風力發(fā)電原理及其新技術(shù)應(yīng)用華北電力大學(xué)電氣學(xué)院夏世威s.w.xia@風力發(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1國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展概述風力發(fā)電的基本原理風力發(fā)電系統(tǒng)的分類籠型異步風力發(fā)電機組雙饋型異步風力發(fā)電機組直驅(qū)型同步風力發(fā)電機組風電功率預(yù)測提綱國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展概述提綱2國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展概述國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展概述3我國風能資源分布中國陸地上10m高度層上可開發(fā)的風能儲量為2.52億千瓦近?？砷_發(fā)風能資源是陸地的3倍多我國風能資源分布中國陸地上10m高度層上可開發(fā)的風能儲量為24第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件5從1996年到2009年，世界累計風電裝機容量的增長率超過20%，平均28%；2007年，世界累計風電裝機容量94112MW，增長26.8%；2007年，世界新增風電裝機容量20073MW，增長32.1%；到2007年，我國風電裝機容量6050MW，超過丹麥，成為世界第5；到2008年，我國風電裝機12170MW，居世界第4；風電的快速發(fā)展從1996年到2009年，世界累計風電裝機容量的增長率超過262006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2006年1月：《可再生能源法》有力的政策支持7到2020年：風電裝機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9%（含水電20%）新能源發(fā)電裝機占總裝機比例達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》到2020年：《新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》8風電總裝機容量快速增長，風電比重不斷加大；單個風電場裝機容量不斷增加，已有多個10萬千瓦級風電場投運，正建千萬千瓦級大型風電基地；風電場接入系統(tǒng)的電壓等級由低到高(110kV)；風電機組的種類不斷增多，從早期的定速風電機組（1MW以下），到雙饋感應(yīng)風力發(fā)電和直驅(qū)同步風力發(fā)電（1MW以上）我國風電發(fā)展特點風電總裝機容量快速增長，風電比重不斷加大；我國風電發(fā)展特點9世界風電技術(shù)發(fā)展趨勢風電單機容量穩(wěn)步上升：以德國為例，03年平均單機容量超過1.5MW，葉片直徑大于64m的風機占77%；變漿調(diào)節(jié)方式迅速取代失速調(diào)節(jié)方式：德國03年裝機的風電機組，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)電機轉(zhuǎn)速，是風機葉尖速比接近最佳，提高風機運行效率。德國03年裝機的風電機組，超過90%的風機采用了變速恒頻方式；無齒輪箱的直驅(qū)同步發(fā)電機組的市場份額迅速擴大世界風電技術(shù)發(fā)展趨勢風電單機容量穩(wěn)步上升：以德國為例，03年10風力發(fā)電的基本原理風力發(fā)電的基本原理11第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件12第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件13第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件14第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件15第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件16第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件17第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件18第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件19第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件20第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件21第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件22我上到風機上了我上到風機上了23第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件24第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件25第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件26第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件27第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件28第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件29第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件30第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件31第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件32第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件33第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件34第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件35第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件36第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件37第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件38第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件39第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件40第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件41第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件42第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件43第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件44第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件45第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件46第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件47第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件48第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件49第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件50第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件51第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件52第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件53第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件54第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件55第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件56第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件57第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件58第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件59第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件60第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件61第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件62第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件63第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件64第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件65第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件66第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件67第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件68第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件69第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件70第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件71第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件72第2章風力發(fā)電基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識ppt課件73風力發(fā)電系統(tǒng)的分類按風輪槳葉分類：失速型：高風速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作，限制風力機的輸出轉(zhuǎn)矩與功率；變槳型：高風速時通過調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。風力發(fā)電系統(tǒng)的分類按風輪槳葉分類：74按風輪轉(zhuǎn)速分類：定速型：

風輪保持一定轉(zhuǎn)速運行，風能轉(zhuǎn)換率較低，與恒速發(fā)電機對應(yīng)；變速型：

（1）雙速型：可在兩個設(shè)定轉(zhuǎn)速運行，改善風能轉(zhuǎn)換率，與雙速發(fā)電機對應(yīng)；（2）連續(xù)變速型：在一段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風能功率，與變速發(fā)電機對應(yīng)。按風輪轉(zhuǎn)速分類：75按傳動機構(gòu)分類：齒輪箱升速型：

用齒輪箱連接低速風力機和高速發(fā)電機；（減小發(fā)電機體積重量，降低電氣系統(tǒng)成本）直驅(qū)型：

直接連接低速風力機和低速發(fā)電機。（避免齒輪箱故障）按傳動機構(gòu)分類：76按發(fā)電機分類：異步型：（1）籠型單速異步發(fā)電機；（2）籠型雙速變極異步發(fā)電機；（3）繞線式雙饋異步發(fā)電機；同步型：（1）電勵磁同步發(fā)電機；（2）永磁同步發(fā)電機。按發(fā)電機分類：77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、直流負載。或與柴油發(fā)電機、光伏電池并聯(lián)運行。按并網(wǎng)方式分類：78風力機風能轉(zhuǎn)換效率特性風輪的功率風能轉(zhuǎn)換率葉尖速比TSR:葉尖速比TipSpeedRate:槳距角風力機風能轉(zhuǎn)換效率特性風輪的功率TSR:葉尖速比TipSp79風力發(fā)電機組輸出功率(定速vs變速)風力發(fā)電機組輸出功率(定速vs變速)80籠型異步風力發(fā)電機組定速籠型異步風力發(fā)電機組變速籠型異步風力發(fā)電機組籠型異步風力發(fā)電機組定速籠型異步風力發(fā)電機組81定速籠型異步風力發(fā)電機組定速籠型異步風力發(fā)電機組82三相籠型異步風力發(fā)電機三相籠型異步風力發(fā)電機83籠型異步風力發(fā)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)籠型異步風力發(fā)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)84（1）發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容；（2）絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機的效率曲線平坦；（3）風速不穩(wěn)，易受沖擊機械應(yīng)力，希望發(fā)電機有較軟的機械特性曲線，Ｓmax絕對值要大；（4）并網(wǎng)瞬間與電動機起動相似，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；籠型異步風力發(fā)電機的特點（1）發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)85變速籠型異步風力發(fā)電機組變速籠型異步風力發(fā)電機組86（1）籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；（2）運行于小轉(zhuǎn)差率范圍，發(fā)電機機械特性硬，運行效率高；（3）發(fā)電機機端電壓可調(diào)，輕載運行效率高；（4）發(fā)電機與電網(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)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。變速籠型異步風力發(fā)電機組的特點（1）籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；變速籠型異步87雙饋型異步風力發(fā)電機組主電路：雙饋異步發(fā)電機+交直交雙向功率變換器雙饋型異步風力發(fā)電機組主電路：雙饋異步發(fā)電機+交直交雙向功率88國產(chǎn)1MW雙饋型異步風力發(fā)電機國產(chǎn)1MW雙饋型異步風力發(fā)電機89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)差率有關(guān)（約為全功率的S倍）。雙饋型異步風力發(fā)電機組的原理引入轉(zhuǎn)子交流勵磁變流器，控制轉(zhuǎn)子電流；雙饋型異步風力發(fā)電機組90（1）連續(xù)變速運行，風能轉(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）改善作用于風輪槳葉上機械應(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)間存在機械磨損。雙饋型異步風力發(fā)電機組的特點（1）連續(xù)變速運行，風能轉(zhuǎn)換率高；雙饋型異步風力發(fā)電機組的特91直驅(qū)型同步發(fā)電機組電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組直驅(qū)型同步發(fā)電機組電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組92同步發(fā)電機用作風力發(fā)電機時，即可直接向交流負載供電，也可經(jīng)整流器變換為直流電，向直流負載供電。因此，同步風力發(fā)電機已成為中小容量風力發(fā)電機組的首選機型。近年來，在大容量風力發(fā)電機組產(chǎn)品中，同步風力發(fā)電機也已暫露頭角，有望成為未來的主力機型。采用同步發(fā)電機的必要性同步發(fā)電機用作風力發(fā)電機時，即可直接向交流負載供電，也可經(jīng)整93由齒輪箱引起的風電機組故障率高；齒輪箱的運行維護工作量大，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：由齒輪箱引起的風電機組故障率高；去除齒輪箱，直接驅(qū)動的理由：94直驅(qū)型同步發(fā)電機組直驅(qū)型同步發(fā)電機組95直驅(qū)型同步發(fā)電機組定子鐵心定子繞組發(fā)電機轉(zhuǎn)子直驅(qū)型同步發(fā)電機組定子鐵心定子繞96電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組97通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機的端電壓恒定；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，勵磁消耗電功率；體積大、重量重，效率稍低。電勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機的端電壓恒定；電勵磁直驅(qū)同98永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的功率變換電路永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的功率變換電路99永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點永磁發(fā)電機具有最高的運行效率；永磁發(fā)電機的勵磁不可調(diào)，導(dǎo)致其感應(yīng)電動勢隨轉(zhuǎn)速和負載變化。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)電機電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風輪轉(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)電機和全容量全控變流器成本高；永磁發(fā)電機存在定位轉(zhuǎn)矩，給機組起動造成困難。永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點永磁發(fā)電機具有最高的運行效率；100混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點利用轉(zhuǎn)子的凸極磁阻效應(yīng)，增強永磁發(fā)電機的調(diào)磁能力；采用部分功率容量的SVG逆變器向發(fā)電機機端注入無功電流，以調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓；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)電機中的電流波形，降低發(fā)電機的諧波損耗和溫升。混合勵磁直驅(qū)同步發(fā)電機組的特點利用轉(zhuǎn)子的凸極磁阻效應(yīng)，增強永101（1）籠型異步發(fā)電機成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要角色；（2）雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)具有最高的性價比，特別適合于變速恒頻風力發(fā)電。將在未來數(shù)年內(nèi)繼續(xù)稱為風電市場上的主流產(chǎn)品；（3）直驅(qū)型同步風力發(fā)電機及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機的體積和重量。小結(jié)：（1）籠型異步發(fā)電機成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換102風電功率預(yù)測必要性：風電裝機容量增大，對電力系統(tǒng)的影響越來越大風力發(fā)電具有間歇性和不確定性為保證系