绿色电力第03章风能发电.ppt

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1、绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,第三章 风能发电,3-1 风能简介3-2 风能发电的基本原理3-3 我国风能发电现状与展望,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,3-1 风能简介,风的起源及特性风能利用的历史 风能特点,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风的起源及特性,风的起源风的变化风力等级风况曲线,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风的起源,风是最熟悉的自然现象。它是由于空气的流动而产生的。空气的流动也像水流一样是从压力高处往压力低处流。太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66.5的夹角，因此对地球上不同地点，太阳照射角度是不

2、同的，而且对同一地点一年365天中这个角度也是变化的。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,地球上某处所接受的太阳辐射能正是与该地点太阳照射角的正弦成正比。地球南北极接受太阳辐射能少，所以温度低，气压高；而赤道接受热量多，温度高，气压低。另外地球又绕自转轴每24h旋转一周，温度、气压昼夜变化。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,这样由于地球表面各处的温度、气压变化，气流就会从压力高处向压力低处运动，以便把热量从热带向两极输送，因此形成不同方向的风，并伴随不同的气象变化。大洋中的海流也起着类似的作用。从全球尺度来看，大气中的气流是巨大的能量传输介质，地球的自转以进一步促进了大气中半

3、永久性的行星尺度环流的形成。地球上风的运动方向如图表示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,地球上风的运动,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,地球上各处的地形地貌也会影响风的形成，如海边，由于海水热容量大，接受太阳辐射能后，表面升温慢，陆地热容量小，升温比较快。于是在白天，由于陆地空气温度高，空气上升而形成海面吹向陆地的海陆风。反之在夜晚，海水降温慢，海面空气 温度高，空气上升而形成由陆地吹向海面的陆海风，如图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,（a）白昼海防风；（b）夜间陆海风,海陆风的形成图,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,在山区，白天太阳使山上空气

4、温度升高，随着热空气上升，山谷冷空气随之向上运动，形成“谷风”。相反到夜间，空气中的热量向高处散发，气体密度增加，空气沿山坡向下移动，又形成所谓“山风”。另外局部温度梯度等因素也会使风能分布发生变化。“谷风”和“山风”如图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,（a）夜间“山风”；（b）白天“谷风”,山谷风形成图,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风的变化,风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从北方吹来就称为北风。风速是表示风移动的速度，即单位时间内空气流动所经过的距离。显然风向和风速这两个参数都是在变化的。（1）风随时间的变化风随时间的变化，包括

5、每日的变化和季节的变化。通常一天之中风的强弱在某种程度上可以看作是周期性的。如地面上夜间风弱，白天风强；高空中正相反是夜里风强，白天风弱。这个逆转的临界高度约为100150m。在日本川口国际广播电台无线电铁塔不同高度处，测得的一天内的风速变化如图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,不同高度处风速的变化图,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,由于季节的变化，太阳和地球的相对位置也发生变化，使地球上存在季节性的温差。因此风向和风的强度也会发生季节性变化。我国大部分地区风的季节性变化情况是：春季最强，冬季次 之，夏季最弱。当然也有部分地区例外，如沿海温州地区，夏季季风最强，春季季

6、风最弱。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,（2）风随高度的变化从空气运动的角度，通常将不同高度的大气层分为三个区域（见下图）。底层：离地面2m以内的区域；下部摩擦层：2-100m的区域，底层和下部摩擦层二者总称为地面境界层；上部摩擦层：从100-1000m的区段，底层、下部摩擦层和上部摩擦层三区域总称为摩擦层。摩擦层之上是自由大气。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,大气层的构成图,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,地面境界层内空气流动受涡流、黏性和地面植物及建筑物等的影响，风向基本不变，但越往高处风速越大。各种不同地面情况下，如城市、乡村和海边平地，其风速随高度的变

7、化如下图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,不同地面上风速和高度的关系图,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,关于风速随高度而变化的经验公式很多，通常采用所谓指数公式，即 式中 V-距地面高度为h处的风速，m/s；V1-高度为h1处的风速，m/s；N-m验指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度，其值约为1/21/8。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,对于地面境界层，风速随高度的变化则主要取决于地面粗糙度。不同地面情况的地面粗糙度如表所示。此时计算近地面不同高度的风速时仍采用上述公式，只是用代替式中的指数n。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,不同地面情况的地

8、面粗糙度,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,（3）风的随机性变化如果用自动记录仪来记录风速，就会发现风速是不断变化的，一般所说的风速是指变动部位的平均风速。通常自然风是一种平均风速与瞬间激烈变动的紊流相重合的风。紊乱气流所产生的瞬时高峰风速也叫阵风风速。下图表示了阵风和平均风速的关系。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,阵风和平均风图速 a一阵风振幅；b一阵风的形成时间；C一阵风的最大偏移量；d一阵风消失时间,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风力等级,世界气象组织将风力分为13个等级，如下表所示，在没有风速计时可以根据它来粗略估计风速。,绿色电力/2008,武汉大学电

9、气工程学院,气象风力等级表,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风况曲线,风况曲线是风能利用的基础资料。它是将全年（8760h）风 速在v（ms）以上的时间作为横坐标，纵坐标则为风速v，如下图所示。从风况曲线即可知道该地区某种风速以上有多少小时，从而制定相应的风能利用计划。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,日本石廊崎等地区的风况曲线图,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风能利用的历史,全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。,绿色电

10、力/2008,武汉大学电气工程学院,我国利用风能的历史公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。到了宋代更是我国应 用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,古代波斯和中国的垂直轴风车,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,国外利用风能的历史公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米；10世纪伊斯兰人用风车提水；11世纪风车在中东已获得广泛的 应用；13世纪风车传至欧洲；14世纪风车成为欧洲不可缺少的原 动机。在荷兰风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，以后又用于榨油和锯木。只是由于蒸汽机的出现，才

11、使欧洲风车数目急剧下降。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,中世纪的欧洲风车磨坊 美国农场风车,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,美国早在1974年就开始实行联邦风能计划。其内容主要是：评估国家的风能资

12、源；研究风能开发中的社会和环境问题；改进风力机的性能，降低造价；主要研究为农业和其他用户用的小于100kw的风力机；,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,为电力公司及工业用户设计的兆瓦级的风力发电机组。美国已于80年代成功地开发了100、200、2000、2500、6200、7200kw的6种风力机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家，每年还以10的速度增长。现在世界上最大的新型风力发电机组已在夏威夷岛建成运行，其风力机叶片直径为97.5m，重144t，风轮迎风角的调整和机组的运行都由计算机控制，年发电量达1000万kwh。根据美国能源部的统计至1990年美国风力发电已占总发

13、 电量的1。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,在瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙，也根据各自国家的情况制定了相应的风力发电计划。瑞典1990年风力机的装机容量已达350MW，年发电10亿kwh。丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站，装机容量2000kw，三片风叶的扫掠直径为54m，混凝土塔高58m，预计到2005年电力需求量的10将来源于风能。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,德国1980年就在易北河口建成了一座风 力电站，装机容量为3000kw，到本世纪末风力发电也将占总发电量的8。英国，英伦三岛濒临海洋，风能十分丰富，政府对风能开发也十分重视，到1990年

14、风力发电已占英国总发电量的2。日本，1991年10月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投人运行，5台风力发电机可为700户家庭提供电力。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,与发达国家相比，我国风能的开发利用还相当落后，不但发展速度缓慢而且技术落后，远没有形成规模。在21世纪，我国应在风能的开发利用上加大投入力度，使高效清洁的风能能在我国能源的格局中占有应有的地位。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风能特点,风能就是空气流动所产生的动能。大风所具有的能量是很大的。风速910m/s的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积上约有10kg；风速20ms的9级风，吹到物体表面上的力

15、，每平方米面积可达50kg左右；台风的风速可达5060ms，它对每平方米物体表面上的压力，竟可高达200kg以上。汹涌澎湃的海浪，是被风激起的，它对海岸的冲击力是相当大的，有时可达每平方米2030t的压力，最大时甚至可达每平方米60t左右的压力。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风不仅能量是很大的，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山岩发生侵蚀，造成沙漠，形成风海流；它可在地面作输送水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，造成雨季和旱季。专家们估计，风中含有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高得多。全世界每年燃烧煤炭得到的能量，还不到风力在同一时间内所提

16、供给我们的能量的1。可见，风能是地球上重要的能源之一。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。自然界中的风能资源是极其巨大的。据世界气象组织估计，整个地球上可以利用的风能为2107MW。为地球上可资利用的水能总量的10倍。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有四大优点和三大弱点。四大优点：蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,三大弱点：密度低；不稳定；地区差异大。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,密

17、度低这是风能的一个重要缺陷。由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1816。从下表可以看出，在各种能源中，风能的含能量是极低的，给其利用带来一定的困难。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,不稳定由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。地区差异大由于地形的影响，风力的地区差异非常明显。一个邻近的区域，有利地形下的风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,3-2 风能发电的基本原理,风力发电的特点风力机的工作原理风力机的主要部件,绿色电力/2008,武

18、汉大学电气工程学院,风力发电的特点,风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。风力发电有很強的地域性。不是任何地方都可以建站的。它必須建在风力资源丰富的地方。即风速大、持续时间长。风力资源大小与地势、地貌有关，山口、海岛常是优选地址。如新彊达板城、年平均风速6.2米/秒；内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7.2米/秒，,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,江西鄱阳湖，年平均风速7.6米/秒；河北张北，年平均风速6.8米/秒；辽宁东港，年平均风速6.7米/秒；广东南澳，年平均风速8.5米/秒；福建平潭岛全县年平均风速8.4米/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8.5米/秒，年可发电风时数为

19、3343小时，为目前中国之冠。（以上数字引自“全国风力发电信息中心的并网风电场介绍”）。南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。在我国這样的地方还有许多许多正等待我们去探索、发现。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风的季节性，决定了風力发电在整个电网中处于“配角地位。风力发电机使用有三种运行方式：能源利用：风力发电机，机群并网运行。有风发电，电能送入电网。无风不发电。无电网的高山，海岛，牧区：风力发电机与柴油发电机并联运行。有风时风力发电，无风时柴油发电机犮电。对用户来説时时都有电。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,同上无电网地区，要求不使用柴油发电，时时有电

20、供应：採用蓄电池儲能的AC-DC-AC，即交，直，交风力发电系统。也就是有风时，风力发电机发出交流电，经整流为直流电对蓄电池充电。再利用电力电子器件制造的“逆变器将蓄电池中的直流电转化为三相恒频恒压的交流电。这种系统多用在高山雷达站、微波中继站，海洋灯塔，航标灯场合。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,建设周期短一个万千瓦级的风电场建设周期不到一年。装机规模灵活根据资金情况灵活安排可靠性高机组寿命一般可达20年。运行维护简单,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,实际占地面积少机组、监控与变电等建筑仅占火电厂的1%土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。单机容量小,绿色电力/2008,

21、武汉大学电气工程学院,风力机的工作原理,风力发电是利用风能来发电，而风力发电机(简称风电机组)是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形。在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风力机的工作原理,风力机经过2000年的发展过程，现在已有很多种型式有的是老式风力机，现在不再使用；有的是现代风力机，正为人们广泛利用；有的正在研究之中。尽管风力机的型式各异，但它们的工作原理是相同的，即利用风轮从

22、风中吸收能量，然后再转变成其他形式的能量。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风力机的种类,风力机归纳起来可分为两类：水平抽风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图(a)所示；垂直抽风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图(b)所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,水平轴风力机；垂直轴风力机,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,(一)水平轴风力机,水平轴风力机可分为升力型和阻力型两类。升力迎风旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机。大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。,绿色电力/

23、2008,武汉大学电气工程学院,风力机的风轮在塔架前面的称上风向风力机；风轮在塔架后面的则称下风向风力机。水平轴风力机的式样有的具有反转叶片的风轮；有的在一个塔架上安装有多个风轮，以便在输出功率定的条件下减少塔架的成本；有的利用锥型罩，使气流通过水平轴风轮时集中或扩散，因此加速或减速；还有的水平轴风力机在风轮周围产生旋涡，集中气流，增加气流速度。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,(二)垂直轴风力机,垂直轴风力机在风向改变时无需对风，这是它比水平轴风力机优越的地方。这不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。利用阻力旋转的垂直轴风力机有几种类型有利用平板和杯子做成的风轮，这是

24、种纯阻力装置；有S型风机，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比较低，在风轮尺寸、重量和成本一定的条件下，提供的功率输出较低。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风力机的主要部件,水平轴风力机主要由风轮、塔架及对风装置组成，如右图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风 轮,水平轴风力机的风轮由1-3个叶片组成，它是风力机从风中吸收能量的部件。叶片的结构有如下四种形式，如下图所示。(1)实心木质叶片，这种叶片是用优质木材精心加工而成，其表面可以蒙上一层玻璃钢，以防雨水和尘土对木材的侵蚀。(2)使用管子作为叶片的受力梁，用泡沫材料、轻木或其他材料

25、作中间填料，并在其表面包上一层玻璃钢。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,(3)叶片用管梁、金属肋条和蒙皮组成。金属蒙皮做成气动外型，用钢钉和环氧树脂将蒙皮、肋条和管梁黏结在一起。(4)叶片用管梁和具有气动外型的玻璃钢蒙皮做成。玻璃钢蒙皮较厚，具有一定的强度，同时，在玻璃钢蒙皮内心黏结些泡沫材料的肋条。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力对叶片是一个拉力而气动力使叶片弯曲，如下图所示。当风速高于风力机的设计风速时，为防叶片损坏，需对风轮进行控制。控制风轮主要有三种方法：使风轮偏离主风向；

26、改变叶片角度(改变桨距角)；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,偏离主风向的控制方法如下图所示，当风速太大时，风轮向侧方或上方偏转，从而减少了风轮的迎风面，防止过转速。侧向偏转风轮在风轮中心与风力机支撑塔的旋转中心之间有一个偏心距，当大风时，使风轮旋转面偏向侧方。对于向上偏转风轮，当风速太大时，风轮旋转面便向上偏转。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,叶片变桨距机构如右图所示。它是通过改变风力机叶片的角度来控制输出功率。对于大风力机，通过控制系统来改变桨距以

27、控制输出功率。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,对于小风力机，当叶片转速超过额定转速时，由连接在每个叶片上控制锤的离心力的作用使叶片的桨距角加大，而避开风力的作用。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,扰流控制器如右图所示。在风力机风轮叶片的尖端装上扰流控制器后，在过转速时离心力增大，扰流控制器克服弹簧的拉力张开，增加了阻力，从而降低了风轮的转速。,在大型风力机上，为了使风轮完全停下来，可在低速轴或高速轴上安装机械刹车。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,塔 架,作用：把风轮支撑起来，让风轮能在地面上较高的风速中运行，如下图所示。塔架承受两个主要载荷：一个是风力机的重力

28、，向下压在塔架上；一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,塔架的基本形式张线支撑式；悬臂梁式。塔架所用的材料木杆、铁管或其他圆柱结构；也可以是钢材做成的桁（heng)架结构。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,塔架的选择引起塔架破坏的载荷主要是风力机的重力和塔架所受的阻力。使用塔架的目的是使风轮获得较大的风速。因此，选择塔架要根据风力机的实际情况来确定。必须考虑塔架成本；必须考虑塔架形式。大型风力机的塔架基本是锥形圆柱钢塔架。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,对风装置,自然界的风，不论是速度还

29、是方向，都经常发生变化。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转向经常对准风向。为此，需要对风装置。典型的对风装置如下图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,上图(a)是用尾舵控制对风的最简单的力法，小型风力机多采用这种方式。上图(b)是在风力机两侧装有控制力向的舵轮，多用于小型风力发电机。上图(c)是用专门设计的风向传感器与伺服电机相结合的传动机构来实现对风，多用于大型风力发电机组。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,独立运行的风力发电系统,直流系统右图为一个由风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置向电阻性

30、负载供电的电路图。图中L代表电阻性负载(如照明灯等)J为逆流继电器控制的动断触点。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，则发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。为了防止这种情况出现，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断触点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器动作，断开动断触点J，使蓄电池不能向发电机反向供电。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,以蓄电池组作为蓄能装置的独立运行风力发电系统中，蓄电池组容量的选择至关重要，因为这是保证在无风期能对负载持续供电的关键因素。一

31、般来说，蓄电池容量的选择与选定的风力发电机的额定数值(容量、电压等)、日负载(用电量)状况以及该风力发电机安装地区的风况(无风期持续时间)等有关；,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,同时还应按10h放电率电流值(蓄电池的最佳充放电电流值)的规定来计算蓄电池组的充电及放电电流值，以保证合理的使用蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,交流系统由交流风力发电机组经整流器组整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统，如下图所示；,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,如果在蓄电池的正负极端接上逆变器，则可向交流负载供电，如下图所示。,绿色电力/2008,武

32、汉大学电气工程学院,并网运行的风力发电系统,风力机驱动双速异步发电机与电网并联运行双速异步发电机 双速异步发电机系指具有两种不同的同步转速(低同步转速及高同步转速)的电机。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,使用双速异步发电机的原因由于风能的随机性，风速的大小经常变化，驱动异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转。通常风力机在低于额定风速下运行的时间约占风力机全年运行时间的60-70。为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年来与电网并联运行的风力发电系统中的发电机大多采用双速异步发电机。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,双速异步发电机的并网异步发电机并网时多采用

33、晶闸管软并网方法来限制并网瞬间的冲击电流。双速异步发电机与单速异步发电机一样，也是通过晶闸管软并网方法来限制启动并网时的冲击电流，同时也在低速(低功率输出)与高速(高功率输出)绕组相互切换过程中起限制瞬间电流的作用。双速异步发电机通过晶闸管软切入并网的主电路如下图所示。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,软并网方法,双速异步发电机的并网过程如下：(1)当风速传感器测量的风速达到启动风速(一般为3.0-4.0m/s)以上，并连续维持达5-10min时，控制系统计算机发出启动信号，风力机开始启动。此时发电机被切换到小容量低速绕组(例如6极，1000

34、 r/min)，根据预定的启动电流值，当转速接近同步速时，通过晶闸管接入电网，异步发电机进入低功率发电状态。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,(2)若风速传感器测量的1min平均风速远超过启动风速，例如7.5m/s，则风力机启动后，发电机被切换到大功率高速绕组(例如4极，1500r/min)。当发电机转速接近同步转速时，根据预定的启动电流值，通过晶闸管接入电网，异步发电机直接进入高功率发电状态。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,双速异步发电机的运行控制 双速异步发电机的运行状态，即高功率输出或低功率输出(在采用两台容量不同发电机的情况下，即是大电机运行或小电机运行)，是通过

35、功率控制来实现的。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,小容量电机向大容量电机的切换当小容量发电机的输出在一定时间内(例如 5min)平均值达到某一设定值(例如小容量电机额定功率的75左右)，通过计算机控制将自动切换到大容量电机。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,为完成此过程，发电机暂时从电网中脱离出来，风力机转速升高，根据预先设定的启动电流值，当转速接近同步速时，通过晶闸管并入电网，所设定的电流值应根据风电场内变电所所允许投入的最大电流来确定。由于小容量电机向大容量电机的切换是由低速向高速的切换，故这一过程是在电动机状态下进行的。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,大

36、容量电机向小容量电机的切换当双速异步发电机在高输出功率(即大容量电机)运行时，若输出功率在一定时间内(例如5min)平均下降到小容量电机额定容量的50%以下时，通过计算机控制系统，双速异步发电机将自动由大容量电机切换到小容量电机(即低输出功率)运行。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,必须注意的是，当大容量电机切出，小容量电机切入时，虽然由于风速的降低，风力机的转速已逐渐减慢，但因小容量电机的同步转速较大容量电机的同步转速低，故异步发电机将处于超同步转速状态下，小容量电机在切入(并网)时所限定的电流值应小于小容量电机在最大转矩下相对应的电流值，否则，异步发电机会发生超速，导致超速保护动

37、作而不能切入。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,3-3 我国风能发电现状与展望,我国风能发电现状我国风能发电展望,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国风能发电现状,我国风能资源我国风能发电基本情况我国风能发电与世界风能发电的比较,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国风能资源,我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。据国家气象局估算，全国风能密度为100w/m2，风能资源总储量约1.6105MW，特别是东南沿海及附近岛屿、内蒙古和甘肃走廊、东北、西北、华北和青藏高原等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4000h左右，一些地区年平均风速可达67m/s以上，具有

38、很大的开发利用价值。我国风能资源划分为如下几个区域。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国最大风能资源区：东南沿海及其岛屿。有效风能密度大于、等于200W/m2的等值线平行于海岸线；沿海岛屿的风能密度在300W/m2以上；有效风力出现时间百分率达8090，大于、等于8m/s的风速全年出现时间约70008000h，大于、等于6m/s的风速也有4000 h左右。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国次大风能资源区：内蒙古和甘肃北部。这一地区，终年在西风带控制之下，而且又是冷空气入侵首当其冲的地方，风能密度为200300W/m2，有效风力出现时间百分率为70左右，大于、等于3m/

39、s的风速全年有5000h以上，大于、等于6m/s的风速在2O00h以上，从北向南逐渐减少，但不象东南沿海梯度那么大。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国风能较大区：黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海。风能密度在200W/m2以上，大于、等于3m/s和6m/s的风速全年累积时数分别为50007000h和3000h。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风能较大区：青藏高原、三北地区的北部和沿海这个地区，风能密度在150200W/m2之间，大于、等于3m/s的风速全年累积为 40005000h，大于、等于6m/s风速全年累积为3000h以上。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学

40、院,我国最小风能区：云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区，以及塔里木盆地。有效风能密度在50W/m2以下，可利用的风力仅有20左右，大于、等于3m/s的风速全年累积时数在2000h以下，大于、等于6m/s的风速在150h以下。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风能季节利用区：在青藏高原、三北地区的北部和沿海和云贵川，甘肃、陕西南部，河南、湖南西部，福建、广东、广西的山区，以及塔里木盆地等地区以外的广大地区。有的在冬、春季可以利用，有的在夏、秋季可以利用。这一地区，风能密度在50100W/m2之间，可利用风力为3040，大于、等于3m/s的风速全年累积在200

41、04000h，大于、等于6m/s的风速在1000h左右。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,天高地远，四野空旷，河北省张家口坝上地区，大风吹得风能发电机的巨大叶片呼呼打转。“新能源产业发展前景广阔。”河北省发改委主任沈小平说，“按照党的十七大提出的发展清洁能源和可再生能源、建设科学合理的能源资源利用体系的要求，河北将加快发展新能源产业，十一五期间全省新能源建设总投资将达302亿元。”,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,在过去的四年，中国的风电装机容量一路飙升，每年均以翻番的速度增长，至去年年底，中国累计风机装机容量已达1221万千瓦，首度超越印度成为亚洲第一，而当年的新增装机容

42、量，也仅次于美国。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,尚义是河北开发风能的先行者。据测算，河北以张家口市、承德市为主的陆上风能资源总储量达7400万千瓦。目前，张家口、承德已建成张北长城、围场红松、尚义满井、张北满井、康保卧龙图山5个风电场。国华能源投资公司、国电龙源集团和荷兰努安公司等国内外大公司纷至沓来。今年1月，张家口市在多次调整风电发展规划之后，再次将2010年的风电装机容量调高为300万千瓦。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,利用海上风力发电的我国首座海上风力发电站绥中361风电站自并网发电以来运行良好，到3月4日，已连续发电运行1208.6小时，共计发电54.62

43、53万千瓦时。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,瑞典国有电力公司Vattenfall与德国西门子公司签署了为期二年的价值16亿克朗（约合2.7亿美元）的合作建设风力发电站的框架协议。attenfall公司风力发电负责人表示：该协议的签署意味着我们已经突破了风力发电的技术瓶颈，为进一步开展风力发电等可替代能源方面的合作奠定了坚实的基础。其目标是在北部地区合作建设1000座风力发电站，为国内160万户人家提供电力供应。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,挪威正式启用世界首个海上漂浮式风力发电站,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,风力发电机名为“Hywind”，高65米，重

44、达5300吨，位于挪威西南部海岸附近卡莫伊岛(Karmoey)10公里处。在一些国家使用这种风力发电机，比如岸边水特别深的国家，或是没有建造地面风力发动机空间的国家。”Hywind风力发电机的发电量为2.3兆瓦，项目总投资4亿挪威克朗(约合6600万美元)，远远高于固定式风力发电机。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国风能发电基本情况,到2006 年底，我国已建成约91 个风电场，装机总容量达到约260 万千瓦，比2005 年新增装机134 万千瓦，增长率105%，快过05 年66%的同比增长速度。2007年全国各地蓬勃发展，2007年底中

45、国风电装机容量达到400万千瓦。2008年底我国风电装机容量已突破1200万千瓦 2009年全球风电装机总量达到157.9千兆瓦,较上年增加了37.5千兆瓦,新增装机容量中有近三分之一来自中国,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,2007年9月24日，随着华电内蒙古辉腾锡勒12万风电项目86号风机叶片的吊装，标志着内蒙古风电装机顺利实现百万千瓦，成为我国首个百万千瓦风电规模的省区。2007年6月，国家发改委正式做出批复，同意张家口坝上地区在2010年建成150万千瓦风电基地。还有2007年9月初，大唐吉林发电有限公司与洮南市政府合作，投资逾百亿元、装机总容量百万千瓦的风电项目落户洮南。这

46、些无不昭示着风电正在我国各地蓬勃发展。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,上海东海大桥10万千瓦海上风电示范项目,总装机容量102兆瓦，全部采用华锐风电自主研发的34台3兆瓦海上风电机组。预计未来年发电量可达2.6亿度，所发电能将通过海底电缆输送回陆地，可供上海20多万户居民使用一年，相当于每年节约燃煤10万吨，每年减排二氧化碳20万吨。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,六大陆上风电基地,河北、内蒙古、东北、甘肃、新疆及江苏等地将建成总计2900万千瓦、8100万千瓦的风电装机量。风电装机规划量最大的是内蒙古：2020年目标为2800万千瓦，甘肃省2015年的风电规划是120

47、0多万千瓦,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,位于北京市西北端官厅水库南岸一期项目每年可生产约1亿度电，至少能满足10万户家庭的生活用电需要每年可节约煤炭5万吨，还可减少二氧化碳排放10万吨、二氧化硫排放782吨、一氧化碳11吨、氮氧化物444吨,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,相比而言，小型风力发电机（100W-5KW）在中国很普及，1998年，有156,000台风力发电机投入运行，装机总容量达到18.1MW，用户量增长到159,000户绝大多数是内蒙古的牧民。但是，小型发电机由于市场饱和，近期发展速度放慢。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,到2009年底，中国风

48、电机组累计装机容量将达到2627.626万千瓦，比去年新增装机1303万千瓦。届时，中国将有9个省份的累计风电装机容量超过100万千瓦，依次分别为内蒙古、河北、辽宁、黑龙江、吉林、江苏、山东、新疆和甘肃。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,在2010年,中国将在23个省份有新增风电装机,除台湾省外,其他省份的预计新增装机容量将达到1029.57万千瓦。其中，内蒙古的新增装机容量将继续保持领先地位，达到290.11万千瓦;甘肃的新增装机容量将位居第二位，达到286.15万千瓦。河北省将以117.58万千瓦的新增装机容量位居第三位。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,我国风电的发展

49、前景发展风电的必要性：前面已经提到，我国有丰富的风能资源，这为发展我国的风电事业创造了十分有利的条件。但就我国目前电力事业而言，火力发电仍是我国的主力电源。以燃煤为主的火电厂，正在大量排放污染气体，这对我国的环保极为不利。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,发展风电，一方面有利于我国电源结构的调整；另一方面又有利于减少污染气体的排放而缓解全球变暖的威胁。同时，又有利于减少能源进口方面的压力，对提高我国能源供应的多样性和安全性将作出积极的贡献。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,国家对发展风电的政策支持：国家“三委”、“四部”重视风力发电。“三委”指国家计委、国家科委、国家经贸委

50、，“四部”指电力部、机械部、航天部、水利部。由于风电场建设成本较高，加之风能的不稳定性，因而导致风电电价较高，而无法与常规的火电相竞争。在这种情况下，为了支持发展风力发电，国家曾给予多方面政策支持。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,国家为了支持和鼓励发展风电产业，原国家计委和国家经贸委曾提供补贴或贴息贷款，给建立采用国产机组的示范风电场业主。,绿色电力/2008,武汉大学电气工程学院,为了大力发展风电这一绿色能源产业，同时又与世界风电产业发展趋势相适应，国家发改委分别于2003年和2005年召开了两次风电工作会议，并把2020年风电远景规划目标从初定的2000万kW上调到4000万k