风力发电原理论文汇总.doc
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1、风力发电的基本原理1 引言风是最常见的自然现象之一,是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”,流动空气具有的动能称之为风能。因此,风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织(WMO)和中国气象局气象科学研究院分析,地球上可利用的风能资源为200亿kW,是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW,海上可利用的风能是陆地上的3倍,50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍,风能资源非常丰富。2 风力发电基本理论知识2.1 风能的计算公式空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A,则当风速为V的风流经叶轮时,单位时间风传递给叶轮的风
2、能为其中:单位时间质量流量m=AV在实际中,式中:PW每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能,即风能功率,W;Cp叶轮的风能利用系数;m齿轮箱和传动系统的机械效率,一般为0.800.95,直驱式风力发电机为1.0;e发电机效率,一般为0.700.98;空气密度,kg/m3;A风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积,m2;V风速,m/s。2.2 贝茨(Betz)理论第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A贝茨于1926年建立的。贝茨假定风轮是理想的,也就是说没有轮毂,而叶片数是无穷多,并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是
3、均匀的,气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为式中:Pmax风轮所能产生的最大功率;空气密度,kg/m3;A风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积,m2;V风速,m/s。这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。将式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能,可推得风力机的理论最大效率式即为有名的贝兹(Betz)理论的极限值。它说明,风力机从自然风中所能索取的能量是有限的,其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。能量的转换将导致功率的下降,它随所采用的风力机和发电机
4、的型式而异,因此,风力机的实际风能利用系数Cpn1, 向n1的方向旋转, T 为制动转矩转差率: 同步转速n1与转子转速 n 的差与同步转速n1的比值,称为转差率,用s表示,即:S=(n1-n)/n1 或者 n=(1-s)n1笼型异步风力发电机系统的特点:(1)无功补偿:发电机励磁消耗无功功率,皆取自电网。应选用较高功率因数发电机,并在机端并联电容;(由于负荷经常变动,固定电容难以做到完全补偿。可能出现过补或欠补现象,造成电网电压浮动。可考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC)(2)软并网: 并网瞬间与异步电动机起动相似,存在很大的冲击电流,应在接近同步转速时并网,并加装可控硅软起动限流装置;
5、(3)过载能力:发电机的机械特性曲线较硬,允许转子转速变动范围小,导致风力机的风能转换率偏低。风速不稳时,风电机组容易受到冲击机械应力;(软特性发电机的转子损耗较大,发热严重)(4)高效轻载:绝大部分时间处于轻载状态,要求发电机的效率曲线平坦,在中低负载区效率较高。可考虑在轻载区,将定子绕组由角接改为星接,降低铁耗。笼型双速异步风力发电机系统的特点(1)变极双速笼型异步风力发电机方案 在同一台发电机的定子铁心中,埋设两套不同极对数的电枢绕组(通常为4/6极)。根据需要,可在两套绕组切换,以获得合适的运行转速。高速绕组角接,低速绕组星接,以降低轻载运行时的铁心磁密和损耗。(2)大、小电机方案:
6、采用两台不同容量、不同极对数的单速笼型异步发电机同轴串联。高速发电机角接,低速发电机绕组星接。根据需要,可在两套绕组切换。与变极双速方案相比,小电机的负荷率较高,发电效率更高。恒速恒频RCC异步风力发电机系统定义:转子电流控制技术是指通过电力电子开关和脉宽调制(PWM)来控制绕线型异步发电机转子电流的一项技术。系统的结构特征:(1)采用变桨风力机;(2)采用绕线型异步发电机,但没有滑环;(3)采用旋转开关器件斩波控制转子电流,动态调整发电机的机械特性。优 点:(1)风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节,其高频分量由RCC调节,可明显减轻桨叶应力,平滑输出电功率;(2)利用风轮作
7、为惯性储能元件,吞吐伴随转子转速变化形成的动能,提高风能利用率;(3)电力电子主回路结构简单,不需要大功率电源。缺 点:旋转电力电子开关电路检修、更换困难。系统特点:(1)交直交变频器使发电机转速与电网频率间的关联解耦;笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态;可利用发电机的电磁转矩控制风力机转子的转速,跟踪其最大功率点。发电机的运行转差率小,发电机机械特性硬,运行效率高;(2)发电机侧变频器运行于升压整流状态,机端电压可调,轻载运行时发电机的铁耗小、效率高;(3)电网侧变频器运行于逆变状态,将发电机发出的有功传送至电网,并可作为无功发生器参与调节电网无功;对电网波动的适应性好,可以将电网的波
8、动屏蔽于发电机之外;(4)变频器与发电机功率容量相等,系统成本高。双馈异步发电机的运行原理 转子交流励磁(1)转子电流的频率为转差频率,跟随转子转速变化;(2)通过调节转子电流的相位,控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场,从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态;(3)通过调节转子电流的幅值,可控制发电机定子输出的无功功率;(4)转子绕组参与有功和无功功率变换,为转差功率,容量与转差率有关(约为电磁功率的0.3倍,|s|0.3)系统特点:(1)连续变速运行,风能转换率高;(2)部分功率变换,变频器成本相对较低;(3)电能质量好(输出功率平滑,功率因数高);(4)并网简单,无冲击电流
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