大工16春《新能源發(fā)電》大作業(yè)-風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

大工16春《新能源發(fā)電》大作業(yè)-風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大工16春《新能源發(fā)電》大作業(yè)-風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大工16春《新能源發(fā)電》大作業(yè)-風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大工16春《新能源發(fā)電》大作業(yè)-風(fēng)力發(fā)電技術(shù)編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院《新能源發(fā)電》課程設(shè)計(jì)題目：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)學(xué)習(xí)中心：奧鵬學(xué)習(xí)中心層次：專升本專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化年級：2016年春季學(xué)號(hào)：學(xué)生：輔導(dǎo)教師：完成日期：2016年03月22日總則風(fēng)力發(fā)電是一種技術(shù)最成熟的可再生能源利用方式，發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，控制技術(shù)是風(fēng)力機(jī)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。第一章風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的現(xiàn)狀

我國是世界上風(fēng)力資源占有率最高的國家，也是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國10m高度層風(fēng)能資源總量為3226GW，其中陸上可開采風(fēng)能總量為253GW，加上海上風(fēng)力資源，我國可利用風(fēng)力資源近1000GW。如果風(fēng)力資源開發(fā)率達(dá)到60%，僅風(fēng)能發(fā)電一項(xiàng)就可支撐我國目前的全部電力需求。

我國利用風(fēng)力發(fā)電起步較晚，和世界上風(fēng)能發(fā)電發(fā)達(dá)國家如德國、美國、西班牙等國相比還有很大差距，風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)80年代才迅速發(fā)展起來的，發(fā)展初期研制的風(fēng)機(jī)主要為1kW、10kW、55kW、220kW等多種小型風(fēng)電機(jī)組，后期開始研制開發(fā)可充電型風(fēng)電機(jī)組，并在海島和風(fēng)場廣泛推廣應(yīng)用，目前有的風(fēng)機(jī)已遠(yuǎn)銷海外。至今，我國已經(jīng)在河北張家口、內(nèi)蒙古、山東榮城、遼寧營口、黑龍江富錦、新疆達(dá)坂城、廣東南澳和海南等地建成了多個(gè)大型風(fēng)力發(fā)電場，并且計(jì)劃在江蘇南通、灌云及鹽城等地興建GW級風(fēng)電場。截止2007年底，我國風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量已達(dá)到GW，年發(fā)電量占全國發(fā)電量的%左右，比2000年風(fēng)電發(fā)電量增加了近10倍，我國的風(fēng)力發(fā)電量已躍居世界第5位。第二章比較各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)一．當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩種形式：1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（大、中、小型）2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（大、中、小型）。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的比較快，在世界各地人們已經(jīng)很早就認(rèn)識(shí)了，大型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)可以做到3-5兆瓦，一般由國有大型企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，應(yīng)用技術(shù)也趨于成熟。小型的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般是一些小型民營企業(yè)生產(chǎn)，對研發(fā)生產(chǎn)的技術(shù)要求比較低，其技術(shù)水平也是參差不齊。小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般在500-800r/min，轉(zhuǎn)速高，產(chǎn)生的噪音大，啟動(dòng)風(fēng)速一般在3-5m/s，由于轉(zhuǎn)速高，噪音大，故障頻繁，容易發(fā)生危險(xiǎn)，不適宜在有人居住或經(jīng)過的地方安裝。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的較慢一些，因?yàn)榇怪陛S風(fēng)力發(fā)電機(jī)對研發(fā)生產(chǎn)的技術(shù)要求比較高，尤其是對葉片和發(fā)電機(jī)的要求。近幾年垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展很快，尤其小型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)很成熟。小型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般在60-200r/min，轉(zhuǎn)速低，產(chǎn)生的噪音很?。梢院雎圆挥?jì)），啟動(dòng)風(fēng)速一般在s。二．參數(shù)對比：序號(hào)性能水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1發(fā)電效率50-60%70%以上

2電磁干擾（碳刷）有無

3對風(fēng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有無

4變速齒輪箱10KW以上有無

5葉片旋轉(zhuǎn)空間較大較小

6抗風(fēng)能力弱強(qiáng)（可抗12-14級臺(tái)風(fēng)）

7噪音5-60分貝0-10分貝

8啟動(dòng)風(fēng)速高（s）低s)

9地面投影對人影響眩暈無影響

10故障率高低.

11維修保養(yǎng)復(fù)雜簡單

12轉(zhuǎn)速高低

13對鳥類影響大小

14電纜絞線問題有無

（或碳刷損壞問題）

15發(fā)電曲線凹陷飽滿第三章介紹相關(guān)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以分為兩大類：恒速恒頻機(jī)組和變速恒頻機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，要求風(fēng)力發(fā)電的頻率保持恒定為電網(wǎng)頻率(在我國，電網(wǎng)頻率為50Hz)。恒速恒頻指在風(fēng)力發(fā)電中控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，從而得到頻率恒定的電能；變速恒頻指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化，通過一定的控制方法來得到恒頻的電能。一、如今投入實(shí)際運(yùn)行的恒速恒頻機(jī)組主要分為2類：1、一類采用鼠籠式異步發(fā)電機(jī)，如圖所示。并網(wǎng)后，在電機(jī)機(jī)械特性的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度需要高于同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。一般情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3％-5％時(shí)達(dá)到最大值，若超過這個(gè)轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩反而減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車。另外，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行后，在向系統(tǒng)輸出有功功率的同時(shí)，需要從電網(wǎng)吸收無功功率來建立磁場，它不具有調(diào)節(jié)和維持機(jī)端電壓的能力。最后，由于轉(zhuǎn)子速度的變化范圍比較小，而風(fēng)速經(jīng)常變化，顯然，風(fēng)能利用系數(shù)Cp不能保持在最佳值。圖采用鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的恒速恒頻機(jī)組2、另一類采用繞線式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，如圖所示。它的特點(diǎn)是，采用了外接的可變轉(zhuǎn)子電阻。這種結(jié)構(gòu)最初是由丹麥的Vestas公司提出來的，又稱OptiSlip風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。通過電力電子變換器調(diào)節(jié)外接轉(zhuǎn)子電阻的大小，可以改變異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率S。相比鼠籠式異步發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)差率S的變化范圍變大了，可達(dá)0-10％。然而，這種系統(tǒng)仍然需要從電網(wǎng)吸收無功功率，另外，轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)換成了外接轉(zhuǎn)子電阻的熱能損耗，沒有被有效利用。圖采用繞線式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)的恒速恒頻機(jī)組二、投入實(shí)際運(yùn)行的變速恒頻機(jī)組也主要分為2類：1、一類是繞線轉(zhuǎn)子雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，如圖所示。這類系統(tǒng)的特點(diǎn)是：在繞線式異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上連接了一個(gè)交-直-交(AC-DC-AC)的電力電子變流器。該變流器能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間的雙向能量流動(dòng)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制異步發(fā)電機(jī)，網(wǎng)側(cè)變換器控制和電網(wǎng)的能量交換。雙饋發(fā)電機(jī)本質(zhì)上是同步發(fā)電機(jī)，所以可以調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)吸收的無功功率。另外，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍可以達(dá)到70%-130％同步轉(zhuǎn)速，即其轉(zhuǎn)差率S可以達(dá)到-30％～30％。圖繞線轉(zhuǎn)子雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)2、另一類是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖、、所示。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)(永磁同步發(fā)電機(jī)或繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)或繞線式同步發(fā)電機(jī))直接相連，無需升速齒輪箱，但是需要直驅(qū)多級發(fā)電機(jī)，其直徑較大。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率變化、幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷?，然后?jīng)過三相逆變器變換為三相恒頻恒幅交流電連接到電網(wǎng)。通過中間的全功率電力電子變換裝置，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)能最高效率的利用。圖2-4直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)根據(jù)全功率變流器的不同又可分為：（1）不可控整流+DC/DC升壓+PWM電壓源型逆變器型DC/DC環(huán)節(jié)將整流器輸出的直流電壓提高并保持穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)，使得逆變器的輸入電壓穩(wěn)定，提高運(yùn)行效率、減小諧波。全控型器件數(shù)量較少，控制電路較簡單。圖2-5直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（2）背靠背雙PWM變流器型PWM整流器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流和升壓，效率較高，通過電流隔離，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)可以實(shí)現(xiàn)各自的控制策略。但是，全控型器件數(shù)量多，控制電路復(fù)雜，增加了變流系統(tǒng)成本。圖2-6直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)三、變槳距直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的途徑和方法永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體控制框圖如圖3-1所示，控制系統(tǒng)主要分為三部分：主控制系統(tǒng)、變流器控制系統(tǒng)、變槳距控制系統(tǒng)。變速恒頻同步直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可分為兩個(gè)主要方式：最大功率輸出運(yùn)行和額定功率輸出運(yùn)行。主控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況，通過最大風(fēng)能捕獲算法得到發(fā)電機(jī)的功率指令來控制變流器的開關(guān)動(dòng)作，從而使風(fēng)力機(jī)捕獲最大的風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，變槳系統(tǒng)開始動(dòng)作，避免風(fēng)速太大而損壞風(fēng)力機(jī)；變流器系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)執(zhí)行主控制器發(fā)給它們的控制指令。圖3-1永磁S驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體控制框圖從圖3-2中可以看出，在達(dá)到額定風(fēng)速之前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最大功率輸出模式，待達(dá)到了額定風(fēng)速之后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定功率輸出模式。圖3-2風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線主控制系統(tǒng)的最大風(fēng)能跟蹤算法是保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的核心，它主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的變速、變槳控制。在低風(fēng)速區(qū)，為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的跟蹤，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速變化與風(fēng)速變化成正比，以保持最佳葉尖速比，它是通過機(jī)側(cè)變流器的控制來實(shí)現(xiàn)的，而此時(shí)控制器將葉片攻角置于零度附近，不作變化；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)要限制功率的輸出，保持額定功率運(yùn)行，這一階段主要通過變槳距角來控制，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近。在這兩個(gè)階段之間，一般的風(fēng)力機(jī)還有一個(gè)恒速區(qū)域，到達(dá)這個(gè)區(qū)域后風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定速度，但是輸出功率還沒有達(dá)到額定功率，不同的風(fēng)力機(jī)在這個(gè)階段有不同的控制方案。如圖3-3，當(dāng)發(fā)電機(jī)沒有并入電網(wǎng)的時(shí)候(狀態(tài)A)，這個(gè)時(shí)候整個(gè)控制系統(tǒng)通過改變槳距角度來改變?nèi)~片的轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到轉(zhuǎn)速給定值，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。并網(wǎng)后，控制系統(tǒng)切換到狀態(tài)B進(jìn)行功率控制。圖3-3變槳距直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制圖通常情況下，風(fēng)力機(jī)從切入風(fēng)速到額定風(fēng)速不是一直保持最桂葉尖速比運(yùn)行。由于變流器容量和風(fēng)力機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的約束，風(fēng)力機(jī)設(shè)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速，在風(fēng)速不同的情況下，其控制策略完全不同，根據(jù)風(fēng)速的變化進(jìn)行分區(qū)域控制。風(fēng)力機(jī)依據(jù)轉(zhuǎn)速的變化來分區(qū)域、分階段控制，以下依據(jù)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線來說明永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分區(qū)控制原理風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線如圖3-4所示。圖3-4風(fēng)力機(jī)理想的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線風(fēng)力機(jī)的分區(qū)域控制可以分成四個(gè)典型的控制區(qū)，在這四個(gè)控制區(qū)對應(yīng)著不同的風(fēng)速范圍，不同的區(qū)域的控制方法也不相同。(1) 在切入風(fēng)速以上的低風(fēng)速區(qū)域，風(fēng)力機(jī)以最小轉(zhuǎn)速ω1，恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行在區(qū)域Ⅰ；(2) 在最小轉(zhuǎn)速ω1以上，轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的改變而改變，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比，這個(gè)區(qū)域風(fēng)能利用系數(shù)最大，如圖3-4所示區(qū)域Ⅱ，也即是最大風(fēng)能跟蹤(MPPT)模式；(3) 受風(fēng)力機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度和變流器的電壓、容量的限制，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速ω3時(shí)，達(dá)到區(qū)域Ⅱ模式的最大轉(zhuǎn)速，這時(shí)風(fēng)速還沒有達(dá)到額定風(fēng)速，但必須保持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行而不能超過額定轉(zhuǎn)速，這個(gè)恒速運(yùn)行階段一直到風(fēng)力機(jī)輸出額定功率為止，即區(qū)域Ⅲ模式；(4) 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行到H點(diǎn)達(dá)到額定功率，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)啟動(dòng)，以控制風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在額定功率，即區(qū)域Ⅳ模式。(5)當(dāng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速超過最大安全轉(zhuǎn)速ω5時(shí)，要求風(fēng)力機(jī)必須安全停機(jī)。從圖2-8的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線可以看出，在風(fēng)力機(jī)控制的前三個(gè)階段，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制都是低于額定風(fēng)速下的變速控制，也就是通過控制發(fā)電機(jī)組的輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的變速控制。在H點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，風(fēng)速若繼續(xù)增大，風(fēng)力機(jī)也自然會(huì)增速，為控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定功率，變槳系統(tǒng)開始動(dòng)作。為了防止風(fēng)力機(jī)在變速控制與變槳控制之間頻繁切換，為變槳控制留了一定轉(zhuǎn)速的余量，即變槳系統(tǒng)的啟動(dòng)控制速度為ω4。也就是說風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在ω3以下進(jìn)行變速控制，而轉(zhuǎn)速在ω4以上時(shí)進(jìn)行變槳控制。一般槳距角隨風(fēng)速變化的情況如圖3-4所示：圖3-4槳距角隨風(fēng)速變化的情況第四章對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢的展望隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規(guī)能源日趨匱乏。據(jù)專家預(yù)測，煤炭還可開采221年，石油還可開采39年，天然氣