新能源转换与控制技术惠晶方光辉第3章节风能风力发电与控制技术.ppt

Page Page 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 感性认识：各式风机 3.1 风的特性及风能利用 3.1.2 风的特性与风能 3.1.3 风的表示及应用 1、风向 2、风速 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。 3、风力 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。 4、风能 （1） 风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。 表达式为： 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 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。 （1）独立运行的风力发电机组 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： a.荷兰式 b.农庄式 c.自行车式 d.桨叶式 2、垂直轴风力机： a.萨窝纽斯式 b.达里厄式 c.旋翼式 3.2.3 风力机的气动原理 现分析风轮不动时受到风吹的情况： 当风以速度矢量ν 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力 F ，力 F 可以分解为与相对风速方向平行的阻力 FD 和垂直于风向的升力 FL ，升力使风力机旋转，实现能量的转换。 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： 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。 在桨距角一定时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所示。 3.2.4 风力发电机 1、 独立运行风力发电机组中的发电机 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。 （1）直流发电机 直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。 （2）永磁式交流同步发电机 永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。 （3）硅整流自励式交流同步发电机 如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。 硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。 （4）电容自励式异步发电机 电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。 并网运行的风力发电机组中所用的发电机 （3）双馈异步发电机 双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。 双馈异步发电机工作原理： 异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为： 式中 f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速； p——发电机的极对数； n——转子的转速（r/min）； f2——转子电流的频率（H