華北電力大新能源發(fā)電技術(shù)課件03風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)

第三章

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)目錄風電的發(fā)展現(xiàn)狀風能與風力資源風力機原理與特性發(fā)電機類型與模型風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電控制技術(shù)風電場第三章

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)起源：世界上第一臺用于發(fā)電的風力機于1891年在丹麥建成。1986年5月，我國第一個并網(wǎng)風場建于山東榮成。發(fā)展：風電技術(shù)經(jīng)過20幾年的開發(fā)日臻成熟，商業(yè)化機組的單機容量從55kW增加到6MW，風電成本從20美分/（kW·h），持續(xù)下降到1.4美分/（kW·h），運行可靠性和發(fā)電成本接近常規(guī)火電，迅速發(fā)展成為初具規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)。目前風力機之最：為維斯塔斯（丹麥）和三菱重工合資企業(yè)所生產(chǎn)的的V164-8.0，單機功率為8MW，風車直徑為177m，高131m。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)一

風電的發(fā)展1.世界風電的發(fā)展現(xiàn)狀2014年，全球風電新增裝機容量51477MW，同比上升44%，累計裝機容量首次超過50GW門檻。2014年中國風電新增裝機容量2335.05萬千瓦，比2013年增長45.1%，累計裝機容量1.1476339億千瓦，同比新增25.5.%，成為全球裝機規(guī)模最大的國家。風電業(yè)界普遍認為，風電行業(yè)未來將進入穩(wěn)定增長的新常態(tài)，今后五年，每年新增裝機容量或?qū)⒅辽龠_到2000萬千瓦。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀全球風電累計裝機容量（1996-2013）

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀全球風電新增裝機容量前十（截止2013.12）風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展趨勢與預(yù)測世界風電在加速發(fā)展，年新增裝機市場將會以6-10%的增長速度持續(xù)到2018年。累計裝機容量在五年期末將翻番，從2013年的300GW增加至2018年的600GW。預(yù)計到2018年，歐盟風電發(fā)展有望實現(xiàn)68GW的新增裝機容量。墨西哥的能源改革對于其風電產(chǎn)業(yè)來說，意味著到2024年前每年裝機容量實現(xiàn)2GW。在巴西，目前政府招標項目到2018年還有約10GW的項目容量。未來五年內(nèi)，風電市場的增長將集中在亞洲，拉丁美洲和非洲。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀2.中國風電的發(fā)展截止2014年9月底，全國累計并網(wǎng)容量8497萬千瓦，同比增長22%；全國風電上網(wǎng)電量1060億千瓦時，同比增長7.6%；風電棄風電量86億千瓦時，同比下降28.3億千瓦時；平均棄風率7.5%，同比下降3.36個百分點?！笆濉保?016-2020）期間，國內(nèi)風電新增裝機將達1億千瓦，年均新增規(guī)模達2000萬千瓦。其中，“三北”大風電基地5年內(nèi)新增裝機6000萬千瓦，中東部中低風速資源區(qū)新增3000萬千瓦，海上風電新增1000萬千瓦。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀2001－2013我國風電累計裝機2014年我國風電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀二

主要的風電設(shè)備廠商與市場1.國外廠商世界風電巨頭企業(yè)主要集中在歐洲和北美：丹麥Vestas

西班牙Gamesa

美國GE德國Dewind風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀2.國內(nèi)廠商與市場風電場業(yè)主主要來自國營大型電力集團，如龍源、華能、北國電、國華、華電國際、中電投等，另外有越來越多的民營企業(yè)參與投資風電場建設(shè)。風力發(fā)電機組整機制造廠約29個。零部件制造廠約30個。高校和科研院所約12家。專業(yè)研發(fā)中心2個。風資源前期咨詢單位約5家。有能力進行風力發(fā)電機組整機及其零部件測試的機構(gòu)約14家。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀

2014年中國風電整機企業(yè)新增裝機排名（不含臺灣?。╋L力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)風電零部件主要廠商情況風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀2013年中國累計風電裝機分布示意圖風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀輝騰錫勒風電場圖南澳風電場圖風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀三

我國風電產(chǎn)業(yè)政策《可再生能源法》

2006年頒布的《可再生能源法》允許多種投資主體進入可再生能源領(lǐng)域，并且要求電網(wǎng)公司全額收購新能源發(fā)電量，從法律上為以風電為代表的新能源快速發(fā)展提供了法律和政策保障。國產(chǎn)化率指標

國家發(fā)改委公布的《關(guān)于風電建設(shè)管理有關(guān)要求的通知》強調(diào)風電設(shè)備國產(chǎn)化率要達到70%以上特許權(quán)招標制度

該方式不但規(guī)定由風電上網(wǎng)電價最低的投標商中標，而且要求投標商綁定設(shè)備制造商進行投標，為設(shè)備國產(chǎn)化率提供了實施性保障風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀電價分攤

《可再生能源發(fā)電價格與費用分攤管理試行辦法》規(guī)定了可再生能源電價分攤的實行辦法5.《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備業(yè)的若干意見》

提出大力發(fā)展大功率風力發(fā)電機等新能源裝備，將大型清潔高效發(fā)電裝備列為國家重點發(fā)展的16個重大技術(shù)專項之一風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)：風電的發(fā)展現(xiàn)狀一風能基本知識1.風的特性風的方向不定、大小多變。風速隨高度的增加而提高，風速沿高度的相對提高因地而異，大致上可以用下式表示：

Vn=V1(Zn/Z1)a

式中：Vn－Zn高度處風速（m/s）

V1－Z1高度處風速（m/s）

a－風切變指數(shù)：a＝ln(Vn/V1)/ln(Zn/Z1)風除了隨高度變化而變化外，還隨季節(jié)的變化而變化、隨日夜的變化而變化、隨地形的變化而變化。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源2.風的能量風能：空氣運動的動能稱為“風能”,風能的計算公式為：

E＝1/2ρsv3

式中:E－風能（W）

ρ－空氣密度（kg/m3）

S－氣流截面積（m2)v－風速（m/s)風能密度：單位時間內(nèi)通過單位面積的風能

W＝1/2ρv3

有效風能密度：指風機可利用的風速范圍內(nèi)的風能密度（對應(yīng)的風速范圍大約是3～25m/s)。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源3.風速等級與風速頻率

風力等級風速（m/s）風力等級

風速（m/s）00.0～0.2920.8～24.410.3～1.51024.5～28.421.6～3.31128.5～32.633.4～5.41232.7～36.945.5～7.91337.0～41.458.0～10.71441.5～46.1610.8～13.81546.2～50.9713.9～17.11651.0～56.0817.2～20.71756.1～61.2風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源

風速頻率是指一定時間內(nèi)某風速時數(shù)占各風速出現(xiàn)總時數(shù)的百分比。

利用風速頻率分布可以計算出某一地區(qū)單位面積上全年的風能。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源風速頻率分布曲線4.風向與風向頻率通常把風吹來的地平方向定為風的方向，在陸地上一般用16個方位來表示不同的風向。風頻是指風向的頻率，即在一定時間內(nèi)某風向出現(xiàn)的次數(shù)占各風向出現(xiàn)次數(shù)的百分比。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源風向方位圖風頻玫瑰圖5.風的測量

初步選定風電場之后，要進行1～2年的測風。測風的主要目的是正確估計該地區(qū)可利用風能的大小,為裝備風力機提供風能依據(jù)。風的測量主要包括風向測量和風速測量兩項.

測風高度一般為10m、30m、50m、70m。從測量數(shù)據(jù)中整理出每分鐘（或每小時）的平均風速和最多風向，并選取日最大風速（10min平均）和極大風速（瞬時）以及對應(yīng)的風向和出現(xiàn)的時間。對影響風機出力和安全其它氣象數(shù)據(jù)（如氣溫、空氣密度、濕度、太陽輻射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊氣象情況（如臺風、雷電、沙暴、鹽霧、冰凍期等）有測量和統(tǒng)計。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源6.風的利用風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源風能的轉(zhuǎn)換和利用途徑華北電力大學電氣與電子工程學院劉其輝二風力資源

太陽輻射到地球的熱能中有約2％被轉(zhuǎn)變成風能，全球大氣中總的風能量約為1014MW。其中可被開發(fā)利用的風能理論值約有3.5×109MW，比世界上可利用的水能大10倍，相當于1000－10000座100萬瓦量級的原子能發(fā)電站。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源·

陸上約有2.53億千瓦

(年電量5000億千瓦時)·

海上約有7.5億千瓦

據(jù)中國氣象科學院預(yù)測，我國經(jīng)濟可開發(fā)風能資源合計約10億千瓦：風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源

我國風能資源可分為四大區(qū)域：東部沿海及島嶼地區(qū)、三北（東北、華北、西北）地區(qū)、內(nèi)陸局部地區(qū)和海上風能區(qū)。省區(qū)風能儲量省區(qū)風能儲量省區(qū)風能儲量內(nèi)蒙6,177.5山東393.6湖北192.7西藏3,993.0山西387.1廣西168.1新疆3,433.0河南367.5浙江163.5青海2,421.4云南366.6寧夏148.4黑龍江1,722.8江西292.9福建137.2甘肅1,143.0安徽250.5貴州100.6吉林637.5湖南246.5臺灣104.8河北611.9江蘇237.6海南64.0遼寧605.8陜西234.2四川435.8廣東195.0全國合計25,300.0風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)：風能與風力資源一風力機的類型1.分類方法

?按風輪軸線的方向可分為水平軸式和垂直軸式

?按風輪的位置可分為上風式和下風式

?按風能轉(zhuǎn)換的原理可分為升力型和阻力型

?按葉片與輪轂的連接分為定槳型和變槳型

?按塔架類型分桁架式、椎管式

?按葉片數(shù)目分為單片式、雙片式、三片式、四片式和多片式

?按葉片的型式分為螺旋槳型、H型和S型等風電中的風力機，升力型、三葉片、水平軸式的占絕大多數(shù)。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機的原理與特性風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機的原理與特性2008.6.202.水平軸風力機風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性3.垂直軸風力機

風輪軸垂直的風力機稱為垂直軸風機。這類風力透平的形式也很多，如S型、H型、Ф型等。雖然目前還沒有大量商品化，但它有許多特點，如不需要塔架、發(fā)電機可安裝在地面上、維修方便及葉片制造方便等。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性

二風力機的基本原理

自然界中的風能不便于利用。為了把風能轉(zhuǎn)變成所需要的機械能、電能、熱能等其他形式的能量，人們發(fā)明了多種形式的風能轉(zhuǎn)換裝置，這就是風力機。風速v風速vIIIFxFyFF’xF’yF’α風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性

如果將一塊薄板放在氣流中，則在沿氣流方向?qū)a(chǎn)生一正面阻力FD和一垂直于氣流方向的升力FL，其值分別由下式確定：

FD=1/2CdρSV2FL=1/2ClρSV2

式中：CD－阻力系數(shù)

CL－升力系數(shù)

S－薄板的面積

ρ－空氣的密度

V

－氣流速度由作用于葉片上的阻力FD而使其轉(zhuǎn)動的風輪，稱為阻力型風輪；而由升力FL而使其轉(zhuǎn)動的風輪，稱為升力型風輪。

現(xiàn)代風力機多采用升力型風輪。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性風力機的葉片與受力風速vαβFFyFx風輪旋轉(zhuǎn)面vωrVrvdα

β傾斜角Φ=α+β<90°FFxFyFy1Fx1風輪靜止時受力風輪旋轉(zhuǎn)時受力α——風輪葉片的攻角β——槳距角風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性風力機輸入風能，輸出機械能。其輸出功率為：其中Cp為風能轉(zhuǎn)換系數(shù)，與葉尖速比λ、漿葉節(jié)距角β有關(guān)。λ＝ωwRw/v。三風力機的輸出特性βωwvv∞CPToλλ風力機的輸入輸出數(shù)學關(guān)系模型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性Cp=f(β,λ)特性CP幾個經(jīng)驗公式風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性Cmax：最大風能利用系數(shù)λopt：最佳葉尖速比:

λopt＝ωoptRw/vCP幾個經(jīng)驗公式式中式中：L/D——風力機提拉比(LifttoDragratio)；N——風力機葉片數(shù)。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性風力機最佳功率為：風力機自然功率曲線及最佳功率曲線風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性風力機最佳轉(zhuǎn)矩為：四主要技術(shù)參數(shù)指標風輪直徑，通常風力機的功率越大，直徑越大；葉片數(shù)目，高速發(fā)電用風力機為2—4片，低速風力機大干4片；葉片材料，現(xiàn)代常采用高強度低密度的復(fù)合材料；風能利用系數(shù)Cp

，一般為0.15—0.5之間；啟動風速，一般為3—5m/s;額定風速，一般為8—20m/s。停機風速，通常為15—35m/s;輸出功率，現(xiàn)代風力機一般為幾百干瓦—幾兆瓦；另外還有塔架高度等等。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié)：風力機原理與特性1.獨立運行發(fā)電機直流發(fā)電機永磁式直流發(fā)電機(微、小型風機)，電磁式直流發(fā)電機(大、中型風機)永磁式交流同步發(fā)電機(微、小型風機)

轉(zhuǎn)子采用永磁材料(鐵氧體，汝鐵硼等):凸極式，爪極式硅整流自勵式交流同步發(fā)電機蓄電池，整流器電容自勵式異步發(fā)電機發(fā)電機需有剩磁或具有蓄電池，足夠的電容一

風力發(fā)電機類型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型2.并網(wǎng)運行發(fā)電機風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型普通異步發(fā)電機籠型、繞線型，定子并聯(lián)電容提供勵磁功率轉(zhuǎn)差率S大于0:電動狀態(tài)轉(zhuǎn)差率S小于0:發(fā)電狀態(tài)

4極或6極，發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于1500r/min或1500r/min才能運行與發(fā)電狀態(tài),S=－2％－－5％并網(wǎng)方式：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)、晶閘管軟并網(wǎng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型

異步發(fā)電機0ω1ωg轉(zhuǎn)矩Tem發(fā)電機運行區(qū)電動機運行區(qū)Tem.maxTem.min不穩(wěn)定運行區(qū)線性近似普通感應(yīng)電機的“轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩”特性曲線風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)

評價：當今風電應(yīng)用最廣的一種發(fā)電機，構(gòu)成雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)。DFIG變速恒頻實現(xiàn)原理

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型DFIG的優(yōu)勢

轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值、相位、頻率均可調(diào)有功功率、無功功率均可調(diào)可實現(xiàn)變速恒頻運行，適用于風力、潮汐等綠色發(fā)電領(lǐng)域可實現(xiàn)與電網(wǎng)的柔性并網(wǎng)，并網(wǎng)特性優(yōu)良風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型DFIG的3種運行狀態(tài)亞同步同步速超同步

亞同步運行功率潮流超同步運行功率潮流風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型無刷雙饋異步發(fā)電機取消電刷和集電環(huán)，可靠性好體積較大，效率比較低分為級聯(lián)式和磁場調(diào)制型兩種

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型同步發(fā)電機普通（電磁）同步發(fā)電機凸極式結(jié)構(gòu)簡單，低速發(fā)電隱極式機械強度高，高速發(fā)電

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型新型同步發(fā)電機

多極永磁低速同步發(fā)電機

免除齒輪箱，構(gòu)成直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)永磁高壓同步發(fā)電機

定子：高壓圓形電纜，高壓至10－20KV，甚至40KV。轉(zhuǎn)子：多極永磁，免除齒輪箱

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型同步發(fā)電機變速恒頻實現(xiàn)原理風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)開關(guān)磁阻發(fā)電機(SRG)又稱雙凸極式發(fā)電機,定子轉(zhuǎn)子雙凸極定子極數(shù)比轉(zhuǎn)子多轉(zhuǎn)子無繞組

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型二發(fā)電機數(shù)學模型1.坐標變換Clark變換風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型Park變換風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型2.異步發(fā)電機dq坐標系模型（發(fā)電機慣例）

電壓方程

磁鏈方程

轉(zhuǎn)矩方程

運動方程

功率方程華北電力大學電氣與電子工程學院劉其輝風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)：發(fā)電機類型與模型3.同步發(fā)電機dq坐標系模型（發(fā)電機慣例）

電壓方程

磁鏈方程

轉(zhuǎn)矩方程

運動方程

功率方程一風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)風力發(fā)電系統(tǒng)（機組）是將風能轉(zhuǎn)換為電能的機械、電氣及共控制設(shè)備的組合。典型的風力發(fā)電系統(tǒng)通常主要由葉輪、傳動系統(tǒng)、變速器(小、微容量及特殊類型的也有不包括變速器)、發(fā)電機、調(diào)向機構(gòu)及控制系統(tǒng)和儲能裝置等幾大部分組成。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)兩大核心：風力機（機械）系統(tǒng)＋發(fā)電機（電氣）系統(tǒng)一個靈魂：控制系統(tǒng)風力機系統(tǒng)：

槳葉輪轂主軸調(diào)槳機構(gòu)（液壓或電動伺服機構(gòu)）偏航機構(gòu)（電動伺服機構(gòu)）剎車、制動機構(gòu)風速傳感器發(fā)電機系統(tǒng)：

發(fā)電機電力電子變換器并網(wǎng)裝置無功補償器主變壓器發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器

配電、計量裝置風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)輪轂齒輪箱油冷卻器發(fā)電機變槳驅(qū)動旋轉(zhuǎn)罩機艙低速軸熱交換器控制箱旋轉(zhuǎn)接頭支撐軸承偏航驅(qū)動機艙座通風隔離減震大型風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)1.調(diào)向機構(gòu)作用：用來調(diào)整風力機的風輪葉片旋轉(zhuǎn)平而與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)。因為當風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，也即是迎著風向時，風力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風力機的輸出功率最大，所以調(diào)向機構(gòu)又稱為迎風機構(gòu)(國外通稱偏航系統(tǒng))。類型：小型水平軸風力機常用的調(diào)向機構(gòu)有尾舵和尾車；風電場中并網(wǎng)運行的中大型風力機則采用由伺服電動機。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)2.發(fā)電機微型及容量在10kW以下的小型風力發(fā)電機組，采用永磁式或自勵式交流發(fā)電機，經(jīng)整流后向負載供電及向蓄電池充電；容量在l00kW以上的并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，則應(yīng)用同步發(fā)電機或異步發(fā)電機。3.齒輪箱

作用：是將風力機軸上的低速旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)輸出，以便與發(fā)電機運轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)速相匹配。類型：1級行星齒輪和兩級斜齒輪，1級行星齒輪和兩級直齒輪風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)3.塔架水平抽風力發(fā)電機組需要通過塔架將其置于空中，以捕捉更多的風能。類型：即由鋼板制成的錐形筒狀塔架和由角鋼制成的桁架式塔架。4.控制系統(tǒng)組成：100kW以上的中型風力發(fā)電機組及1MW以上的大型風力發(fā)電機組皆配有由微機、可編程控制器(PLC)、ARM以及DSP等處理器組成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)控制、自檢和顯示功能。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要功能①按預(yù)先設(shè)定的風速值(一般為3—4m／s)自動啟動風力發(fā)電機組，并通過控制實現(xiàn)并網(wǎng)。②借助各種傳感器自動檢測風力發(fā)電機組的運行參數(shù)及狀態(tài)，包括風速、風向、風力機風輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機溫升、發(fā)電機輸出功率、功率因數(shù)、電壓、電流等以從齒輪箱軸承的油溫、液壓系統(tǒng)的油壓等。③各運行工況內(nèi)的自動發(fā)電控制④當風速大干最大運行速度(一般設(shè)定為25m／s)時實現(xiàn)自動停機。同時實現(xiàn)各種情況下的機械或電氣故障保護。⑤與風電場主控中心通信：如通過調(diào)制解調(diào)器與電話線連接。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)雙饋風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)5.電力變換器電壓源型變換器不控整流+直流斬波+PWM逆變型雙PWM變流型二極管鉗位三電平雙PWM變流型矩陣型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)用于多相永磁風力發(fā)電機中的多重化變流器（不控整流+直流斬波+PWM逆變型）風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)電流源型變換器不控整流+PWM變流型雙PWM變流型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)其他類型變換電路電流+電壓主輔變流器并聯(lián)型異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制（RCC）電路DFIG轉(zhuǎn)子電流混合控制電路風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)在不同的坐標系下PWM變換器有不同形式的數(shù)學模型。無論何種形式的數(shù)學模型，其本質(zhì)是一樣的，只不過是對同一物理對象和過程的不同表現(xiàn)形式。三相靜止abc坐標系兩相靜止αβ坐標系兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系abc坐標系下PWM變換器數(shù)學模型（Sa、Sb、Sc分別表示三相橋臂的開關(guān)函數(shù)）第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)兩電平電壓源型PWM變換器數(shù)學模型d軸q軸α軸β軸ωt

Clark變換

Park變換dq坐標系下數(shù)學模型αβ坐標系下數(shù)學模型同步旋轉(zhuǎn)坐標系的突出優(yōu)勢：交流量→直流量；取消了三相變量之間的耦合；風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)二風力發(fā)電系統(tǒng)類型1.獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)獨立運行的風力發(fā)電機組，又稱離網(wǎng)型風力發(fā)電機組，是把風力發(fā)電機組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應(yīng)用戶使用，如需要交流電，則要加逆變器。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)儲能系統(tǒng)：風力發(fā)電系統(tǒng)采用的儲能系統(tǒng)主要有：蓄電池儲能、抽水蓄能。正在研究試驗的有壓縮空氣儲能、飛輪儲能、電解水制氫儲能等。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行方式風力——柴油發(fā)電聯(lián)合運行風力——大陽能發(fā)電聯(lián)合運行風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)具有負荷調(diào)節(jié)的獨立風力發(fā)電系統(tǒng)具有負荷調(diào)節(jié)和儲能的風-柴聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)華北電力大學電氣與電子工程學院劉其輝2.并網(wǎng)運行風力發(fā)電系統(tǒng)概述作用：采用風力發(fā)電機與電網(wǎng)連接，由電網(wǎng)輸送電能的方式，是克服風的隨機性而帶來的蓄能問題的最穩(wěn)妥易行的運行方式，同時可達到節(jié)約礦物燃料的目的。應(yīng)用：10kW以上直至MW級的風力發(fā)電機組皆可采用這種方式。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)華北電力大學電氣與電子工程學院劉其輝風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)分類方法及相應(yīng)類型并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)分類方法及相應(yīng)類型按風力機功率調(diào)節(jié)方式定槳距風力發(fā)電機組葉片槳角固定的風力發(fā)電機組稱為定槳距風力發(fā)電機組。結(jié)構(gòu)簡單、容量從數(shù)十千瓦到兆瓦級、性能可靠,但效率較低。變槳距風力發(fā)電機組葉片槳角在一定范圍（一般0o～90o)內(nèi)變化的風力發(fā)電機組稱為變槳距風力發(fā)電機組。效率較高。兆瓦級及以上機組多采用此類機組。定槳距變槳距葉片和輪轂之間采用回轉(zhuǎn)支撐連接，可以相對運動葉片相對輪轂固定風力機風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)按發(fā)電機齒輪箱結(jié)構(gòu)形式高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機高速鼠籠異步發(fā)電機高速電磁同步發(fā)電機高速永磁同步發(fā)電機中速雙饋感應(yīng)發(fā)電機中速電磁同步發(fā)電機中速永磁同步發(fā)電機直驅(qū)電磁同步發(fā)電機直驅(qū)永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)按驅(qū)動鏈形式齒輪箱傳動方式（一般有多級齒輪箱)

需要高速電機，如IG,DFIG，SG半直驅(qū)方式（一般有一級齒輪箱)

需要中速發(fā)電機直驅(qū)方式（無齒輪箱)

需要低速發(fā)電機，如多極PMSG風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)按發(fā)電機類型同步發(fā)電機包括普通同步發(fā)電機（SG）與PMSG，采用同步發(fā)電機一般均在發(fā)電機與電網(wǎng)之間配置全功率變換器。異步發(fā)電機包括籠型感應(yīng)發(fā)電機（IG）與DFIG，IG應(yīng)用于沒有功率變換器的恒速風電機組或者采用全功率變換器的變速風電機組，DFIG用于部分功率變換的變速風電機組。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)按電力變換器處理功率大小全功率變換型發(fā)電機與電網(wǎng)之間配置全功率變換器，發(fā)電機類型可采用IG、SG、PMSG。部分功率變換型發(fā)電機采用DFIG，DFIG定子與電網(wǎng)直接相連，而轉(zhuǎn)子通過變換器與電網(wǎng)相連。變換器只處理發(fā)電機20%-30%額定容量的功率。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)按風力機功率調(diào)節(jié)方式定槳距機組

偏航控制失速控制葉尖干擾器控制

變槳距機組

變槳控制：低于額定風速時通過變槳提高效率，高于額定風速時通過變槳限制功率。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)變槳調(diào)節(jié)的優(yōu)點風速低于額定風速時，可通過變槳改變?nèi)~片槳角提高風機效率。風速高于額定風速時，可通過變槳限制風機功率，使其在額定功率下運行。停機時使葉片處于順槳狀態(tài)，以保護葉片和機器的安全。可使風機年平均發(fā)電量增加10％以上。

風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)按機組運行方式恒速桓頻方式風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速不隨風速的波動而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。這種方式具有簡單可靠的優(yōu)點，但是對風能的利用不充分。該方式是老舊技術(shù)。變速恒頻方式風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速隨風速的波動作變速運行，但仍輸出恒定頻率的交流電。這種方式可提高風能的利用率，但將導(dǎo)致必須增加實現(xiàn)恒頻輸出的電力電子設(shè)備。該方式是目前的主流技術(shù)。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)同步發(fā)電機系統(tǒng)籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)變極雙速籠型異步風力發(fā)電機方案大、小電機方案三恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)1.方案類型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)三要素：（1）同步發(fā)電機、（2）調(diào)速器、（3）勵磁調(diào)節(jié)器三要素：（1）異步發(fā)電機、（2）調(diào)速器、（3）無功補償器典型的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)2.常見的結(jié)構(gòu)配置雙速定速風力發(fā)電系統(tǒng)單速定速風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機＋全功率變換器電磁同步發(fā)電機＋全功率變換器繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機+外接可變轉(zhuǎn)子電阻雙饋式：雙饋異步發(fā)電機＋部分功率變換器無刷雙饋異步發(fā)電機＋部分功率變換器直驅(qū)式：永磁同步發(fā)電機＋全功率變換器其他類型，如開關(guān)磁阻發(fā)電機、磁場調(diào)制型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)四變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)1.方案類型高速型：部分功率、全功率（發(fā)電機體積最?。。┑退傩停喝β剩òl(fā)電機體積最大?。┲兴傩停喝β剩òl(fā)電機與齒輪箱集成,發(fā)電機體積中等?。┑湫偷淖兯俸泐l風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)2.變速恒頻發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點1.系統(tǒng)效率高變轉(zhuǎn)速運行可以最佳葉尖速比運行,提高了風力機的運行效率,與變槳恒速運行機組相比,年發(fā)電量可提高10%以上。2.能提高供電品質(zhì)陣風時風輪轉(zhuǎn)速增加，把風能余量存儲在風輪轉(zhuǎn)動慣量中,風速下降時,再將風輪動能緩慢釋放出來變?yōu)殡娔芩徒o電網(wǎng)?？蓽p少對電網(wǎng)的沖擊。3.使槳角調(diào)節(jié)簡單化。低于額定風速時,槳角固定；高風速時,調(diào)節(jié)槳角限制輸出功率。4.環(huán)保效果好低風速時,風輪處于低轉(zhuǎn)速運行狀態(tài),使噪聲降低。也不易引起視覺疲勞。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)3.變速恒頻的實現(xiàn)原理風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)全功率變換的實現(xiàn)原理部分功率變換的實現(xiàn)原理基于異步發(fā)電機的變速風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置可變轉(zhuǎn)子電阻的繞線異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)雙饋感應(yīng)發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)4.常見的結(jié)構(gòu)配置采用兩電平電壓源變換器的籠型異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)采用并聯(lián)變換器結(jié)構(gòu)的籠型異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)采用二極管嵌位三電平電壓源變換器的中壓籠型異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)采用電流源變換器的中壓籠型異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)基于同步發(fā)電機的變速風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置采用背靠背電壓源型變換器的同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)采用背靠背電流源型變換器的同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)采用并聯(lián)背靠背電壓源型變換器的多相同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)采用“不控整流器+升壓變換器+電壓源逆變器”的同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)采用“不控整流器+降壓變換器+電流源逆變器”的同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)采用并聯(lián)型“不控整流器+電壓源逆變器”的多同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點：發(fā)電機、齒輪箱等大部件易拆卸，可維護較好；并且技術(shù)成熟、設(shè)計、制造難度低；供應(yīng)鏈成熟，部件通用性較好。

缺點：齒輪箱增速比高，可靠性較低，負荷重，存在軸承與齒輪磨損、潤滑油更換頻繁、機械噪聲、高速振動等；維護保養(yǎng)工作量大，有電刷和滑環(huán)，增加維護工作量；能量利用率較低，軸向尺寸較大。

此技術(shù)路線為技術(shù)最成熟、市場占有率最高的技術(shù)路線。5.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)路線的對比分析風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)高速雙饋機型優(yōu)點：風能利用率較高，電能質(zhì)量較好，發(fā)電機、齒輪箱等大部件易拆卸，可維護較好；相同功率下發(fā)電機體積較小，不存在碳刷和滑環(huán)的維護。

缺點：同樣存在齒輪箱增速比高，可靠性低等問題；永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下容易發(fā)生失磁的現(xiàn)象；技術(shù)不成熟，需要全功率變流器。此技術(shù)路線是一種經(jīng)高速雙饋變型而來的技術(shù)路線。高速永磁同步機型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點：齒輪箱增速比小，齒輪抗疲勞特性增強，壽命提高；其所采用的軸承和齒輪等數(shù)量較少，系統(tǒng)可靠性較高；齒輪箱、發(fā)電機等大部件易拆卸，可維護性好，更適合海上機型；齒輪箱簡單、體積小、制造難度小，對加工設(shè)備要求低，制造成本較低。缺點：機艙比同規(guī)格高速雙饋較重；有電刷和滑環(huán)，增加維護工作量。

此技術(shù)路線為高速與直驅(qū)的折中型技術(shù)路線。中速雙饋機型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點：齒輪箱增速比較低，壽命增加，可靠性提高；風能利用率較高，電能質(zhì)量較好；相同功率下發(fā)電機體積較小，不存在碳刷和滑環(huán)的維護工作。

缺點：同樣存在永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下容易發(fā)生失磁的問題；技術(shù)尚未成熟，需全功率變流器。此技術(shù)路線是在提高可靠性的同時又能保證電能質(zhì)量的一種技術(shù)路線。中速永磁同步機型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點：傳動鏈無齒輪箱，減少了傳動鏈能量損失，可靠性高；無碳刷和滑環(huán)，維護工作量小，系統(tǒng)噪音低；能量利用率高，發(fā)電質(zhì)量好

。

缺點：電機體積與重量均較大，既影響機艙空氣動力特性，又增加制造難度與成本，定、轉(zhuǎn)子加工需要大型設(shè)備；同樣存在永磁材料的失磁問題，永磁材料存在永久的強磁性，無法在現(xiàn)場條件下檢修，所以一旦出現(xiàn)問題只有返回廠家才能維修，現(xiàn)場不具有可維護性。此技術(shù)路線是直驅(qū)機組中相對較優(yōu)的一種技術(shù)路線。直驅(qū)永磁同步機型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點：傳動鏈無齒輪箱，減少了傳動鏈能量損失，機械系統(tǒng)可靠性高；能量利用率高，發(fā)電質(zhì)量好

。

缺點：電機體積與重量更大大，不但影響機艙空氣動力特性，同時增加制造難度與成本，而且發(fā)電機的陸上運輸比較困難；存在電刷和滑環(huán)，既增加機械摩擦，也增加電損耗，降低電機效率；需要全功率變流器，成本高，損耗大。此技術(shù)路線是整機體積最大、重量最重的一種技術(shù)路線。直驅(qū)電磁同步機型風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第五節(jié)：風力發(fā)電系統(tǒng)一運行區(qū)域按照風速和機組運行特性（轉(zhuǎn)速、功率）分為五大運行區(qū)域：并網(wǎng)區(qū)MPPT區(qū)轉(zhuǎn)速限制區(qū)功率限制區(qū)切出停機區(qū)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)并網(wǎng)控制區(qū)域轉(zhuǎn)速限制區(qū)域最大風能追蹤區(qū)域功率限制區(qū)域不同運行區(qū)域的功率特性第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)并網(wǎng)區(qū)：無功率輸出。MPPT區(qū)：恒Cp區(qū)，轉(zhuǎn)速變化保持最佳葉尖速比，小于額定轉(zhuǎn)速，功率小于額定功率。轉(zhuǎn)速限制區(qū)：轉(zhuǎn)速保持為最大（額定）轉(zhuǎn)速，功率小于等于額定功率。功率限制區(qū)：轉(zhuǎn)速為最大（額定）轉(zhuǎn)速，功率小于等于額定功率。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)直驅(qū)風電機組的整體控制結(jié)構(gòu)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)雙饋風電機組的整體控制結(jié)構(gòu)風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)二.槳距角控制（變槳控制）策略典型線型槳距角控制器控制框圖轉(zhuǎn)速限制區(qū)和功率限制區(qū)適用于風速較大的場合，可以通過改變風力機槳距角減少輸入的風能，控制機組的轉(zhuǎn)速或功率。槳距角控制方式有兩種：線型槳距角控制策略和非線性槳距角控制策略。用于限制轉(zhuǎn)速的典型線性槳距角控制策略：轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID調(diào)節(jié)后輸出槳距角的增量，與線性點處的槳距角參考值相加，經(jīng)限幅后輸入到執(zhí)行機構(gòu)。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)三.最大功率點追蹤（MPPT）技術(shù)風力機最佳功率為：風力機最佳轉(zhuǎn)矩為：1.風力機的輸出特性和最佳功率曲線風力機輸出功率為：風力機輸出轉(zhuǎn)矩為：Cmax：最大風能利用系數(shù)λopt：最佳葉尖速比

λopt＝ωoptRw/v結(jié)論：（1）對于一臺風力機，其Cmax、λopt、kw是不變的。（2）MPPT的實質(zhì)是，隨著風速v的變化，實時改變轉(zhuǎn)速使其等于ωopt，

保持葉尖速比為λopt，從而保持風能利用系數(shù)為Cmax。風力發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)第六節(jié)：風力發(fā)電控制技術(shù)2.風力機的MPPT實