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风 力 发 电 讲 座,北京科诺伟业科技有限公司倪受元二零零四年十月,风力发电讲座目录一.国内外风力发电发展概况 1.新能源的崛起 2.世界风电发展概况 3.我国风电发展概况二.风力机的类型、机构和组成 1.风力机的类型 2.风力机的构造和组成三.风力机的工作原理和气动力特性 1.空气动力学的基本知识 2.风力机的工作原理 3.风力机的气动力特性 4.风力机的输出功率,四.风力发电用的发电机及风力发电系统 1.对发电机及发电系统的一般要求 2.恒速恒频发电机系统 3.变速恒频发电机系统 4.小型直流发电系统五.风力发电机组的运行方式 1.风力发电机的并网运行 2.风力发电机的独立运行及与其他发电装置的互补运行六.风力发电机组的防雷保护 1.防雷系统的基本知识 2.风力发电机组的防雷措施 3.其他设施的防雷措施,1.新能源的崛起（1）能源历史的回顾（2）当前的能源结构和存在的问题（3）未来的能源,一.国内外风力发电发展概况,2.国外风力发电发展概况（1）风电装机容量迅速扩大 1996年以后全球风电年均增长率超过30%，成为发展最快的清洁能源。表1-1 1981-2003年世界风电装机容量,预计，如果2002-2007年风电平均装机容量增长率为25%,2008-2012年为20%,2013-2016年为15%,2017-2020年为10%,则2010年风电装机2.3亿kW，风电年发电量5120亿kWh；2020年份电装机12.6亿kW，风电年发电量3.1万亿kWh，约占2020年世界发电总量的12%。,表1-2 几个主要国家的风电装机容量（万千瓦）,（2）风电机组单机容量逐年增大,商业用风电机组的单机容量从八十年代的55kW(风轮直径15-16M)开始，到八十年代后期的100-200kW，九十年代以来单机功率由250-300kW(风轮直径25-30M)发展到中后期的600-1000kW，目前已发展到3-5MW。表1-3 1999年至2001年当年装机平均单机容量（kW)的增长,表1-4 1999年至2001年当年装机MW级机组比例的增长,表1-5 2001年世界风电市场中主要的商业化MW级机组,(3)风电场效率提高和发电成本下降,风电场效率以风轮每平方米扫掠面积的年发电量来表示，从八十年代初的400-500kWh上升到目前的1000kWh以上。2002年风电每千瓦装机成本823欧元，预计2020年将下降到504欧元，与此同时，风电成本将由4欧分/kWh降至2.34/kWh(约降40%)。,图1-1各种能源发电的成本,(4)近海风电的发展,近海风电是国际风电产业发展的新领域。目前世界近海风电装机容量约28万kW。目前丹麦在近海风电方面处于领先位置。世界目前最大的近海电场在荷斯韦夫(Horns Rev)建成，离丹麦北海海岸14-20km，装有2MW风电机组80台，总装机容量16万kW，可满足全国2%的电力需求。德国有宏大的近海风电发展计划，十多家公司和财团提议在沿岸海域兴建容量达1200万kW的风电场。有两个大型示范项目已获国家颁发的建设许可证，其中一项是在北海的布坎(Borkum)岛外建100万kW的近海风电场。欧洲其他国家(包括荷兰、比利时、爱尔兰、瑞典、英国等)和美国均有相当规模的近海风电开发计划。预计，到2007年，全球近海风电市场价值可达120亿欧元，若所有计划项目都能成功实施，到2010年，仅欧洲四个国家便能完成1700万kW的近海风电。,图1-2 近海风力发电机组,3.国内风电发展概况,(1)风电场建设 从“七五”开始，风电场逐步发展，目前全国已建成风电场30多个，到2003年底装机容量56.7万kW。(2)商用机组的发展 七十年代中期内蒙古进行微型(1kW以下)风力发电机组的试制和使用。八十年代开始，新能源（包括风力发电）列入国家科技攻关计划，到九十年代中期全国共研制出从20W到200kW机组40多种。目前国内已生产600kW机组，兆瓦级机组正在研制中。,表1-6 全国风电场装机情况(2002年),图1-3 中国已建及部分拟建风电场分布图,二.风力机的类型、机构和组成,1.风力机的类型 风力机依风轮的结构及其在气流中的位置大体上可分为两大类，即：水平轴风力机和垂直轴风力机。,图2-1水平轴风力机a)高速风力机 b)低速风力机,图2-2垂直轴风力机a)S型风轮 b)达里厄型风力机,图2-3达里厄风力机的风轮结构,2.风力机的结构和组成 风力机主要由以下部分组成：风轮、传动机构(增速箱)、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器、控制系统等。,图2-4 风力发电机组的结构和组成,（1）风轮 图2-5 叶片的构造,（2）传动机构,图2-6 传动系统的部件和位置,图2-7 齿轮 传动a)定轴线齿轮传动 b)行星齿轮传动,（3）调速或限速装置偏离风向超速保护,图2-8 偏心距超速保护a)风轮沿水平轴偏转 b)风轮沿垂直轴偏转,利用气动阻力,图2-10 叶尖转动产生空气动力制动,图2-9 利用减速板产生的空气动力制动,变桨距调速,图2-12 一种风力机的叶片桨距控制,图2-11 改变叶片桨距结构,（4）调向装置 尾舵 侧风轮,图2-13 尾舵调向A=0.16A e/l,电动机驱动的风向跟踪系统 整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。(5)塔架 主要可分为管柱型和桁架型两类。(6)控制及监控系统 主要功能：顺序控制启动、并网、停机以及报警和运行信号的监测偏航系统的低速闭环控制桨距装置(如果是变桨距风力机)快速闭环控制与风电场控制器或远程计算机的通讯,三.风力机的工作原理和气动力特性,1.空气动力学的基本知识（1）升力和阻力Fy=CySVFx=Cx SVF=Cr SV 式中，Cy称为升力系数；Cx称为阻力系数；Cr称为总的气动力系数K=Cy/Cx 称为升阻比,图3-1 平板在流动空气中所受到的空气动力,（2）影响升力系数和阻力系数的因素 翼型的影响 攻角的影响,图3-2 不同叶片截面形状的升力和阻力,图3-3 流线型叶片的翼型及攻角,雷诺数的影响 雷诺数 Re=vL/v-风速,L-弦长，=/，为粘性系数 雷诺数增加，翼型附面层气流粘性减小，最大升力系数增加，最小阻力系数减小，升阻比增加。,图3-5 雷诺数对翼型空气动 力特性的影响,图3-4 翼型的升力特性和阻力特性曲线,翼型表面粗糙度的影响,1粗加工2砂纸砂过（已除颗粒，波浪度尚存）3水砂纸砂过（颗粒与波浪度均除）,图3-6 粗糙度对翼型阻力 系数的影响,2.风力机的工作原理,（1）风轮在静止情况下叶片的受力情况,图3-7 风力机起动时的受力情况,2.风力机的工作原理,（2）风轮在转动情况下叶片的受力情况,图3-8 旋转桨叶的气流速度及受力情况,图3-10 叶片不同截面处的安装 角（螺旋桨型叶片）,图3-9 叶片不同截面处的气流速 度及攻角（平板型叶片）,3.风力机的气动力特性,（1）贝兹（Betz）理论,图3-11 空气流过风轮旋转截面及 其前后的状况 a)空气流线 b)速度变化 c)压力变化,E=mV/2-mV2/2=AV1(V-V2)E=FV1 F=A(V-V2)F=mV-mV2=AV1(V-V2)V1=(V+V2)/2 E=A(V+V2)(V-V2)求其导数dE/dV2，并使之为零，则得 V2=V/3 Emax=(8/27)AV风能利用系数 Cp=E/Em式中，Em=AV,当V2=V/3时，得到 Cpmax=16/270.593,(2)风能利用系数,图3-12 一种典型的风能利用系数 与叶尖速比的关系曲线=wR/V,4.风力机的输出功率,Pm=CpPw=(1/2)AV3Cp=(/8)D2V3Cp,四.风力发电用的发电机及风力发电系统,1.对发电机及发电系统的一般要求（1）高质量地将不断变化的风能转换为频率电压恒定的交流电或电压恒定的直流电（2）高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本。（3）稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。2.恒速恒频发电机系统（1）同步发电机,f=pn/60E o=k1w,图4-1 三相同步发电机结构原理图,Zs=Rs+jXsU=EoUI=U/Zs,图4-3 三相同步发电机的一相向量图 a)过励磁 b)欠励磁,图4-2 三相同步发电机的一相等值电路,P=UI cos=(Eo U/Xs)sinQ=UI sin=(EoUcosU2)/Xs,（2）异步发电机,图4-4 异步发电机的一相等值电路图(a)和向量图(b)S=(ns-n)/ns-转差率 S0 作电动机运行S0 作发电机运行,图4-5 异步发电机的输出功率特性,（3）异步发电机与同步发电机的比较,表4-1异步发电机与同步发电机的比较 a)异步发电机的优点,b)异步发电机的缺点,3.变速恒频发电机系统,（1）不连续变速系统采用多台（通常是两台）不同转速的发电机双绕组双速异步发电机单绕组双速异步发电机,图4-6 变极绕组YY/Y联接法a)绕组接线 b)开关接法,（2）连续变速系统同步发电机交流/直流/交流系统,图4-7 由同步发电机和交流/直流/交流变换器组成的变速恒频发电系统,磁场调制发电机系统,图4-8 磁场调制发电机单相输出系统方框图及各部分输出电压波形,图4-9 磁场调制发电机系统单相电路图,双馈发电机系统,图4-10 双馈发电机系统nrn2=n1,4.小型直流发电系统,（1）交流永磁发电机（2）无刷爪极自励发电机,图4-11 切向式永磁转子,图4-12 无刷爪极自励发电机结构剖面图1-轴 2-左端盖 3-风扇 4-电枢绕组 5-连接环 6-左极爪 7-机座 8-定子铁心 9-励磁绕组 10-右极爪 11-托架 12-右端盖,五、风力发电机组的运行方式,1.风力发电机的并网运行（1）恒速恒频风力发电机的并网运行同步发电机的并网运行同步并网条件：风力发电机的端电压大小等于电网的电压 风力发电机的频率等于电网的频率 并联合闸瞬间，风力发电机与电网电压的相角相同 风力发电机的相序与电网的相序相同,图5-1 同步发电机与电网并联电路,异步发电机的并网运行a.异步发电机的并网条件 转子转向应与定子旋转磁场转 向一致，即两者相序相同 发电机转速应尽可能接近同步 速时并网b.并网运行时的功率输出,图5-2 异步发电机的软并网,图5-3 异步发电机的转距转速特性,c.无攻功率及其补偿 C=(QC/2fU2)103（2）变速恒频风力发电机的并网运行 同步发电机交/直/交系统的并网运行,图5-4 用电容器改善功率系数,图5-5 具有最大功率跟踪的交/直/交风电系统方框图,磁场调制发电机系统的并网运行,图5-6 三相磁场调制发电机系统 并网运行的励磁连接方式,图5-7 以风速为控制信号的磁场调制 发电机系统控制原理方框图,图5-8 以转速为控制信号的磁调制 发电机系统控制原理方框图,双馈发电机系统的并网运行,图5-9 采用双馈发电机的风电系统控制方框图,2.风力发电机组的独立运行及与其他发电装置互补运行（1）风力/柴油联合发电系统,图5-10 风力/柴油发电系统的 基本结构框图,图5-11 交替运行的风力/柴油 发电系统,图5-12 风力发电机与柴油发电机 并联运行,图5-13 具有蓄电池储能的风力/柴油发电系统,图5-14 交/直/交型变速风力发电机组 与柴油发电机组联合发电系统,图5-15 磁场调制型变速风力发电机 组与柴油发电机组联合发电 系统,图5-16 我国30kW风/光互补联合发电系统,（2）风/光联合发电系统,图5-17 德国建造的风/光/蓄联合发电系统,图5-18 风电机组配以蓄电池 储能的独立运行系统,图5-19 采用负载自动调节法的 独立运行系统,（3）风力发电机组的独立运行,图5-20 多台风力发电机组并联 运行的独立供电系统,六、风力发电机组的防雷保护,1.防雷系统的基本知识（1）雷电的危害方式 直击雷 雷电感应：静电感应和电磁感应 雷电波侵入（2）保护等级和防雷区 保护等级 轮觳高度不超过60m的风力发电机组：保护等级/1V 轮觳高度60m以上的风力发电机组：保护等级 防雷区（LPZ）LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZ2,图6-1 具有防雷区（LPZ）的 风力发电机组示意图,（3）外部防雷系统 接闪器 引下线 接地装置（4）内部防雷系统 金属装置的等电位连接 外来导体的等电位连接 电气装置和通讯装置的等电位连接,图6-2 接到基础接地体的等电位连接的接法,（2）塔架设计（3）偏航轴承处的连接（4）机座到接地装置的连接（5）发电机和齿轮箱到接地装置的连接（6）机舵中其他部件的连接（7）机舵的金属罩或非金属罩（8）风轮叶片的雷电传导（10）风轮轮觳的雷电传导（11）塔架内的电控系统和开关装置3.其他设施的防雷措施（1）与风力发电机组分开的操作间和变电站（2）塔架和单独建筑物之间敷设电缆的连接（3）单独建筑物内的开关装置（4）防雷区界面处电缆和电线的处理,2.风力发电机组的防雷措施（1）塔架基础接地体,图6-3 单独的变电站与风电机组的等电位连接,