新能源转换及控制技术-风力发电(本科) 樊.ppt

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 1、风的表示法 （1）风向的表示法 （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。 风速频率，即一定时间内某风速时数占各风速出现总时数的百分比。 （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。 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： 3.1.3 风能的利用 风能资源的利用，取决于风能密度和可利用风能年累积小时数。按照有效风能密度的大小和3-20m/s风速全年出现的累积小时数，我国风能资源的分布可划分为4类区域。 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： 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 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 3.2.3 风力机的气动原理 1、翼形和受力 （1）风力机在静止情况下的受力情况 （2）风力机在转动情况下的受力情况 2、风力机的特性系数 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： 4、风力机的调节与控制 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。 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。 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。 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。 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