1、 网络教育学院新能源发电课 程 设 计题 目： 风力发电技术 学习中心：奥鹏 学习中心（直属）层 次： 专 业： 电气工程及自动化 年 级： 年 春/秋 季 学 号： 学 生： 辅导教师： 完成日期： 年 月 日 序言能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛，
2、但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术发展，对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。第一章 风力发电发展的现状11. 风能利用历史人类利用风能的历史，至少可以追溯到 5000 多年以前。埃及可能是最先利用风能的国家。2000 多年以前，人类开始利用风的力量进行生产，例如靠风力带动简易装置来碾米磨面、引水灌溉。公元前几百年，亚洲的巴比伦人、波斯人也开始利用风能。公元 10 世纪，伊斯兰人开始用风车提水。到 11 世纪，风车在中东地区已经获得广泛的应用。12 世纪，风车的概念和设计从中东传入欧洲。荷兰人发明了水平转轴的塔形风车，并且很快风靡北欧。唐吉诃德大战风车的故
3、事听说过吧？（可以查阅相关资料进行了解） 。除了磨面、榨油、造纸、锯木等生产作业之外，在比利时等地势较低国家还用风车来排水。我国至少在 3000 年以前就出现了帆船。中国最辉煌的风帆时代是明代，郑和下西洋，庞大的风帆船（见教材）在那几次举世闻名的航行中功不可没。郑和的“准环球”旅行，比西方的哥伦布和麦哲伦早了好几百年。公元前数世纪我国人民就开始利用风力提水、灌溉、磨面、舂米等。1300 多年前宋代的一种垂直轴“走马灯式” ，一直沿用到新中国成立。中国沿海沿江地区的风力提水灌溉或制盐的做法，曾经非常盛行，仅在江苏沿海利用风力的设备就曾多达 20 万台。我国使用最广泛的是“斜杆式”风车，直到今天，
4、沿海地区农田和盐场中仍有上千台之多。12 我国风力发电的现状2005 年 2 月，我国国家立法机关通过了可再生能源法 ，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。2009 年 12 月，我国政府向世界承诺到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 40%45%，把应对气和变化纳入经济社会发展规划，大力发展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到 2020 年非化石能源占一次能源消费比重达到 15%左右。随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛发展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。我国自
5、上世纪 80 年代中期引进 55kW 容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到 2009 年底，我国风电总装机容量达到 2601 万 kW，位居世界第二，2009年新增装机容量 1300 万 kW，占世界新增装机容量的 36%，居世界首位1,2。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，预计2010 年我国累计装机容量有望突破 4000 万 kW。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
6、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
7、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
8、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一 现有风力发电系统的结构及各自特点小型发电直流混合系统小型发电交流混合系统A 型：恒 速B 型：有 限变速C 型：变速含部分功率变频器发电机类型 优点 缺点双绕组双速异步发电机相对于单绕组单速型风力机，风能利用效率增高，适应风速变化范围大，可靠性高造价成本高，具有齿轮箱，机械承受应力大，噪声大，易出故障可变转子电阻绕线式感应发电机相比恒速风力机风能利用率高，变桨距动作频率减小，可靠性增高控制系统负载，机械承受应力较大，有齿轮箱，噪声大
9、双馈式异步发电机机械承受应力小，独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率，可以产生无功提供给定子电气损耗大，有齿轮箱，价格昂贵，发电机要使用滑环，可靠性降低。在弱电网情况下，电压会波动。绕线式同步发电机机械承受应力小，噪声小，气动效率高，不需要无功功率补偿系统，频率稳定，电能质量高。电器损耗和变频器容量大，成本较高。二 永磁同步发电机控制A. 工作原理：1. 风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能。2. 直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能。3. 变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网。B 控制模式：1. 监视电
10、网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制。2. 根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。3. 控制基本目标：保证风力发电机组安全可靠运行; 获取最大能量; 提供良好的电力质量。三风力发电系统的并网技术1.风力发电系统的并网技术及对电力系统的影响1. 风力发电机并网的条件:发电机输出的电压和电网电压在幅值、频率、相位上完全相同2. 并网时可能遇到的问题:引起系统电压下降，对电机和机械部件造成损坏；造成系统瓦解，威胁其它挂网机组的正常运行。2.同步风力发电机组并网技术 1. 同步发电机的优点:既能提供有功功率，又能提供无功功率，周波稳定、电能质量高。2. 在风力发
11、电系统中的缺点：并网时其调速性能很难要求的精度；无功振荡与失步问题，在重 永磁同步发电机转子不需要提供励磁，效率比感应式电机高，无齿轮箱，噪声及机械应力小，控制灵活电器损耗大，变频器容量大，发电机体积大，励磁不能调节，价格昂贵。载下尤为严重。3.解决方法：在同步发电机与电网之间采用变频装置。3. 异步风力发电机组并网技术1. 异步风力发电机优点:对机组的调速精度要求不高；控制装置简单；不会产生振荡和失步，运行稳定。2. 并网时存在的问题：直接并网会产生冲击电流会造成电压大幅度下降；需要无功补偿；不稳定系统的频率过于下降，电流剧增而过载。第四章 对风力发电技术发展趋势的展望2 风力发电的技术发展
12、风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。2.1 风力发电机组机型及容量的发展现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从 20 世纪 80 年代中期的 55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至 1990 年达到 250kW，1997年突破 1MW，1999 年即达到 2MW。进入 21 世纪，兆瓦级风力机
13、逐渐成为国际风电市场上的主流产品。2004 年德国 Repower 即研制出第一台 5MW 风电机，Enercon 开发出第二代直驱式 6WM 风电机，预计 2013 年单机容量将突破 15MW1,3。从世界范围来看，1.5MW-2MW 的机型占世界机组容量的比例，已从 2007 年的 63.7%飞速上升到 80.4%；而在我国，2005 年风电场新安装的兆瓦级风电机组占当年新装机容量的 21.5%，而 2009 年比例已经上升到 86.86%4。这表明容量风电机组已经成为我国风电市场上的主流产品。2.2 风力发电机组控制技术的发展控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术5,6，这是因为：
14、1）自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素的随机性和不可控性，这样风力机所获得的风能也是随机和不可控的。2）为使风能利用率更高，大型风力发电机组的叶片直径大约在60m100m 之间，因此风轮具有较大的转动惯量。3）自动控制在风力发电机组的并网和脱网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障的检测和保护中都应得到很好的利用。4）风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣，在海岛和边远的地区甚至海上，人们希望分散不均的风力发电机组能够无人值班运行和远程监控。这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。因此，众多学者都致力于深入研究风力发电的控制技
15、术和控制系统，这些研究工作对于风力发电机组优化运行有极其重要的意义。计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。2.3 风力发电机组控制策略的发展风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化，导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量及接入的电网产生影响，对于小电网甚至会影响其稳定性。风力发电机组通常采用柔性部件，这有助于减小内部的机械应力，但同时也会使风电系统的动态特性复杂化，且转矩传动模块会有很大振荡。目前，对风力发电机的控制策略研究根据控制器类型可分为两大类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。传统控制采用线性控制方法，通过调节发电机电磁转矩或桨叶节距角，使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。对于快速变化的风速，其调节相对滞后。同时基于某工作点的线性化模型的方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用。3 存在的问题及展望尽管近年来我国风电产业得到了迅猛的发展，但同时也暴露出众多的问题。
