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1、网络教育学院网络教育学院新能源发电课新能源发电课 程程 设设 计计题题目：目：风力发电技术风力发电技术学习中心：学习中心：甘肃奥鹏甘肃奥鹏层层次：次：专升本专专业：业：电气工程及其自动化年年级：级：2015 年春季学学号：号：学学生：生：文明辅导教师：辅导教师：完成日期：完成日期：2017 年 1 月 11 日总则总则风力发电是一种技术最成熟的可再生能源利用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，控制技术是风力机安全高效运行的关键。第一章风力发电发展的现状我国是世界上风力资源占有率最高的国家，也是世界上最早利用风能的国家之一，据资料统计，我国 10m 高度层风能资源总量为 32
2、26 GW，其中陆上可开采风能总量为 253GW，加上海上风力资源，我国可利用风力资源近 1000 GW。如果风力资源开发率达到 60%，仅风能发电一项就可支撑我国目前的全部电力需求。我国利用风力发电起步较晚，和世界上风能发电发达国家如德国、美国、西班牙等国相比还有很大差距，风力发电是20 世纪 80 年代才迅速发展起来的，发展初期研制的风机主要为 1 kW、10 kW、55 kW、220 kW 等多种小型风电机组，后期开始研制开发可充电型风电机组，并在海岛和风场广泛推广应用，目前有的风机已远销海外。至今，我国已经在河北张家口、内蒙古、山东荣城、辽宁营口、黑龙江富锦、新疆达坂城、广东南澳和海南
3、等地建成了多个大型风力发电场，并且计划在江苏南通、灌云及盐城等地兴建 GW 级风电场。截止 2007 年底，我国风机装机容量已达到 6.05 GW，年发电量占全国发电量的 0.8%左右，比 2000 年风电发电量增加了近 10 倍，我国的风力发电量已跃居世界第 5 位。第二章比较各种风力发电机的优缺点一当前风力发电机有两种形式：1 水平轴风力发电机（大、中、小型）2 垂直轴风力发电机（大、中、小型）。水平轴风力发电机技术发展的比较快，在世界各地人们已经很早就认识了，大型的水平轴风力发电机已经可以做到 3-5 兆瓦，一般由国有大型企业研发生产，应用技术也趋于成熟。小型的水平轴风力发电机一般是一些
4、小型民营企业生产，对研发生产的技术要求比较低，其技术水平也是参差不齐。小型水平轴风力发电机的额定转速一般在 500-800r/min，转速高，产生的噪音大，启动风速一般在 3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适宜在有人居住或经过的地方安装。垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高，尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在 60-200r/min，转速低，产生的噪音很小（可以忽略不计），启动风速一般在 1.6-4m/s。二 参数对
5、比：序号性能水平轴风力发电机垂直轴风力发电机1发电效率 50-60%70%以上2电磁干扰（碳刷）有无3对风转向机构有无4变速齿轮箱 10KW 以上有无5叶片旋转空间较大较小6抗风能力弱强（可抗 12-14 级台风）7噪音 5-60 分贝 0-10 分贝8启动风速高（2.5-5m/s）低(1.5-3m/s)9地面投影对人影响眩晕无影响10故障率高低.11维修保养复杂简单12转速高低13对鸟类影响大小14电缆绞线问题有无（或碳刷损坏问题）15发电曲线凹陷饱满第三章介绍相关风力发电控制技术风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频机组和变速恒频机组。风力发电机并入电网运行时，要求风力发电的频率保持恒定为电
6、网频率(在我国，电网频率为 50Hz)。恒速恒频指在风力发电中控制发电机的转速不变，从而得到频率恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通过一定的控制方法来得到恒频的电能。一、如今投入实际运行的恒速恒频机组主要分为2 类：1、一类采用鼠笼式异步发电机，如图 2.1 所示。并网后，在电机机械特性的稳定区内运行，异步发电机的转子速度需要高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速增加时，发电机的输出功率及其电磁转矩也相应增大。一般情况下，当转子速度高于同步转速 3-5时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机会进入不稳定区，产生的电磁转矩反而减小，导致转速迅速升高，引起飞车。另外，异
7、步发电机并网运行后，在向系统输出有功功率的同时，需要从电网吸收无功功率来建立磁场，它不具有调节和维持机端电压的能力。最后，由于转子速度的变化范围比较小，而风速经常变化，显然，风能利用系数 Cp 不能保持在最佳值。图 2.1 采用鼠笼式异步发电机的恒速恒频机组2、另一类采用绕线式异步感应发电机，如图 2.2 所示。它的特点是，采用了外接的可变转子电阻。这种结构最初是由丹麦的Vestas 公司提出来的，又称OptiSlip 风力发电系统。通过电力电子变换器调节外接转子电阻的大小，可以改变异步发电机的转差率 S。相比鼠笼式异步发电机，转差率S 的变化范围变大了，可达 0-10。然而，这种系统仍然需要
8、从电网吸收无功功率，另外，转差功率转换成了外接转子电阻的热能损耗，没有被有效利用。图 2.2 采用绕线式异步感应发电机的恒速恒频机组二、投入实际运行的变速恒频机组也主要分为 2 类：1、一类是绕线转子双馈感应发电机系统，如图 2.3 所示。这类系统的特点是：在绕线式异步发电机的转子上连接了一个交-直-交(AC-DC-AC)的电力电子变流器。该变流器能够实现转子和电网之间的双向能量流动，转子侧变换器控制异步发电机，网侧变换器控制和电网的能量交换。双馈发电机本质上是同步发电机，所以可以调节双馈发电机吸收的无功功率。另外，双馈发电机的转速运行范围可以达到 70%-130同步转速，即其转差率 S 可以
9、达到-3030。图 2.3 绕线转子双馈感应发电机系统2、另一类是直驱型风力发电系统，如图 2.4、2.5、2.6 所示。直驱型风力发电系统中，风轮机与发电机(永磁同步发电机或绕线式感应发电机或绕线式同步发电机)直接相连，无需升速齿轮箱，但是需要直驱多级发电机，其直径较大。首先将风能转化为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相恒频恒幅交流电连接到电网。通过中间的全功率电力电子变换装置，对系统有功功率和无功功率进行控制，可以实现最大功率跟踪，从而能够实现对风能最高效率的利用。图 2-4 直驱型风力发电系统直驱式永磁同步发电机根据全功率变流器的不同又可分为：
10、（1）不可控整流+DC/DC 升压+PWM 电压源型逆变器型DC/DC 环节将整流器输出的直流电压提高并保持稳定在合适的范围内，使得逆变器的输入电压稳定，提高运行效率、减小谐波。全控型器件数量较少，控制电路较简单。图 2-5 直驱型风力发电系统（2）背靠背双 PWM 变流器型PWM 整流器可同时实现整流和升压，效率较高，通过电流隔离，机侧和网侧可以实现各自的控制策略。但是，全控型器件数量多，控制电路复杂，增加了变流系统成本。图 2-6 直驱型风力发电系统三、变桨距直驱型风电机组实现功率调节的途径和方法永磁直驱式风力发电系统的整体控制框图如图3-1所示，控制系统主要分为三部分：主控制系统、变流器
11、控制系统、变桨距控制系统。变速恒频同步直驱风力发电机的运行可分为两个主要方式：最大功率输出运行和额定功率输出运行。主控制器根据风力发电机组的运行工况，通过最大风能捕获算法得到发电机的功率指令来控制变流器的开关动作，从而使风力机捕获最大的风能；当风速超过额定风速时，变桨系统开始动作，避免风速太大而损坏风力机；变流器系统、变桨系统执行主控制器发给它们的控制指令。图 3-1 永磁 S 驱式风力发电系统整体控制框图从图 3-2 中可以看出，在达到额定风速之前，风力发电机运行在最大功率输出模式，待达到了额定风速之后，风力发电机运行在额定功率输出模式。图 3-2 风力发电机运行曲线主控制系统的最大风能跟踪
12、算法是保证风力机稳定运行的核心，它主要实现风力机的变速、变桨控制。在低风速区，为实现最大风能的跟踪，风力机的转速变化与风速变化成正比，以保持最佳叶尖速比，它是通过机侧变流器的控制来实现的，而此时控制器将叶片攻角置于零度附近，不作变化；当风速超过额定风速时，风力机要限制功率的输出，保持额定功率运行，这一阶段主要通过变桨距角来控制，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。在这两个阶段之间，一般的风力机还有一个恒速区域，到达这个区域后风力机转速已达到额定速度，但是输出功率还没有达到额定功率，不同的风力机在这个阶段有不同的控制方案。如图 3-3，当发电机没有并入电网的时候
13、(状态 A)，这个时候整个控制系统通过改变桨距角度来改变叶片的转矩，使得发电机转速上升到转速给定值，发电机并网。并网后，控制系统切换到状态 B进行功率控制。图 3-3 变桨距直驱式风力发电机组控制图通常情况下，风力机从切入风速到额定风速不是一直保持最桂叶尖速比运行。由于变流器容量和风力机机械强度的约束，风力机设有启动转速和额定转速，在风速不同的情况下，其控制策略完全不同，根据风速的变化进行分区域控制。风力机依据转速的变化来分区域、分阶段控制，以下依据风力机的转速-转矩曲线来说明永磁直驱式风力发电机组的分区控制原理风力机的转速-转矩曲线如图 3-4 所示。图 3-4 风力机理想的转速-转矩曲线风
14、力机的分区域控制可以分成四个典型的控制区，在这四个控制区对应着不同的风速范围，不同的区域的控制方法也不相同。(1)；(2)在最小转速 1 以上，转速随风速的改变而改变，风力机运行在最佳叶尖速在切入风速以上的低风速区域，风力机以最小转速1，恒转矩运行在区域比，这个区域风能利用系数最大，如图3-4 所示区域，也即是最大风能跟踪(MPPT)模式；(3)受风力机的机械强度和变流器的电压、容量的限制，风力机运行在转速3时，达到区域模式的最大转速，这时风速还没有达到额定风速，但必须保持额定转速运行而不能超过额定转速，这个恒速运行阶段一直到风力机输出额定功率为止，即区域模式；(4)风力机运行到 H 点达到额
15、定功率，当风速超过额定风速后，变桨系统启动，以控制风力机运行在额定功率，即区域模式。(5)当风力机的转速超过最大安全转速 5 时，要求风力机必须安全停机。从图 2-8 的转速-转矩曲线可以看出，在风力机控制的前三个阶段，风力机转速控制都是低于额定风速下的变速控制，也就是通过控制发电机组的输出转矩来实现风力机的变速控制。在 H 点，风力机运行到额定转速，风速若继续增大，风力机也自然会增速，为控制风力发电机组的输出功率为额定功率，变桨系统开始动作。为了防止风力机在变速控制与变桨控制之间频繁切换，为变桨控制留了一定转速的余量，即变桨系统的启动控制速度为 4。也就是说风力机转速在 3 以下进行变速控制
16、，而转速在 4 以上时进行变桨控制。一般桨距角随风速变化的情况如图 3-4 所示：图 3-4 桨距角随风速变化的情况第四章对风力发电技术发展趋势的展望随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日趋匮乏。据专家预测，煤炭还可开采 221 年，石油还可开采 39 年，天然气只能用60 年。这种预测也许不很准确，但常规能源必然是越用越少，总有一天要用尽的。未雨绸缪，我们必须为将来考虑，为子孙后代的能源问题着想，开发利用新能源，实现能源的持续发展，从而保证经济的可持续发展和社会的不断进步，最终实现人El、资源、环境的协调发展，已成为各国政府必须解决的大问题。惟一的出路就
17、是有计划地利用常规能源，节约能源，开发新能源和可再生能源。由此可以推测，21 世纪风力发电前景非常广阔。科学技术的长足进步，经济的快速发展，使人们的生活水平有了新的飞跃。同时，人口的增加，对能源的需求也越来越大，环境污染越来越严重，人类必须解决人口、资源、环境的可持续发展问题。从能源、电力市场看，世界能源、电力市场发展最快的已不再是石油、煤和天然气，风力发电、太阳能发电等可再生能源异军突起，特别是风力发电，以其无污染，可再生，技术成熟，近几年以 25%的增长速度位居各类能源之首，倍受世人青睐。l999 年全世界新增装机容量 36105kW，1zLl998 年增加 36%，也创下了风电工业史的纪录。据绿色和平组织和欧洲风能协会组织估计，至 1J2020 年风力发电可提供世界电力需求的 l0%，创造 l70万个就业机会，降低全球二氧化碳排放量超过 l012t，至 lJ2040 年这个比例可达 20%，甚至更高，有望超过水力发电。因此，国际能源专家预言：21 世纪是风力发电的世纪。可以说，绿色能源-风力发电将为人类最终解决能源问题带来新的希望。