風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)課件

1、北京大學(xué)出版社1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用 主編：范海寬副主編：聶晶北京大學(xué)出版社2 第四章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社34.1 系統(tǒng)組成 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：風(fēng)輪、調(diào)向裝置、調(diào)速(限速)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、逆變裝置、控制裝置、塔架及附屬部件組成。4.1.1風(fēng)輪 風(fēng)輪是集風(fēng)裝置，它的作用是把流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。風(fēng)輪一般由葉片，葉柄，輪轂及風(fēng)輪軸等組成。葉片的構(gòu)造如圖4-1所示。北京大學(xué)出版社42 4 1 3 2 1 4 3 1-葉片；2-葉柄；3-輪轂；4-風(fēng)輪軸圖4-1 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)剖面北京大學(xué)出版社5圖4-2 葉片的構(gòu)造圖北京大學(xué)出版社64.1.2

2、調(diào)向裝置 調(diào)向裝置就是使風(fēng)輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一直使風(fēng)輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的裝置。圖4-3 幾種典型的風(fēng)車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)北京大學(xué)出版社74.1.3調(diào)速機(jī)構(gòu) 風(fēng)速是變化的，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨風(fēng)速的變化而變化。為了使風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)在所需要的額定轉(zhuǎn)速下的裝置稱(chēng)為調(diào)速裝置。 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)停機(jī)風(fēng)速時(shí)，調(diào)速裝置會(huì)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)。調(diào)速裝置只在額定風(fēng)速以上時(shí)調(diào)速。有了調(diào)速(限速)機(jī)構(gòu)，即使風(fēng)速很大，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速仍能維持在一個(gè)較穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，防止超速乃至飛車(chē)的發(fā)生。 風(fēng)力機(jī)的調(diào)速(限速)機(jī)構(gòu)大體上有3種基本方式：減少風(fēng)輪的迎風(fēng)面積；改變翼型攻角值；利用空氣阻尼力。北京大學(xué)出版社8目前世界各國(guó)所采用的調(diào)速裝置主要有以下幾種：(1)可變槳距調(diào)速裝

3、置。(2)定槳距葉尖失速控制調(diào)速裝置。(3)離心飛球調(diào)速裝置，詳見(jiàn)圖4-4。(a)(b)(雙點(diǎn)劃線(xiàn))圖 4-4 離心飛球變槳距調(diào)速 (4)空氣動(dòng)力調(diào)速裝置。(5)扭頭、仰頭調(diào)速裝置。北京大學(xué)出版社9(c)(a)(b)（a）正常額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)；（b）風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)扭頭調(diào)速；（c）風(fēng)速達(dá)到停機(jī)風(fēng)速時(shí)順槳停機(jī)圖4-5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的牛頭調(diào)速裝置北京大學(xué)出版社104.1.4傳動(dòng)裝置 將風(fēng)輪軸的機(jī)械能送至做功裝置的機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為傳動(dòng)裝置。 風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等。但不是每種風(fēng)力機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。有些風(fēng)力機(jī)的輪轂直接連接到齒輪箱上。不需要低速傳動(dòng)軸。也有些風(fēng)

4、力機(jī)(特別是小型風(fēng)力機(jī))設(shè)計(jì)成無(wú)齒輪箱的。風(fēng)輪直接連接到發(fā)電機(jī)。在整個(gè)傳動(dòng)系中除了齒輪箱其它部件基本上一目了然。北京大學(xué)出版社11增速齒輪箱剎車(chē)盤(pán)風(fēng)輪高速傳動(dòng)軸發(fā)電機(jī)耦合器低速傳動(dòng)軸圖4-6 傳動(dòng)系統(tǒng)的部件及位置北京大學(xué)出版社124.1.5發(fā)電裝置 1. 恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)1、同步發(fā)電機(jī)2、感應(yīng)發(fā)電機(jī)2. 變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 這是20世紀(jì)70年代中期以后逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)輪以變速運(yùn)行，可以在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率，從風(fēng)中獲取的能量可以比恒速風(fēng)力機(jī)高得多。此外，這種風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實(shí)用中還有很多的優(yōu)越性。北京大學(xué)出

5、版社134.1.6蓄能裝置 風(fēng)能是隨機(jī)性的能源，具有間歇性，并且是不能直接儲(chǔ)存起來(lái)的。因此，即使在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為獲得電能的主要辦法時(shí)，必須配備適當(dāng)?shù)男钅苎b置。在風(fēng)力強(qiáng)的期間，除了通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向用電負(fù)荷提供所需的電能以外，將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量在蓄能裝置中儲(chǔ)存起來(lái)。在風(fēng)力弱或無(wú)風(fēng)期間，再將蓄能裝置中儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)并轉(zhuǎn)換為電能。 當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的蓄能方式主要有蓄電池蓄能、飛輪蓄能、抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、電解水制氫蓄能等幾種。北京大學(xué)出版社144.1.7 整流、逆變裝置(l)整流，就是將交流電變成直流電的過(guò)程。 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本上都是交流發(fā)電機(jī)，當(dāng)需要

6、把風(fēng)電變成直流向蓄電池充電或向電鍍供電等就要將三相交流電經(jīng)變壓器降壓至可以充電或電鍍的交流電壓再經(jīng)整流變成直流。(2)逆變，就是把直流電變成交流電的過(guò)程。有的逆變器還兼有把交流電變成直流電的功能。北京大學(xué)出版社154.1.8 控制裝置 由于風(fēng)能是隨機(jī)性的，風(fēng)力的大小時(shí)刻變化，必須根據(jù)風(fēng)力大小及電能需要量的變化及時(shí)通過(guò)控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)速、電壓、頻率)、停機(jī)、故障保護(hù)(超速、振動(dòng)、過(guò)負(fù)菏等)以及對(duì)電能用戶(hù)所接負(fù)荷的接通、調(diào)整及斷開(kāi)等。在小容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用由繼電器、接觸器及傳感元件組成的控制裝置；在容量較大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，現(xiàn)在普遍采用微機(jī)控制。北京大學(xué)出版

7、社164.1.9 塔架 風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量，還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷。它的剛度和風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)有密切關(guān)系，如果說(shuō)塔架對(duì)小型風(fēng)力機(jī)影響還不太大的話(huà)，對(duì)大、中型風(fēng)力機(jī)的影響就小容忽視了。4.1.10 其他附屬部件 風(fēng)力機(jī)的附屬部件主要有：機(jī)艙、機(jī)頭座、回轉(zhuǎn)體、停車(chē)機(jī)構(gòu)等。北京大學(xué)出版社174.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式 風(fēng)力發(fā)電有三種運(yùn)行方式：一是獨(dú)立運(yùn)行方式，通常是一臺(tái)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)向一戶(hù)或幾戶(hù)提供電力，它用蓄電池蓄能，以保證無(wú)風(fēng)時(shí)的用電；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式（如柴油機(jī)發(fā)電）相結(jié)合，向一個(gè)單位或一個(gè)村莊或一個(gè)海島供電；三是風(fēng)力發(fā)電并入常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)

8、行，向大電網(wǎng)提供電力，常常是一處風(fēng)電場(chǎng)安裝幾十臺(tái)甚至幾百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這是風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。北京大學(xué)出版社184.2.1 獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 圖4-7 獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社191. 直流供電 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應(yīng)用戶(hù)使用。獨(dú)立運(yùn)行方式，可供邊遠(yuǎn)農(nóng)村、牧區(qū)、海島、氣象臺(tái)站、導(dǎo)航燈塔、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)、邊防哨所等電網(wǎng)達(dá)不到的地區(qū)利用。根據(jù)用戶(hù)需求，可以進(jìn)行直流供電和交流供電。 一戶(hù)一機(jī)的供電方式。 流線(xiàn)路供電。這種方式一般為一機(jī)多戶(hù)，或多機(jī)多戶(hù)合 用，實(shí)際上就是風(fēng)力發(fā)電站(場(chǎng))的直流供電。充電站式供電。北京大學(xué)出版社202. 交流供電交流直接供電。圖4-7 獨(dú)

9、立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社212. 交流供電交流直接供電。圖4-9 交流發(fā)電機(jī)向交流負(fù)載供電圖 4-10 具有負(fù)荷控制的獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社224.2.2 風(fēng)力-柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行 由于各地區(qū)的風(fēng)能資源及負(fù)荷情況不同。有多種不同結(jié)構(gòu)型式的風(fēng)力-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。但不論哪種結(jié)構(gòu)型式的風(fēng)力-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行，皆應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下的目標(biāo)。即：(1)能提供符合電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的電能；(2)有較好的柴油節(jié)油效果；(3)具有合理的運(yùn)行控制策略。使系統(tǒng)的運(yùn)行工況得到優(yōu)化。盡可能多地利用風(fēng)能。避免柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行。減少柴油機(jī)啟停次數(shù)；(4)具有良好的設(shè)備管理維護(hù)。減少故障停機(jī)，降低發(fā)電成本及電價(jià)。北京大學(xué)

10、出版社23風(fēng)力-柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)與下列因素密切相關(guān)：(1）系統(tǒng)建立地點(diǎn)的風(fēng)能資源狀況，包括風(fēng)速、風(fēng)頻、紊流等情況以及其他氣象條件。如氣溫、濕度、沙塵、鹽霧等；(2)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的性質(zhì)及變化情況；(3)系統(tǒng)選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)的性能；(4)系統(tǒng)內(nèi)有無(wú)蓄能裝置；(5)系統(tǒng)的運(yùn)行方式及控制策略。北京大學(xué)出版社241. 風(fēng)力-柴油發(fā)電并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)圖4-12 風(fēng)力柴油發(fā)電并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)北京大學(xué)出版社252. 風(fēng)力-柴油發(fā)電交替運(yùn)行系統(tǒng)及負(fù)載控制圖4-13 風(fēng)力柴油發(fā)電交替運(yùn)行系統(tǒng)北京大學(xué)出版社26 所謂集成的風(fēng)力發(fā)電即是將同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻交流電靜止的交流-直流-交流(AC-D

11、C-AC)變換，獲得恒頻恒壓交流電，然后再與同步柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)，向用戶(hù)負(fù)荷供電，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也可采用靜止整流，旋轉(zhuǎn)逆變的AC-DC-AC變換方式。 這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)可以在變速下運(yùn)行，因而可以?xún)?yōu)化風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的Cp值，更有效地利用風(fēng)能。系統(tǒng)中的AC-DC-AC裝置可以實(shí)現(xiàn)恒頻恒壓輸出及平抑功率起伏的作用。缺點(diǎn)AC-DC-AC裝置中的電力電子器件的費(fèi)用較高，特別當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量增大時(shí)，AC-DC-AC及蓄電池的容量也將隨之增大，使造價(jià)增高。 這種系統(tǒng)可以對(duì)用戶(hù)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電，在用戶(hù)負(fù)荷不變的情況下，若風(fēng)速降低，則柴油機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)投入運(yùn)行；在無(wú)風(fēng)時(shí)，則由柴油發(fā)電機(jī)向負(fù)荷供電。3. 集成的風(fēng)力

12、-柴油發(fā)電并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)北京大學(xué)出版社274. 具有蓄電池的風(fēng)力-柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)圖4-14 具有蓄能蓄電池及離合器的分離柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社285. 具有蓄電池及蓄能飛輪的風(fēng)力-柴油發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)圖4-15 具有蓄能蓄電池及離合器的分離柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社296. 多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)-柴油發(fā)電機(jī)-蓄電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)圖 4-16 多臺(tái)風(fēng)力-柴油-蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)北京大學(xué)出版社304.3 并網(wǎng)發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用兩種方式向電網(wǎng)送電：一是將機(jī)組發(fā)出的交流電直接輸入電網(wǎng)；二是將機(jī)組發(fā)出的交流電先整流成直流，然后再由逆變器變換成與電力系統(tǒng)同壓、同頻的交流電輸入電網(wǎng)。無(wú)論采用哪種方式，要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，都要求輸入電網(wǎng)的交流電具備下列條件：（1）電壓的大小與電網(wǎng)電壓相等；（2）頻率與電網(wǎng)頻率相同；（3）電壓的相序與電網(wǎng)電壓的相序一致；（4）電壓的相位與電網(wǎng)電壓的相位相同；（5）電壓的波形與電網(wǎng)電壓的波形相同。北京大學(xué)出版社31并網(wǎng)運(yùn)行又可分為兩種