电机和电网之间采用交-直-交变频系统，使得这一问题得到解决，该系统有以下优点：,t课件,由于采用交-直-交变频系统，使发电机组工作频率与电网频率相互独立，因此不必担心并网时可能出现的失步问题。发电机可以运行在不同转速下，最大限度地捕捉风能。 采用变频装置进行输出控制，并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。,t课件,基于双PWM的永磁直驱风力发电系统,采用PWM整流器可以对功率因数进行控制，从而降低了发电机的铜耗和铁耗，并且PWM整流器可提供几乎为正弦的电流，因而减少了发电机侧的谐波电流。直流环节并有一大电容，可维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。通过控制系统的控制，将永磁电机发出的变频变幅值电压通过网侧逆变器转化为可用的恒频电压，并达到俘获最大风能的目的。,t课件,基于双PWM的永磁直驱风力发电系统,t课件,永磁直驱变速恒频风力发电系统控制,t课件,控制方法对于发电机侧的整流器，在同步旋转(d,q)坐标系中采取电流矢量解耦控制，从而可以独立控制有功无功电流，实现无静差控制。控制结构如前图所示,采用速度外环，电流内环双环控制方式。其中外环速度参考值由最大功率点跟踪算法得出,它根据发电机实际转速和输出有功功率的变化得出一个最优的参考速度，发电机在该转速下运行便能获得最大的能量。,t课件,参考速度w*与实际电机速度w相比较，通过比例积分 控制器得到有功电流参考iq*。令无功电流参考id=0，由于发电机转矩T=kiq，即发电机电磁转矩与有功电流iq成正比，可以通过调节iq跟从iq*来控制发电机转矩，从而改变发电机转速w，保证发电机转速为给定的最优转速的w* 。,t课件,通过逆变器控制，保持了直流电压的恒定，使其能稳定的向电网输送电能，并且通过电流内环解耦控制，逆变器输出电流与电网电压的频率始终为一致，在电网正常运行时，当无功需求为0时能保持功率因素为一，并且在特殊情况时能向电网提供无功功率。其中给定直流电压Ud*与实际检测到的直流连接环电压Ud相比较，所得误差信号经比例积分控制器调节产生有功参考电流iq*，而无功功率外环产生无功电流id*。电压环外环控制直流电压稳定，可以使逆变器稳定地向电网传输功率，而无功功率环控制逆变器输出无功功率，从而满足电网对于无功功率的要求。电流内环依然采用基于旋转坐标轴的解耦控制，采用比例积分调节器作为电流环的控制器。,t课件,通过电流内环的调节作用可得到控制整流器所需的电压信号，采用SPWM调制法对其进行调制，即信号波与三角载波进行比较得开关信号Su,Sv,Sw对IGBT开关进行关断和开通，即可实现控制目的。也可以采用空间矢量PWM调制法(SVPWM)对其进行调制。无论是在减小电动机电流谐波损耗，消除转矩波动，提高控制系统性能，还是从逆变器直流侧电压利用率方面看，采用空间矢量方法调制都具有明显的优势。采用Matlab7.0中Simulink根据PWM整流器的数学模型以及控制模型对系统进行建模仿真。取仿真参数为电机侧交流电压为500v，频率为10赫兹，给定直流电压U*为1300v，电网侧交流电压为220V，频率为50赫兹。,t课件,在PWM控制下实际的直流电压Udc迅速跟从给定的Udc*=1300V，保持了直流连接电压为恒定值。,仿真结果,t课件,发电机输出的电压Ueu和电流ieu，其频率为10赫兹，从图中可以看出，通过0.06秒时间的调节，电流迅速稳定下来，与发电机输出电压相位保持一致，即发电机侧的功率因数为1。,t课件,电网侧输出电压Usa和输出电流isa，由图可以看出，经过逆变器的控制，输出电流由原来的10赫兹变为50赫兹，与电网频率完全同步，并且同电网电压相位也保持一致，功率因数控制为一。,t课件,在00.1秒时，电网侧给定交流电流的幅值大小为给定is*=20A，在0.1秒以后，突然变化为25A。从图可以看出当给定is*发生变化时，通过直接电流PWM控制，电网电流的幅值能即时从20A变化到25A，跟从给定电流的变化，具有非常好的调节效果。,t课件,影响随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网的影响也越来越受到人们的广泛关注。风力发电原动力是不可控的，它的出力大小决定于风速的状况。从电网的角度看，并网运行的风电机组相当于一个具有随机性的扰动源，会对电网电能质量和稳定性等方面造成影响。 (1) 电压波动和闪变 (2) 谐波污染问题 (3) 对电网稳定性的影响,三、风电并网对电网的影响,t课件,改善风力发电并网性能的一些措施静止无功补偿器(SVC) 利用静止无功补偿器(SVC) 减小风力发电功率波动对电网电压影响。风电场是一个发出有功功率、吸收无功功率的特殊元件, 风电场的电压往往很低,利用SVC改善系统电能质量和提高系统的稳定性是一个有效的措施。目前TRC- FC型SVC在国内外风电场已得到了广泛的应用。 有源电力滤波器(APF) 近年来,采用电力晶体管(GTR) 和可关断晶闸管(GTO) 及脉宽调制(PWM) 技术等构成的有源滤波器, 可对负荷电流作实时补偿，有效地抑制了电压波动和闪变。,t课件,超导储能装置(SMES) 通过采用基于GTO的双桥结构换流装置, SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率, 为系统提供功率补偿, 跟踪电气量的波动。充分利用SMES有功无功综合调节能力, 可以降低风电场输出功率的波动, 稳定风电场电压, 提高系统的稳定性。SMES是一种有源的补偿装置，与SVC相比其无功补偿量对接入点电压的依赖程度小，在低电压时的补偿效果更好。,t课件,t课件,t课件,t课件,t课件,t课件,Thank you for your attention!Any question?,t课件,