新能源转换与控制技术-风力发电(本科)-樊

第1章新能源转换与控制技术导论1机械工业出版社本章主要内容3.1风的特性及风能利用3.2风力发电机组及工作原理3.3风力发电机组的控制策略3.4风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5风力发电的经济技术性评价第1章新能源转换与控制技术导论2机械工业出版社绪论在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。第1章新能源转换与控制技术导论3机械工业出版社感性认识：各式风机第1章新能源转换与控制技术导论4机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论5机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论6机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论7机械工业出版社3.1风的特性及风能利用3.1.1风的产生风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1地球上风的运动第1章新能源转换与控制技术导论8机械工业出版社3.1.2风的特性与风能1、风的表示法（1）风向的表示法东西北南南南风南东东南东北北东东北东北东西北西北北西北西南南西西南西南西SSEESEESENNEENENESNNNWNWWN风吹来的地平方向定为风的方向。风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。观测风向的仪器，目前使用最多的是风向标。图3-2风向方位图第1章新能源转换与控制技术导论9机械工业出版社（2）风速的表示法由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。国际上的单位为m/s或km/h。第1章新能源转换与控制技术导论10机械工业出版社（3）风速与风级风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。505.1N824.01.0N风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平均风(m/s)；N——风的级数。第1章新能源转换与控制技术导论11机械工业出版社2、风的特性（1）风的随机性风的产生是随机的，但可以根据风随时间的变化总结出一定的规律。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中夜里风强，白天风弱，这个逆转的零界高度为100~150m。我国大部分地区风随季节变化的情况是：春季最强、冬季次之、夏季最弱。（2）风随高度的变化而变化第1章新能源转换与控制技术导论12机械工业出版社不同高度风速的表达式：khhvv00式中ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。为了从自然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风能，一般至少比周围的障碍物高10m左右。第1章新能源转换与控制技术导论13机械工业出版社3、风能（1）风能密度空气在1s内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：35.0E（2）风能空气在1s内以速度ν流过面积为S截面的动能。表达式为：SvESW35.0（3）风能的特点优点：蕴量巨大、可再生、分布广泛、没有污染缺点：密度低（只有水力的1/816）、不稳定、地区差异大第1章新能源转换与控制技术导论14机械工业出版社3.1.3风能的利用风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，一般利用风推风车的转动以形成动能。风能风力机风帆机械泵发电机发热装置水空气油直流电交流电整流抽水蓄能压缩空气液压电动机电解制氢蓄电池电网热能涡轮机机械负载涡轮机逆变发电机供暖、供热水灌溉交、直流电能负荷助航第1章新能源转换与控制技术导论15机械工业出版社3.2风力发电机组及工作原理3.2.1风力发电机组的结构及分类1、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。第1章新能源转换与控制技术导论16机械工业出版社从风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按运行方式水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）独立运行和并网运行第1章新能源转换与控制技术导论17机械工业出版社2、风力发电机组的结构风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。第1章新能源转换与控制技术导论18机械工业出版社（1）独立运行的风力发电机组发电机尾舵充电控制器畜电池组逆变器电缆风轮支架水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结构第1章新能源转换与控制技术导论19机械工业出版社并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示。风轮增速器交流发电机主继电器主开关变压器转速测量晶闸管熔断器定桨距或变桨距风速测量控制系统功率测量电容补偿电网（2）并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图第1章新能源转换与控制技术导论20机械工业出版社并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成。（3）大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的基本结构第1章新能源转换与控制技术导论21机械工业出版社3.2.2风力机风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：旋转轴与地面呈水平状态a.荷兰式b.农庄式c.自行车式d.桨叶式a)c)b)d)图3-9水平轴风力机第1章新能源转换与控制技术导论22机械工业出版社第1章新能源转换与控制技术导论23机械工业出版社水平轴风力机的技术参数主要有：风轮直径：功率越大，直径越大叶片数量：高速风力机2~4片，低速风力机大于4片风能利用系数：0.15~0.5起动风速：3~5m/s停机风速：15~35m/s输出功率：几十W至几MW第1章新能源转换与控制技术导论24机械工业出版社2、垂直轴风力机：旋转轴垂直于地面a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式a)b)c)图3-10垂直轴风力机第1章新能源转换与控制技术导论25机械工业出版社风向改变时无需对风，其设计、制造、安装、运行都比水平轴风力机简单方便。之前普遍认为垂直轴风力机自启动能力差，叶尖速比低，风能利用效率低，所以发展比较滞后。第1章新能源转换与控制技术导论26机械工业出版社3.2.3风力机的气动原理现代风力机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。第1章新能源转换与控制技术导论27机械工业出版社如果将一块薄板翼形放在气流中且与气流方向平行，由于翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，上下表面间的压差产生垂直于气流方向的升力。1、翼形和受力第1章新能源转换与控制技术导论28机械工业出版社当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。第1章新能源转换与控制技术导论29机械工业出版社3、风力机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：3Pa21vACP对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比λm，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比λm不变。第1章新能源转换与控制技术导论30机械工业出版社4、风力机的调节与控制风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。（1）风力机的定桨距调节与控制定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。第1章新能源转换与控制技术导论31机械工业出版社在流体力学中，失速是指翼型气动攻角增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。第1章新能源转换与控制技术导论32机械工业出版社基本原理：当桨距角固定不变时，随着风速的增加，增加到高于额定风速时，气流的攻角增大，气流与翼型分离，上下翼面压力差减小，致使阻力增加，升力减小，造成失速条件，其效率降低，从而达到限制功率的目的。优点：结构简单、性能可靠、部件小、造价低。缺点：机组的整体效率较低。解决措施：采用设计有两个不同功率、不同极对数的双速异步发电机。第1章新能源转换与控制技术导论33机械工业出版社（2）风力机的变桨距调节与控制变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（0～90º）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。第1章新能源转换与控制技术导论34机械工业出版社①起动时的转速控制变桨距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动。在发电机并入电网之前，给定变桨距系统一个转速参考值，根据转速参考值和反馈的转速信号比较来调整桨距角，进行速度闭环控制。第1章新能源转换与控制技术导论35机械工业出版社②额定转速以下（欠功率状态）的不控制发电机并网后，当风速低于额定风速时，发电机运行于额定功率以下的低功率状态，称为欠功率状态。早期的变桨距风力发电机组对此状态不作控制，控制器将叶片桨距角置于附近，不作变化，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。0第1章新能源转换与控制技术导论36机械工业出版社③额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。第1章新能源转换与控制技术导论37机械工业出版社00风速风速功率功率额定风速额定风速额定功率额定功率a）变桨距风力发电机组的功率曲线b）定桨距风力发电机组的功率曲线由图可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。第1章新能源转换与控制技术导论38机械工业出版社3.2.4风力发电机在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的