风力发电概念及基本特征[精选].doc

风力发电概念及基本特征 一、风力发电概念 风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。 风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。 风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。 中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300W/m2以上，3-20米/秒的风速年累计超过6000小时。内陆风能资源最好的区域是沿内蒙古至新疆一带，风能密度也在200-300W/m2，3-20米/秒风速年累计5000-6000小时。 风力发电是指利用风力发电机、风力发电系统结构 风力发电机是集空气动力、电机制造、液压传动和计算机自动控制为一体的综合性技术。大致由以下几个子系统组成：桨叶、增速齿轮箱、发电机、塔架控制设备、电缆、地面支撑设备、各子系统连接设备。 风轮是将风能转换为机械能的装置，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起。由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。其中风电机组的整体设计、叶片的材料和加工技术、自动化控制系统、液压和传感技术是风机制造的关键。 风机是基本的风能转换设备，按主轴装置形式大致可分两大类：垂直轴风力机（转轴与来流方向垂直）、水平轴风力机(转轴与来流方向平行)。目前较常用的大型机组为水平轴风力发电机，其主要有定桨距失速调节型和变桨距调节型两大类。 图表 1：风力发电机构成图 （二）风电机组 风电机组是风电系统的最主要的部分。机组占风电场初始投资的比例非常大，一般为60%-70%。这也是国家强调尽快使得风电机组国产化的原因。 在控制系统和保护系统方面广泛用电子技术和计算机技术不仅可以有效地改善并提高风力发电总体设计能力和水平，而且对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有重大作用。目前市场份额最大的风电机组主要分两类，一类是定桨距失速调节型，另一类是变桨距调节型，上述两类风电机组都采用异步发电机，转速基本上是固定的。1．定桨距失速调节型风力发电机 定桨距是指叶片被固定安装在轮毂上，其桨距角（叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角）固定不变，失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性（当风速高于额定值时，气流的攻角增大到失速条件、使桨叶的表面产生涡流，效率降低，以达到限制转速和输出功率的目的）。这种技术是丹麦风电制造技术的核心优点是调节简单可靠，控制系统可以大大简化，其缺点是叶片重量大（与变桨距风机叶片比较），轮毂、塔架等部件受力增大。这种风电机基本上都采用了鼠笼型转子，有一部分机组为了提高低风速时段的发电效率，采用了变极技术。 2变桨距调节型风力发电机 变桨距是指安装在轮毂上的叶片可以借助控制技术改变其桨距角的大小。其调节方法分为三个阶段：第一阶段为开机阶段，当风电机达到运行条件时，计算机命令调节桨距角，直到风电机达到额定转速并网发电；第二阶段当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在零位置不变；第三阶段当发电机输出功率达到额定后，调节系统即投入运行，当输出功率变化时，及时调桨距角的大小，在风速高于额定风速时，使发电机的输出功率基本保持不变。 变桨距调节的主要优点是：桨叶受力较小，桨叶可以做的比较轻巧。由于桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的捕获风能，多发电力，又可以在高风速时段保持输出功率平稳，不致引起异步发电机的过载，还能在风速超过切出风速时通过顺桨（叶片的几何攻角趋于零升力的状态）防止对风力机的损坏，这是MW级风力发电机的发展方向。其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 风的随机性和间歇性特点使风电机的出力变化很大，这样机组的动态负荷增加，对电网的冲击增大。为此，可通过增大异步发电机允许滑差率的办法加以解决。鼠笼型异步发电机允许的滑差率为S=-1%～-5%。而绕线式异步发电机允许的滑差率为S=-1%～-10%，滑差率的增大相当于在定、转子间增加了一个弹性环节，对于减少功率波动，提高供电质量是非常有利的。 以上两种异步发电机，尽管带一定滑差运行，从切入风速（3-4m/s）到切出风速（25m/s），发电机的转速变化最大可达10%，如增速齿轮的变速比为60：1，则实际运行中滑差S是很小的，因而叶片转速变化范围也是很小的