第2章風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識2

1、風(fēng)力發(fā)電原理及其新技術(shù)應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電原理及其新技術(shù)應(yīng)用華北電力大學(xué)電氣學(xué)院華北電力大學(xué)電氣學(xué)院夏世威夏世威國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展概述風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的分類籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)電功率預(yù)測提 綱國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展概述我國風(fēng)能資源分布從1996年到2009年，世界累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量的增長率超過20%，平均28%；2007年，世界累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量94112MW，增長26.8%；2007年，世界新增風(fēng)電裝機(jī)容量20073MW，增長32.1%；到2007年，我國風(fēng)電裝機(jī)容量6050MW，超過丹麥，成為世界第5；到2008年，我國風(fēng)電裝機(jī)12170MW

2、，居世界第4；風(fēng)電的快速發(fā)展2006年1月：可再生能源法2007年9月：可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃2009年： 新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃有力的政策支持到2020年： 風(fēng)電裝機(jī)1.5億千瓦 其中陸地1.2億千瓦，海上3000萬千瓦 建設(shè)六個陸上千萬千瓦級風(fēng)電基地及其外送聯(lián)網(wǎng)工程 新能源在能源結(jié)構(gòu)中比例達(dá)9%（含水電20%） 新能源發(fā)電裝機(jī)占總裝機(jī)比例達(dá)15%（含水電35%） 新能源產(chǎn)業(yè)增加直接投資45000億 帶動社會間接投資9萬億新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃風(fēng)電總裝機(jī)容量快速增長，風(fēng)電比重不斷加大；單個風(fēng)電場裝機(jī)容量不斷增加，已有多個10萬千瓦級風(fēng)電場投運(yùn)，正建千萬千瓦級大型風(fēng)電基地；風(fēng)電場接入系統(tǒng)的電壓等級由

3、低到高(110kV)；風(fēng)電機(jī)組的種類不斷增多，從早期的定速風(fēng)電機(jī)組（1MW以下），到雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電和直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電（1MW以上）我國風(fēng)電發(fā)展特點(diǎn)世界風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢風(fēng)電單機(jī)容量穩(wěn)步上升：以德國為例，03年平均單機(jī)容量超過1.5MW，葉片直徑大于64m的風(fēng)機(jī)占77%；變漿調(diào)節(jié)方式迅速取代失速調(diào)節(jié)方式：德國03年裝機(jī)的風(fēng)電機(jī)組，超過91%采用了變漿調(diào)節(jié)方式；變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式：通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，是風(fēng)機(jī)葉尖速比接近最佳，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。德國03年裝機(jī)的風(fēng)電機(jī)組，超過90%的風(fēng)機(jī)采用了變速恒頻方式；無齒輪箱的直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組的市場份額迅速擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電的基本原理我上到風(fēng)機(jī)上了風(fēng)力發(fā)

4、電系統(tǒng)的分類按風(fēng)輪槳葉分類： 失速型： 高風(fēng)速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作，限制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與功率； 變槳型： 高風(fēng)速時通過調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類： 定速型： 風(fēng)輪保持一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低，與恒速發(fā)電機(jī)對應(yīng)； 變速型： （1）雙速型：可在兩個設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率，與雙速發(fā)電機(jī)對應(yīng)； （2）連續(xù)變速型：在一段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風(fēng)能功率，與變速發(fā)電機(jī)對應(yīng)。按傳動機(jī)構(gòu)分類： 齒輪箱升速型： 用齒輪箱連接低速風(fēng)力機(jī)和高速發(fā)電機(jī)； （減小發(fā)電機(jī)體積重量，降低電氣系統(tǒng)成本） 直驅(qū)型： 直接連接低速風(fēng)力機(jī)和低速發(fā)電機(jī)。 （避免齒輪箱故障）按發(fā)電

5、機(jī)分類： 異步型： （1）籠型單速異步發(fā)電機(jī)； （2）籠型雙速變極異步發(fā)電機(jī)； （3）繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)； 同步型： （1）電勵磁同步發(fā)電機(jī)； （2）永磁同步發(fā)電機(jī)。按并網(wǎng)方式分類： 并網(wǎng)型： 并入電網(wǎng)，可省卻儲能環(huán)節(jié)。 離網(wǎng)型： 一般需配蓄電池等直流儲能環(huán)節(jié)，可帶交、直流負(fù)載?；蚺c柴油發(fā)電機(jī)、光伏電池并聯(lián)運(yùn)行。風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率特性 風(fēng)輪的功率 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率 葉尖速比VRTSRm),(TSRfCppCAVP321TSR:葉尖速比葉尖速比Tip Speed Rate :槳距角槳距角風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率(定速vs變速)籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組n定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組n變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定速籠

6、型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三相籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）發(fā)電機(jī)勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機(jī)，并在機(jī)端并聯(lián)電容；（2）絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負(fù)載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦；（3）風(fēng)速不穩(wěn)，易受沖擊機(jī)械應(yīng)力，希望發(fā)電機(jī)有較軟的機(jī)械特性曲線，max絕對值要大 ；（4）并網(wǎng)瞬間與電動機(jī)起動相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝軟起動限流裝置；籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（1）籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；（2）運(yùn)行于小轉(zhuǎn)差率范圍，發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬，運(yùn)行效率高；（3）發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓可調(diào)，

7、輕載運(yùn)行效率高；（4）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)被可控的變流器隔離，系統(tǒng)對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好；（5）變流器與發(fā)電機(jī)功率容量相等，系統(tǒng)成本高。變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主電路：雙饋異步發(fā)電機(jī)主電路：雙饋異步發(fā)電機(jī)+ +交直交雙向功率變換器交直交雙向功率變換器國產(chǎn)1MW雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)引入轉(zhuǎn)子交流勵磁變流器，控制轉(zhuǎn)子電流；轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)速變化；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時都能保持發(fā)電狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，可控制發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率；轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無功功率變換，為轉(zhuǎn)差功率，容量與轉(zhuǎn)

8、差率有關(guān)（約為全功率的S倍）。雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）部分功率變換，變流器成本相對較低；（3）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；（4）并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；（5）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求；（6）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況 ；（7）雙向變流器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜；（8）電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)直驅(qū)型同步發(fā)電機(jī)組u電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組u永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組u混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組同步發(fā)電機(jī)用作風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，即可直接向交流負(fù)載供電，也可經(jīng)整流器變換為直流電，向直流負(fù)載供電。因此，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)已成為中小容量風(fēng)力發(fā)

9、電機(jī)組的首選機(jī)型。近年來，在大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品中，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)也已暫露頭角，有望成為未來的主力機(jī)型。采用同步發(fā)電機(jī)的必要性由齒輪箱引起的風(fēng)電機(jī)組故障率高；齒輪箱的運(yùn)行維護(hù)工作量大，易漏油污染；系統(tǒng)的噪聲大，效率低，壽命短。去除齒輪箱，直接驅(qū)動的理由：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，體積重量明顯增大；全功率整流逆變，變流器成本高。直驅(qū)帶來的問題：直驅(qū)型同步發(fā)電機(jī)組直驅(qū)型同步發(fā)電機(jī)組定子鐵心 定子繞組 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機(jī)的端電壓恒定；定子繞組輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化；可采用不控整流和PWM逆變，成本較低；轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵磁；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勵磁消耗電功

10、率；體積大、重量重，效率稍低。電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組的功率變換電路永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)永磁發(fā)電機(jī)具有最高的運(yùn)行效率；永磁發(fā)電機(jī)的勵磁不可調(diào)，導(dǎo)致其感應(yīng)電動勢隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好；永磁發(fā)電機(jī)和全容量全控變流器成本高；永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩，給機(jī)組起動造成困難?；旌蟿畲胖彬?qū)同步發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)利用轉(zhuǎn)子的凸極磁阻效應(yīng)，增強(qiáng)永磁發(fā)電機(jī)的調(diào)磁能力；采用部分功率容量的SVG逆變器向發(fā)電機(jī)機(jī)

11、端注入無功電流，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓；無需全功率容量的脈沖整流或DC-DC變換器，可明顯節(jié)省變流器的容量；SVG逆變器可兼有有源濾波的功能，能夠改善發(fā)電機(jī)中的電流波形，降低發(fā)電機(jī)的諧波損耗和溫升。（1）籠型異步發(fā)電機(jī)成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要角色；（2）雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有最高的性價比，特別適合于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。將在未來數(shù)年內(nèi)繼續(xù)稱為風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品；（3）直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機(jī)的體積和重量。小結(jié)：風(fēng)電功率預(yù)測必要性：風(fēng)電裝機(jī)容量增大，對電力系統(tǒng)的影響越來越大風(fēng)力發(fā)電具有間歇性和不確定性為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須增加旋轉(zhuǎn)備用容量，間接地增加了風(fēng)力發(fā)電的整體運(yùn)營成本通過對大型風(fēng)電場的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確的短期和中期預(yù)測，可以大幅降低系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量，有效降低風(fēng)力發(fā)電的整體運(yùn)營成本，為電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)，成為風(fēng)電接入電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測的方法物理方法：先預(yù)測風(fēng)機(jī)輪轂高度處的氣象信息如風(fēng)速和風(fēng)向，再利用風(fēng)機(jī)的功率曲線得到風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出功率；需要利用數(shù)值天氣預(yù)報NWP的信息；統(tǒng)計(jì)方法：實(shí)質(zhì)是在系統(tǒng)的輸入（NWP/歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)/實(shí)測數(shù)據(jù)）和風(fēng)機(jī)功率之間建立一種線性映射關(guān)系。常用的有時間序列法ARMA、卡爾曼濾波、灰色預(yù)測法等；學(xué)習(xí)方法：利用人工智能的方法建立輸入和輸