风能、风力发电与控制技术.ppt

第3章
风能、风力发电与控制技术本章主要内容
3.1风的特性及风能利用
3.2风力发电机组及工作原理
3.3风力发电机组的控制策略
3.4风力发电机组的并网运行和功率补偿
3.5风力发电的经济技术性评价绪论3.1风的特性及风能利用3.1.2风的特性与风能2、风随高度的变化而变化
不同高度风速的表达式：
3.1.3风的表示及应用
1、风向

2、风速
由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。阵风是指瞬时高峰风速。
3、风力
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。
4、风能
（1）风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。
表达式为：风能的特点
优点：能量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。

缺点：密度低、不稳定、地区差异大3.2风力发电机组及工作原理
3.2.1风力发电机组的结构及分类2、风力发电机组的结构
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。（1）独立运行的风力发电机组并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示3.2.2风力机
风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。
1、水平轴风力机：
a.荷兰式
b.农庄式
c.自行车式
d.桨叶式2、垂直轴风力机：

a.萨窝纽斯式
b.达里厄式
c.旋翼式(a)荷蘭四葉片式風車
荷蘭過去世紀中數以千計大幅運用，今日僅有少數地方看見。
效率低(～7%)，且輸出功率小，約僅10馬力(hp)常見的三種風車型式之二常見的三種風車型式三中国计量学院中国计量学院水平轴3.2.3风力机的输出功率
当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比λm（风轮的叶尖速度与风速比），因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比λm不变。
在桨距角一定时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所示。3.2.4风力发电机
1、独立运行风力发电机组中的发电机
独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。
（1）直流发电机
直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。

（2）永磁式交流同步发电机
永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。
（3）硅整流自励式交流同步发电机
如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。
硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。（4）电容自励式异步发电机
电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。并网运行的风力发电机组中所用的发电机中国计量学院（3）双馈异步发电机
双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。中国计量学院双馈异步发电机工作原理：
异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：
n<n1取+，反之取-
式中
f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；
p——发电机的极对数；
n——转子的转速（r/min）；
f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：
1）亚同步运行状态。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。2）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生