风力发电原理-讲座.pdf

2009-04-30朱永强朱永强风电发电原理风电发电原理Principle of Wind Power声明：教学资料请匆转载声明：教学资料请匆转载华北电力大学朱永强13910002860（一）风力发电系统的构成（一）风力发电系统的构成华北电力大学朱永强13910002860?风力发电就是将风能风能转换为机械能机械能进而将机械能机械能再转换为电能电能的过程。风力发电系统风力发电系统华北电力大学朱永强13910002860?从外部看，整个风力发电机组看上去只有三个主要部分：风轮、机舱和塔架。风力发电系统风力发电系统?发电机、传动系统、控制系统等都集成在机舱内。?机舱除了承担容纳所有机械部件的功能，还起到承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。?机舱底盘和塔架之间有回转体，使机舱可水平转动。华北电力大学朱永强139100028601 叶轮，2 轮毂，3 变桨距部分，4 液压系统，5 齿轮箱，6 刹车盘，7 发电机，8 控制系统，9 偏航系统，10 测风系统，11 机舱盖，12 塔架华北电力大学朱永强13910002860（二）风力发电机组主要部件（二）风力发电机组主要部件华北电力大学朱永强13910002860?风轮是把风能转变为机械能的重要部件，由两个(或多个)螺旋桨形叶片（或称为桨叶）组成。?风轮叶片具有比较合理的形状。为了减小阻力，其断面呈流线型。?叶片前缘有很好的圆角，尾部有相当尖锐的后缘，表面光滑，风吹来时能产生向上的合力，桨叶上产生气动力驱动风轮很快地转动。风轮风轮华北电力大学朱永强13910002860?一般用于发电的风轮都是双叶片或三叶片的高速风轮。?这是因为：?（1）同样直径，高速风轮的重量轻，因而比低速风轮便宜；?（2）由于转速高，因而需要的增速比小，增速齿轮箱的重量轻；?（3）发电机所需的启动扭矩很低，虽然高速风轮本身的启动扭矩也低，但足以使发电机转起来发电。有些低速风轮也被试验用于风力发电。风轮风轮华北电力大学朱永强13910002860?风轮有固定桨距叶片和可变桨距叶片两种。?有些设计采用特殊调节机构来增加桨距，使静止的风轮易于启动。?另外一些固定桨距的高速风力发电机在启动时作为电动机运行，当达到额定转速时再转换为发电机。风轮风轮华北电力大学朱永强13910002860?对于容量较大的风电机组，因风轮转速很低，远达不到发电机发电的要求，往往通过齿轮箱的增速作用来实现。?风力发电机组中的齿轮箱也称为增速箱。?齿轮箱的主要功能就是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应转速。齿轮箱齿轮箱?对于大型风力发电机，由于限制其转速，传动装置的增速比一般为4050。?这样，可以降低发电机重量，从而降低成本。华北电力大学朱永强13910002860?有一些采用永磁同步发电机的风力发电系统，在设计时由风轮直接驱动发电机的转子，省去齿轮箱，以减轻重量和噪音。?这种被简称为“直驱式”风电机组。?风轮的转速和发电机的额定转速比较接近时，通常可以将发电机的轴直接连到风轮的轮毂。齿轮箱齿轮箱华北电力大学朱永强13910002860?只有当风垂直地吹向风轮转动面时，风力机才能发出最大功率。?对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准风向。?因此要有一种装置，使之在风向变化时，保证风轮跟着转动，自动对准风向。偏航系统偏航系统华北电力大学朱永强13910002860?为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，?MW级风电机组通常配有专门的对风装置偏航系统。?对于小容量风力发电机组，往往在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵，实现对风的功能。?MW级风电机组通常配有专门的对风装置偏航系统。?小容量风力发电机组，往往在风轮后面装个类似风向标的尾舵，实现对风的功能。偏航系统偏航系统华北电力大学朱永强13910002860?偏航系统的主要作用有两个：?1)与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率；?2)提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。偏航系统偏航系统华北电力大学朱永强13910002860?机组的偏航系统一般分为?被动偏航系统?主动偏航系统（大型机组都采用）偏航系统偏航系统?主动偏航采用电力或液压拖动来完成对风动作。?常见的有齿轮驱动和滑动两种形式。?并网型风力发电机组，通常采用主动偏航的齿轮驱动。华北电力大学朱永强13910002860?发电机的作用，是利用电磁感应现象把由风轮输出的机械能转变为电能。?发电机有基本类型：?直流发电机（小功率应用过去普遍采用）?交流发电机（中大型应用）?同步发电机?异步发电机（感应发电机）。发电机发电机华北电力大学朱永强13910002860?风力机通过传动机构传递到发电机轴上的机械力矩驱动发电机的转子旋转。?当转子绕组相对于定子磁场运动时，转子绕组的导体切割磁力线，便会在形成闭合回路的转子导体中感应出电压和电流。发电机中的电磁感应过程发电机中的电磁感应过程华北电力大学朱永强13910002860?带电的转子绕组也会在转子周围形成磁场，该磁场随着转子一起旋转。?那么静止不动的定子绕组与旋转的转子磁场之间也有了相对运动，从而由于定子绕组的导体在转子磁场中切割磁力线而在定子绕组中感应出电压和电流。发电机中的电磁感应过程发电机中的电磁感应过程华北电力大学朱永强13910002860?当然，定子绕组和转子绕组都有电流，定子铁心和转子铁心又都有磁场。?各种电磁反应过程同时存在，电磁感应情况要比上面介绍的复杂得多，但是基本原理大致可以这样理解。发电机中的电磁感应过程发电机中的电磁感应过程?在风力机驱动下，转子旋转速度足够快，则在发电机定子绕组中感应出的电流大于在其中建立磁场所需的励磁电流时，便会有电送入电网。华北电力大学朱永强13910002860?与直流发电机相比，同步机效率高，低转速下可比直流机多发电，高转速时也能发电效率高，低转速下可比直流机多发电，高转速时也能发电。?用于发电所必须的最高与最低转速之比较高，风轮可在较大风速变化范围内驱动同步发电机风轮可在较大风速变化范围内驱动同步发电机。同步发电机同步发电机?与异步发电机相比，同步机优点是可提供自身磁场的电流可提供自身磁场的电流，缺点是成本高，并网控制系统较复杂成本高，并网控制系统较复杂。并网控制系统包括测速电机、电压表、相位计、并网的自动装置以及逆功率继电器，以便保证风速减慢或电网电压降为零时与电网解列。华北电力大学朱永强13910002860?异步发电机可能是最便宜和最可靠的解决方式。?有很多优点：?结构成本低；?没有旋转的连接部件，易于启动；?容易并网，并网时没有振荡。异步发电机异步发电机?即使异步发电机的转速与同步转速相差百分之几也能并网，而且超载时间很短。?并网控制系统仅由一个转速计接触器控制并网，和一个逆电流继电器保证风速降低时与电网解列。华北电力大学朱永强13910002860?异步发电机的缺点是需要从电网得到励磁电流从电网得到励磁电流并且吸收无功功率吸收无功功率。异步发电机异步发电机?异步发电机可以作为电动机来启动风轮。?若风速低于起始风速，自动装置将使它与电网断开。?这非常有利于启动力矩低的固定桨叶高速风轮。华北电力大学朱永强13910002860?风力发电机都经过定子绕组将电能送入电网或送给用户。?现代大型风电机组，还有一种结合了同步发电机和异步发电机特点的双馈式感应发电机。?这种发电机的定子和转子都可以和电网交换功率，双馈因此而得名。发电机外部连接发电机外部连接?并网的大型风力发电机的定子绕组或转子绕组，一般经过电力电子变流器连接到电网。?变流器连接，有助于实现发电机输出控制。华北电力大学朱永强13910002860?风力发电机组产生的电能最终要经过电气系统送给电网或者用户。?风力发电机组与外部的连接如图所示风力发电系统风力发电系统1 风力机，2 机舱，3 塔架，4 控制和保护装置，5 电缆线路，6 配电装置，7 输电线路华北电力大学朱永强13910002860（三）风力机的功率控制（三）风力机的功率控制华北电力大学朱永强13910002860?即使垂直通过叶轮（叶片和轮毂的合称）旋转面的风能也不能全部被叶轮吸收利用。?通常定义一个风能利用系数Cp反映风力机吸收风能的效率，它是一个与风速、叶轮转速和浆叶节距角均有关系的量。?风能利用系数Cp的数值范围一般在1/32/5，最大可以到16/27=0.59。叶尖速比叶尖速比华北电力大学朱永强13910002860叶片尖端的线速率与风速之比，称为叶尖速比，可以下面的式子表示。叶尖速比叶尖速比/mRV=m其中 R叶轮的半径，叶轮的机械转速，V 作用于风力机的迎面风速。华北电力大学朱永强13910002860风能利用系数Cp与风力机叶尖速比的对应关系叶尖速比的影响叶尖速比的影响24681012141600.10.20.30.40.5=0=5=10=20叶尖速比风能利用系数Cp华北电力大学朱永强13910002860?对应于不同的风速，需要适当调节风力机的叶尖速比，才能保证风力机具有较高的风能利用系数，即最大限度的捕捉风能，进而使整个风力发电系统尽可能获得最大的电功率输出。?这部分功能可以由桨距调节系统（如果有）来实现。?对于具有变桨距调节功能的风力机而言，通过改变叶片角度，可以达到改变叶尖速比的目的。叶尖速比控制叶尖速比控制华北电力大学朱永强13910002860?对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率的表达式为：式中：-风能利用系数；-风轮扫掠过的面积，m2；-空气密度,kg/m3；-风速,m/s。321VACPP=PCAV风轮的功率输出风轮的功率输出华北电力大学朱永强13910002860?风力机的输出功率与风速的三次方成正比，同时也与风能利用系数Cp成正比。?对于特定的风速而言，通过适当调节叶尖速比，可以获得较高的风能利用系数，从而获得最大限度的机械功率输出，提高风能利用环节的效率。风力机的机械功率输出风力机的机械功率输出华北电力大学朱永强13910002860（三）风力机的频率和电压控制（三）风力机的频率和电压控制华北电力大学朱永强13910002860?交流发电机中的绕组通过交变磁极产生交流电。交流电的频率由发电机转速决定：发电机的输出频率发电机的输出频率其中 p发电机的磁极对数，n发电机的转速，f交流电的频率。60pnf=华北电力大学朱永强13910002860?恒频输出是风力发电机组连接到电网的基本要求。?根据发电机的运行特征和控制技术，恒频输出的风力发电技术可分为两大类：?恒速恒频，简称CSCF(Constant Speed Constant Frequency)，?变速恒频，简称VSCF(Variable Speed Constant Frequency)。发电机的恒频控制发电机的恒频控制华北电力大学朱永强13910002860?世界上大中型风电机组主要有两种型式：?定桨距失速调节型（属于恒速机型）?变桨距变速调节型?相比之下，变速型风力发电机具有不可比拟的优势。发电机的恒频控制发电机的恒频控制华北电力大学朱永强13910002860?一般用同步电机或者鼠笼式异步电机?通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值。?继而使风电机并网后定子磁场旋转频率等于电网频率?转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低。定桨距失速调节型华北电力大学朱永强13910002860?一般采用双馈电机或者永磁同步电机?通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转速可以跟随风速的变化在很宽的范围内变化，保持最佳叶尖速比运行，从而使风能利用系数在很大的风速变化范围内均能保持最大值，能量捕获效率最大。?发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。变桨距变速调节型华北电力大学朱永强13910002860?目前流行的变速变桨风电机组的动力驱动系统主要有两种方案：?升速齿轮箱绕线式异步电动机双馈变流器。?无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机全功率变流器。?两个方案各有优缺点：?前者采用高速电机，体积小，重量轻，双馈变流器的容量仅与电机的转差容量相关，效率高、价格低廉，缺点是升速齿轮箱价格贵，噪音大、易疲劳损坏。?后者无齿轮箱，可靠性高，但采用低速永磁电机，体积大，造价高，变流器需要全功率，成本提高。变桨变速风电机组的动力驱动华北电力大学朱永强13910002860变速恒频方式一：永磁同步直驱永磁直驱风力发电系统示意图永磁直驱风力发电系统示意图?变流器将风电机组定子能量输出到系统变流器将风电机组定子能量输出到系统?变流器容量等于风电机组容量变流器容量等于风电机组容量华北电力大学朱永强13910002860变速恒频方式二：变流励磁双馈?变流器连接风电机组专子，交换转差功率变流器连接风电机组专子，交换转差功率?变流器容量为风电机组容量的变流器容量为风电机组容量的1/31/2华北电力大学朱永强13910002860声明：内部资料请匆转载声明：内部资料请匆转载Zhu Y就到这里吧。休息，休息一下！就到这里吧。休息，休息一下！