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1、余洋2009-9-23,风力发电技术概论,一、风力机的基本原理,二、风力发电原理,本次交流的主要内容,三、风力发电运行方式,四、国网风电场接入电网技术规定,1.风能及风速模型,一、风力机的基本原理,2.风能转换原理,3.风力机叶片翼型理论,4.风力机空气动力学基础,1.风能及风速模型,一、风力机的基本原理,风能：空气流动所形成的动能即为风能，因此计算风能的大小也就是计算气流所具有的动能，由流体力学可知，风能就是在单位时间内流过垂直于风速截面积A(m2)的能量,1.风能及风速模型,一、风力机的基本原理,风速模型：风速是风力机的原动力。在实际研究中，为了较精确地描述风的随机性和间歇性的特点，国内外
2、使用较多的是风力四分量模型，各分量分别为基本风vA、阵风vB、渐变风vC和随机风vD,1.风能及风速模型,一、风力机的基本原理,基本风+阵风,1.风能及风速模型,一、风力机的基本原理,基本风+渐变风,1.风能及风速模型,一、风力机的基本原理,基本风+随机风,2.风能转换原理,一、风力机的基本原理,理想风轮模型 设通过风轮的气流其上游截面S1，下游截面S2。由于风轮机械能量仅由空气的动能转化而来，因而v2必然小于v1，所以通过风轮的气流截面积从上游至下游是增加的，即S2大于S1。,2.风能转换原理,一、风力机的基本原理,叶尖速比是表示风轮运行速度快慢的参数，常用叶片的叶尖圆周角速度与风速之比来衡
3、量,经过推导，可得到：风力机实际能得到的有功功率输出为,风能利用系数，它的最大值为0.593,根据叶尖速比的不同，我们可以把风机分成两类：慢速比风机(2.5)和快速比风机(2.515)，几乎所有的现代风电机(叶片数一到三)都属于快速比风机,3.风力机叶片翼型理论,一、风力机的基本原理,风力机的主要部分是叶片，可以把叶片看成是旋转的机翼,气流以相对速度W吹向翼型，作用在翼型表面上的空气压力是不均匀的，在上表面气压减少而在下表面则增加。按照伯努利理论，翼型上表面的气流速度较高，翼型下表面的气流速度则比来流低。作用在翼型上的作用力可分解为与相对速度W垂直的升力L和与W平行的阻力D。翼型品质可由升阻比
4、L/D的最大值max来衡量，高质量翼型的升阻比可达到60以上,4.风力机空气动力学基础,一、风力机的基本原理,翼型升力系数Cl和阻力系数Cd随攻角的变化规律,首先来看升力系数的变化曲线，它由直线和曲线两部分组成。与Clmax对应的iM点称为失速点，超过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速增加。负攻角时，Cl呈曲线形，Cl通过最低点Clmin。阻力系数曲线的变化则不同，它的最小值对应一个确定的攻角。,相对速度W与旋转平面间的夹角,二、风力发电原理,风能转换成电能的过程,风力发电系统的构成,二、风力发电原理,风力发电机组是实现风能到电能转换的主要设备。由于风的随机性，必须通过控制装置随时对风力发电
5、机组的启停、故障保护等进行操作，同时，当风能急剧增加时，储能装置可以吸收多余的风能。为了实现不间断供电，有的风力发电系统还配备了备用电源，如柴油发电机组等,1.风力发电机组,2.控制系统,3.监测显示系统,4.储能系统,二、风力发电原理,1.风力发电机组：风力机+发电机,1）风力机,水平轴风机,垂直轴风机,二、风力发电原理,1.风力发电机组：风力机+发电机,1）风力机,单叶片风机,双叶片风机,三叶片风机,二、风力发电原理,1.风力发电机组：风力机+发电机,1）风力机,按桨叶接受风能的功率调节方式分，可分为定桨距(失速型机组)和变桨距机组。定桨距机组的桨叶迎风角度不能随风速变化，而变桨距机组叶片
6、可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内(一般090)调节变化，因此变桨距机组性能比定桨距机组提高了许多按叶轮转速是否恒定分，可分为恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组。恒速恒频风力发电机组设计简单，造价低，但需从电网吸收无功功率，对电网影响较大；变速恒频风力发电机组功率波动小，气动效率高，但成本相对较高。,二、风力发电原理,1.风力发电机组：风力机+发电机,1）风力机,二、风力发电原理,1.风力发电机组：风力机+发电机,1）风力机,风速功率特性曲线,当风速在额定风速以下时，输出功率不超过额定功率时，属于正常调节范围；当风速高于额定风速时，机械调速装置的存在将风力机的输出功率限制在
7、所允许的最大功率以内,二、风力发电原理,1.风力发电机组：风力机+发电机,2）发电机,独立运行的风力发电系统,并网运行的风力发电系统,直流发电机,交流永磁发电机,硅整流自励交流发电机,电容自励异步发电机,恒速恒频发电机组：异步发电机,变速恒频发电机组：直驱同步发电机、双馈机,使用最多,二、风力发电原理,2.控制系统,监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、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。主要功能可以概括如下：启动控制并/脱网控制偏航与解缆控制限速及刹车控制故障保护控制其他(根据功率因素投入补偿电容；
8、对电网、机组进行检测和记录；还应具备远程通信功能),二、风力发电原理,2.控制系统,运行过程中主要参数检测：电量检测：电网三相电压、发电机输出三相电流、频率、功率因素、功率 风力参数检测：风速、风向 机组状态参数检测：转速、温度、机舱振动、电缆扭转、机械刹车状况、油位 各种反馈信号的检测：回收叶尖扰流器；松开机械刹车；松开偏航制动器；发电机脱网及脱网后的转速降落信号 其他：增速器油温的控制；功率过高、过低处理；风力发电机组退出电网,二、风力发电原理,2.控制系统目前绝大多数风力发电机组的控制系统选用集散型或分布式(DCS)工业控制计算机，系统总体框图见下图，优点是各种功能的专用模块可供选择，可
9、以方便的实现就地控制，许多模块可直接布置在控制对象的工作点，就地采集信号进行处理。避免了各类传感器和航内执行机构与地面主控器之间大量通信线路及控制线路,二、风力发电原理,2.控制系统 运行方式,风机在部分负荷时控制方式,风机在全负荷时控制方式,恒定叶尖速比模式,最大功率追踪模式,定桨距控制,变桨距控制,主动失速控制,变速控制,二、风力发电原理,3.监测显示系统 计算机监控显示系统主要负责管理各风电机组的运行数据、状态、保护装置动作情况、故障类型等。该系统的主要功能表现在：1)能够显示各台机组的运行数据，比如每台机组的瞬时发电功率、累计发电量、发电小时数、风轮及电机的转速和风速、风向等，将控制系
10、统的这些数据调入到监测显示系统，在显示器上显示出来，必要时还能够用曲线或图表的形式直观地显示出来。2)能够显示各风电机组的运行状态。如开机、停车、调向、手自动控制以及发电机工作情况。通过各风电机组的状态了解整个风电场的运行情况，实现对整个风电场的管理。,二、风力发电原理,3.监测显示系统 3)能够及时显示各机组运行过程中发生的故障。在显示故障时，能够显示出故障的类型及发生时间，使运行人员能及时处理和消除故障，保证风电机组的安全和持续运行。4)能够对风电机组实现集中控制。值班员在集中控制室内，就能对控制系统进行状态设置和控制，如开机、停机、左右调向等。但这类操作必须有一定的权限，以保证整个风电场
11、的运行安全。5)历史记录。监测显示系统具有运行数据的定时打印和人工即时打印以及故障自动记录的功能，可以随时查看风电场运行状况的历史记录情况。,二、风力发电原理,3.监测显示系统 为了适应远距离通讯的需要，目前国内风电场中央监控系统一般采用RS-485串行通讯方式和420mA电流环通讯方式。比较先进的通讯方式还有PROFIBUS通讯方式、工业以太网通讯方式等。,二、风力发电原理,4.储能系统 储能系统的主要功能是在有风期间将多余的风能转化为其他形式的能量储存起来，在无风期间再将储存的能量释放出来并转变为电能，以保证稳定持续地供电。现在正使用的有：蓄电池储能，抽水蓄能 正研究：超导储能，超级电容器
12、储能，飞轮储能，电解水制氢储能,三、风力发电运行方式,独立(离网)运行的风力发电系统,指风力发电机组输出的电能经蓄电池储能，再供应给用户使用，一般功率在5kW以下，可供边远农场、牧区等使用,并网运行的风力发电系统,指风力发电系统与电网相连，直接向电网输送电能的运行方式，克服了风电随机性而带来的储能问题，可分为恒速恒频和变速恒频两类,更多,三、风力发电运行方式,1.独立(离网)运行的风力发电系统,关键,三、风力发电运行方式,2.并网运行的风力发电系统,1）恒速恒频风力发电系统 恒速恒频风力发电系统的风力机转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运行，从而输出恒额定频率的交流电，但风力机的风能利用
13、系数值往往偏离其最大值，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%-5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的,三、风力发电运行方式,2.并网运行的风力发电系统,1）恒速恒频风力发电系统,三、风力发电运行方式,2.并网运行的风力发电系统,2）变速恒频风力发电系统 变速恒频风力发电系统的风力机转速
14、随风速的波动作变速运行，具有以下优点：可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行,三、风力发电运行方式,2.并网运行的风力发电系统,2）变速恒频风力发电系统,三、风力发电运行方式,3.风电场接入电网的方式,风电场与电力系统连接示意图,三、风力发电运行方式,3.风电场接入电网的方式,风电机组与变电所连接图,一台变压器多台风机,多台
15、变压器多台风机,三、风力发电运行方式,3.风电场接入电网的方式,风电场与电力系统实际连接图,三、风力发电运行方式,3.风电场接入电网的方式,风电场与电力系统实际连接图,四、国网风电场接入电网技术规定,原因：风力发电具有波动性、间歇性和随机性的特点，大容量的风力发电接入电网，势必会对电力系统的安全、稳定运行带来严峻挑战。因此，为规范风电场接入电网，国网制定了该规定。数目：迄今为止，国网一共发布了2次风电场接入电网的技术规定，分别为国家电网风电场接入电网技术规定（试行）2006和国家电网风电场接入电网技术规定（修订版）2009适用范围：适用于国家电网公司经营区域内通过110（66）千伏及以上电压等
16、级与电网连接的新建或扩建风电场。总的感受：09版比06版更加严格，对风电场开发商要求更高,四、国网风电场接入电网技术规定,相同点,电网接纳风电能力以及无功调节,风电场运行电压以及电压调节,风电场运行频率及电能质量,风电场接入电网检测,风电场通信和信号,四、国网风电场接入电网技术规定,不同点,风电场有功功率调节,风电场低电压穿越能力,风电场模型和参数,四、国网风电场接入电网技术规定,1、风电场有功功率调节,（1）基本要求06版：在电网故障、特殊运行方式或频率越限时，风电场应根据调度部门指令来控制其有功输出，比较笼统；09版：明确规定，风电场应具有有功调节能力，为实现对风电场有功调控，风电场需安装
17、有功功率控制系统，来接收并自动执行调度部门远方发送的有功出力控制信号。,四、国网风电场接入电网技术规定,1、风电场有功功率调节,（2）事故情况下06版：在紧急事故情况下，电力调度部门有权临时将风电场解列，比较笼统；09版：明确提出，在电网紧急状态下，风电场应具有紧急控制的能力。从而能根据调度指令控制有功输出，并保证风电场有功控制系统的快速性和可靠性。,四、国网风电场接入电网技术规定,2、风电场模型和参数,06版：风电机组模型和参数；09版：进行了改进，改为：风电场模型和参数，更加明确。风电场开发商应提供可用于系统仿真计算的模型和参数，用于风电场接入系统的规划、调度。既然是用于系统仿真计算，就涉
18、及到一个更为严峻的问题风电场的等效建模；,四、国网风电场接入电网技术规定,3、风电场低电压穿越能力（LVRT）,定义：当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行。不同国家要求不尽相同。06版：没有明确提出，只是在运行电压中提到“风电场应具有一定的低电压维持能力”；09版：明确要求：风电场必须具有低电压穿越能力。低电压穿越被认为是对风电机组设计制造技术的最大挑战。对LVRT运行能力要求越严格，工程造价的增加就越高,四、国网风电场接入电网技术规定,我国LVRT要求，借鉴德国E.ON公司,德国电网运营商E.ON Netz LVET要求,四、国网风
19、电场接入电网技术规定,3、风电场低电压穿越能力,（1）在上图中轮廓线以上区域时，风电机组必须保证不间断并网运行；在轮廓线以下时，方能切机。（2）并网点电压跌至20%额定电压时，风电场内风电机组具有要保持并网运行625ms的低电压穿越能力。（3）并网点电压在发生跌落后3s以内要能够恢复到额定电压的90%，同时电压跌落在90%以上时场内风电机组要保持并网运行。对目前不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，以具备低电压穿越能力。,四、国网风电场接入电网技术规定,3、风电场低电压穿越能力实现,（1）恒速恒频机组：装设无功补偿，如静止无功补偿，动态无功补偿；（2）同步直驱式风机：提高直流电容的额定电压、减小同步机电磁转矩设定等；（3）双馈型异步机：现今大量装设，相对前两种机组，变速恒频机组在电压跌落期间面临的威胁最大。因为电压跌落出现的暂态转子过电流、过电压会损坏电力电子器件，而电磁转矩的衰减也会导致转速的上升。变速恒频机组低电压穿越能力主要通过控制策略来实现，如定子电压动态补偿、转子撬棒等，不在赘述。,
