第三部分风力发电技术.

1180年，西欧，水平轴风车历史上第一个确证的风车：阿富汗，公元644年，直立轴，谷物磨坊16世纪：荷兰风车，通过转动风车的上部来跟踪风向1792：Jealousie叶片，可以调节输出功率和转速人类利用风能的历史已有几千年。图片来源：中国-德国技术合作项目“中国风电中心“PowerFactory培训兆瓦级大型原型机的研究，所有的原型机存在可靠性差的问题，没有取得成功。1987年初：全世界约15000台风电机组，总装机容量共1400MW（40%为丹麦生产）1990s，丹麦概念（DanishConcept）的风机占统治地位6截至2011年累计装机容量德国是欧洲风电发展最快的国家，至2010年，德国风电累计装机容量达到了2.7214万兆瓦，占全球总量的14%，其风电的年发电量，已占全国电力年需求量的7％左右。丹麦是世界风电利用比例最高的国家，风电已能满足全国28％电力需求。中国是欧美之外，风电发展最快的国家，截至2011年，风电总装机容量已超过62万kW，占全球总容量的26.3%，居世界第一位。数据来源：GWEC（GolbalWindEnergyCouncil）德国风电分布装机容量[MW]德国陆地最大风电场装机容量50－60MW，就地分散接入110kV以下配电网的容量约占总量的70%。1989德国风电分布1993德国风电分布1997德国风电分布风电容量18,300MW占欧洲50%风电容量，世界30%。2005德国风电分布按照最新统计结果，中国2011新增18GW，累计62GW，占全球总容量的26.3%近年来，随着风电机组技术的发展以及风电发展较快国家陆上风资源开发余地变小，风电场开始向海上风电场发展。丹麦HornsRev1海上风电场•160MW(80x2MW),双馈感应发电机(Vestas)•2002年夏季开始运行海上风电场变电站•美国2030年风电发展目标•美国能源部2008年5月公布的计划，到2030年风电装机将达到3亿千瓦，将满足美国20%的电力需求。•欧盟2030年风电发展目标•风电装机将达到3亿kW，其中50%是海上风电，750万千瓦是重建项目，欧洲电力消费的25%将由风电提供。风能将成为欧洲的主要替代能源。•全球2020年风电发展目标•预计2020年全球总装机容量将达到11.5亿kW，风力发电超过2800TWh，约占全球电力需求的12%；2030年装机容量将超过25亿kW，风电发电量达6600TWh，约占全球电力需求的23%。20风能资源区划分大约相当于中国目前电力装机总量。风电政策：风力发电标杆上网电价•2007年9月国家和发改委发布《可再生能源中长期发展规划》，提出到2020年，全国风电总装机容量目标是3000万千瓦•2011年的中国总装机容量6273万千瓦2525工作风速风力机并不是在所有风速下都能正常工作。“切入风速”“额定风速”“切出风速”2626风能利用系数风力机能够从风中吸取的能量，与风轮扫过面积内的全部风能(未受风轮干扰时)之比，称为风能利用系数。Cp根据贝茨理论，风力机的风能利用系数的理论最大值是0.593。272019/12/1927取自风能的功率风力机捕获风能转变为机械功率：3mppwC0.5CAwPPv＝P为风轮输出的功率；为风轮的功率系数；A为风轮扫略面积；ρ为空气密度；ν为风速；R为风轮半径。2RAPC按风力发电机的功率分类（1）微型风力发电机：额定功率为50～1000W（2）小型风力发电机：额定功率为1～10kW（3）中型风力发电机：额定功率为10～100kW（4）大型风力发电机：额定功率大于100kW风力发电技术根据桨叶构造分类：定桨变桨根据发电机技术：普通感应电机双馈电机永磁同步电机轮毂叶片机舱塔架世界上最大的风电机组（Repower5M双馈感应电机变速风电机组）其叶片直径126米，机舱重量400吨，轮毂高度100-120米。世界上最大的风电机组之一（Repower5M双馈变速风电机组）德国：Repower公司额定容量：5MW变桨距控制变速风机(双馈电机)叶片直径：126m机舱重量：400T轮毂高度：陆上：100-120m海上：90-100m图片及资料来源：世界上最大的永磁同步直驱电机EnerconE-112德国：Enercon公司额定容量：5MW变桨距控制变速风机(直驱电机)无齿轮箱通过变频器接入电网叶片直径：114m机舱重量：400T轮毂高度：124m图片来源：中国-德国技术合作项目WindGuard培训风机参数：双馈风力发电机整体结构叶片轮毂导流罩主轴承大轴齿轮箱发电机主控柜偏航系统刹车系统液压系统双馈异步风力发电机系统的特点连续变速运行，风能转换率高；部分功率变换(约三分之一），变流器成本相对较低；电能质量较好（输出功率平滑，功率因数高）；并网简单，无冲击电流；降低桨距控制的动态响应要求；改善作用于风轮桨叶上机械应力状况；双向变流器结构和控制较复杂；电刷与滑环间存在机械磨损。-双馈风机•低速直驱永磁同步发电机–同步风机•1、风电场有功功率控制和斜率控制–基本要求一是控制最大功率变化率;二是在电网特殊情况下限制风电场的输出功率。–a)电网故障或特殊运行方式下要求降低风电场有功功率，以防止输电设备发生过载，确保电力系统稳定性；b)当电网频率高于50.5Hz时，依据电网调度部门指令降低风电场有功功率，严重情况下可以切除整个风电场；c)在事故情况下，若风电场的运行危及电网安全稳定，电网调度部门有权暂时将风电场解列。风电场装机容量(MW)10min最大变化量（MW）1min最大变化量（MW）3020630~150装机容量/1.5装机容量/515010030•2、风电场无功功率控制和电压控制风电场为电网提供无功的能力尤其重要。如果没有无功，或无功注入点之间的距离太远，电网电压会恶化，甚至可能导致电压崩溃。要求风电场功率因数能够在一定范围内调节，以确保风电场在任何情况下能够支撑系统电压。–风电场在任何运行方式下，应保证其无功功率有一定的一调节容量，该容量为风电场额定运行时功率因数0.98(超前)~0.98(滞后)所确定的无功功率容量范围；百万千瓦级及以上风电基地，其单个风电场无功功率一调节容量为风电场额定运行时功率因数0.97(超前)~0.97(滞后)所确定的无功功率容量范围。–当风电场并网点的电压偏差在-10%~+10%之问时，风电场内的风电机组应能正常运行；风电场应当能够在其容量范围内，控制风电场并网点电压在额定电压的-3%~+7%。•3、风电场运行电压和频率允许偏差–对风电机组运行电压要求是:当风电场并网点的电压质量指标满足国家相关标准规定时，风电场内的风电场机组应该能够正常运行。–对风电场运行频率的其体要求有以下几点:电网频率范围要求低于48Hz根据风电场内风电机组允许运行的最低频率而定。48Hz~49.5Hz每次频率低于49.5Hz时要求至少能运行10min49.5Hz~50.5Hz连续运行50.5Hz~51Hz每次频率高于50.5Hz时，要求至少能运行2min;并且当频率高于50.5Hz时，风电场须执行电网调度部门下达的高周切机策略，不允许停止状态的风电机组并网高于51Hz根据电网一调度部门的指令限功率运行。•4、风电场低电压穿越低电压穿越能力(LVRT)，是指风电场在电网发生故障时及故障后，保持不间断并网运行的能力。理想情况下，除不切机外，低电压穿越还包括风电机组向电网发送无功，在电压降落情况下帮助恢复电压的能力。•5、风电场的电能质量–(1)风电机组和风电场电能质量测试与评估方面按照EEC61400-21标准执行。–(2)风电场在公共连接点引起的电压变动应当满足相关的要求。–(3)风电场所接入的公共连接点的闪变干扰值应满足GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变》的要求，其中风电场引起的长时间闪变值短时间闪变值已按照风电场装机容量与公共连接点上的干扰源总容量之比进行分配。–(4)当风电场采用带电力电子变换器的风电机组或无功补偿设备时，需要对风电场注入系统的谐波电流作出限制。•6、风电场通信与信号(1)风电场与电网调度部门之间的通信方式、传输通道和信息传输由电网调度部门作出规定，包括提供遥测、遥信信号以及其他安全自动装置的种类，提供信号的方式和实时性要求等。(2)在正常运行情况下，风电场向电网调度部门提供的信号至少应当包括以下几点:单个风电机组运行状态;风电场实际运行机组数量和型号;风电场并网点电压;风电场高压侧出线的有功功率、无功功率和电流;高压断路器和隔离开关的位置;风电场的实时风速和风向。(3)在风电场发生故障时，要进行故障信息记录与传输。在风电场变电站安装故障记录装置，记录故障前10s。到故障后60s的情况。该记录装置应一该包括必要数量的通道，并配备至电网调度部门的数据传输通道。•7、风电场和风电机组模型–首先，要求风电场提供风电场机组、电气汇集系统以及风电机组、风电场控制系统的有关模型及参数，用于风电场接入电力系统的规划、设计和调度运行。–其次，要求风电场跟踪风电场各个元件模型和参数的变化情况，向电网调度部门反馈最新情况，以利于电网和风电场的安全稳定运行。•8、风电场接入电网检测–a)有功/无功控制能力检测。–b)电能质量检测，包含电压变动、闪变与谐波。–c)单个风电机组低电压穿越能力的测试，及基于仿真的风电场低电压穿越能力的验证。