20五月2025第四章

風能及其利用3三、風力發(fā)電的運行方式風力發(fā)電的運行方式可分為獨立運行、并網(wǎng)運行、風電場、風力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行、風力發(fā)電﹣太陽電池發(fā)電聯(lián)合運行、風力﹣生物質(zhì)能﹣柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等。1、獨立運行亦稱為獨立運行風力發(fā)電機，是應用在無電網(wǎng)地區(qū)的風力發(fā)電機，一般功率較小。通常是由一臺小型風力發(fā)電機向一戶或幾戶提供電力，用蓄電池蓄能，以保證無風時的用電。3～5kW以下的風力發(fā)電機多采用這種運行方式，可供邊遠農(nóng)村、牧區(qū)、海島、氣象臺站、導航燈塔、電視差轉(zhuǎn)臺及邊防哨所等電網(wǎng)達不到的地區(qū)利用。2、并網(wǎng)運行是指風電機組與電網(wǎng)相聯(lián)，向電網(wǎng)輸送有功功率，同時吸收或者發(fā)出無功功率的風力發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)運行是為了克服風的隨機性帶來的蓄能問題而采取的最穩(wěn)妥易行的運行方式，也是風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。10kW以上直至兆瓦級的風力發(fā)電機均可以采用這種運行方式。3、風電場該運行方式是在風能資源豐富的地區(qū)按一定的排列規(guī)則成群安裝風力發(fā)電機組，組成集群，少的3～5臺，多的可達幾十臺、幾百臺，甚至數(shù)千上萬臺。風電場內(nèi)風力發(fā)電機組的單機容量為幾十千瓦至幾百千瓦，也有達到兆瓦以上的。風電場一般選在較大盆地的風力進出口或較大海洋湖泊的風力進出口等，具體體現(xiàn)在高山環(huán)繞盆地（或海洋或湖泊）的峽谷低處，或有貫穿環(huán)山巖溶巖洞處，這樣就可獲得較大的風力。一般需要達到兩個要求：一是場址的風能資源比較豐富，年平均風速在6m/s以上，年平均有效風功率密度大于200W/m2，年有效風速累積時間（3～25m/s）不小于5000h；二是場地面積需達到一定的規(guī)模，以便有足夠的場地布置風力發(fā)電機。風電場大規(guī)模利用風能，其發(fā)出的電能全部經(jīng)變電設備送往大電網(wǎng)。4、風力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合運行該系統(tǒng)由風力發(fā)電機組、柴油發(fā)電機組、蓄能裝置、控制系統(tǒng)、用戶負荷及耗能負荷等組成。各發(fā)電、供電系統(tǒng)既能單獨工作，又能聯(lián)合工作，互相不沖突。采用風力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的供電。這種系統(tǒng)有兩種不同的運行方式：①風力發(fā)電機與柴油發(fā)電機交替運行；②風力發(fā)電機與柴油發(fā)電機并聯(lián)運行。5、風力發(fā)電﹣太陽能電池發(fā)電聯(lián)合運行該系統(tǒng)是一種互補的新能源發(fā)電系統(tǒng)，風力發(fā)電機可以和太陽能電池組成聯(lián)合供電系統(tǒng)。風能、太陽能都具有能量密度低、穩(wěn)定性差的弱點，并受地理分布、季節(jié)變化及晝夜變化等因素的影響。我國屬于季風氣候區(qū)，冬季、春季風力強，但太陽輻射弱，夏季、秋季風力弱，但太陽輻射強，兩者能量變化趨勢相反，因而可以組成能量互補系統(tǒng)，并給出比較穩(wěn)定的電能輸出。這種運行方式利用了自然能源的互補特性，增加了供電的可靠性。6、風力﹣生物質(zhì)能﹣柴油聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)該系統(tǒng)是在風力﹣柴油發(fā)電系統(tǒng)基礎上增加了更多功能的聯(lián)合系統(tǒng)，在有生物質(zhì)能的地方，將柴油發(fā)電系統(tǒng)直接接入沼氣、天然氣或生物柴油等可燃氣體或液體，就可以使柴油發(fā)電機工作并發(fā)電。四、風力發(fā)電設備風力發(fā)電機組由兩部分組成：一部分是為發(fā)電提供原動力的風力機，也稱為風輪機；另一部分是將其轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機。1、風力機的分類風力機主要利用氣動升力帶動風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產(chǎn)生的一種力，機翼翼型特點使運動的氣流在機翼上表面形成低壓區(qū)，在機翼下表面形成高壓區(qū)，從而產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時也產(chǎn)生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動。國內(nèi)外風力機的結(jié)構(gòu)形式繁多，從不同的角度可有多種分類方法。（1）按葉片工作原理分：升力型風力機（啟動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)速高）和阻力型風力機（啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速低）。（2）按風力機的用途分：風力發(fā)電機、風力提水機、風力鍘草機、風力脫谷機等。（3）按風輪葉片的葉尖線速度與吹來風速之比大小分：高速風力機（比值大于3）和低速風力機（比值小于3）。也有把比值為2～5的稱為中速風力機。（4）按風機容量大小分：小型（100kW以下）、中型（100～1000kW）、大型（1000kW以上）。我國則分成微型（1kW以下）、小型（1～10kW）、中型（10～100kW）和大型（100kW以上）4種。也有的將1000kW以上的風機稱為巨型風力機。（5）按風輪葉片數(shù)量分：單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片及多葉片式風力機。（6）按風輪軸與地面的相對位置分：水平軸風力機、垂直軸（立軸）風力機。水平軸風力機風輪的旋轉(zhuǎn)軸與風向平行；垂直軸風力機風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向。因為葉片工作原理不同，水平軸和垂直軸風力機又可細分為升力型水平軸風力機、阻力型水平軸風力機、升力型垂直軸風力機和阻力型垂直軸風力機。2、垂直軸風力機（1）槳葉式風力機（2）薩布紐斯式風力機（3）達里厄型風力機（4）旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機（5）費來納式風力機（6）費特.肖奈達式風力機3、水平軸風力機（1）螺旋槳式風力機（2）荷蘭式風力機（3）多翼式風力機（4）帆翼式風力機（5）渦輪式風力機（6）多風輪式風力機請自行閱讀教材P69~P71頁，想一想思考題1：將達里厄型風力機和薩布紐斯式風力機組合在一起使用有什么優(yōu)點？思考題2：風力機與發(fā)電機有哪兩種連接方式？多葉片風力機單葉片風力機垂直軸風力機旋轉(zhuǎn)渦輪風力機五、發(fā)電機的選擇和分類1、異步交流發(fā)電機（1）按結(jié)構(gòu)不同分類：籠型、繞線轉(zhuǎn)子。①在定槳距并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用籠型異步發(fā)電機。籠型異步發(fā)電機定子由鐵心和定子繞組組成。轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形，槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條。在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接。轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁，沒有集電環(huán)和電刷?；\型異步發(fā)電機剖面②繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機的定子與籠型異步發(fā)電機相同，轉(zhuǎn)子繞組電流通過集電環(huán)和電刷流入流出。異步發(fā)電機定子繞組為三相繞組，可采用星形或三角形聯(lián)結(jié)，當定子的三相繞組接到三相電壓時，可以產(chǎn)生固定速度的旋轉(zhuǎn)磁場。發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，并且恒速運行時，發(fā)電機運行在發(fā)電狀態(tài)。因風力機的轉(zhuǎn)速較低，在風力機和發(fā)電機之間需經(jīng)增速齒輪箱傳動來提高轉(zhuǎn)速以達到適合異步發(fā)電機運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。一般與電網(wǎng)并聯(lián)運行的異步發(fā)電機為4極或6極發(fā)電機，當電網(wǎng)頻率為50Hz時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須高于1500r/min或1000r/min，才能運行在發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)輸送電能。三相繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機繞組接線（2）并網(wǎng)方式：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)、通過晶閘管軟并網(wǎng)①

直接并網(wǎng)風力異步發(fā)電機直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，即發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速盡可能地接近于同步轉(zhuǎn)速。②降壓并網(wǎng)降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器，或者接入自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度。發(fā)電機穩(wěn)定運行時，將接入的電阻等元件迅速地從電路中切除，以免消耗功率。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟性較差，適用于百千瓦級以上，容量較大的機組。風力異步發(fā)電機直接并網(wǎng)③晶閘管軟并網(wǎng)異步風力發(fā)電機通過反并聯(lián)（或雙向）晶閘管軟切入裝置與電網(wǎng)相連，異步風力發(fā)電機在接近同步速時，晶閘管的控制角在180°～0°之間逐漸同步打開，晶閘管的導通角也在0°～180°之間逐漸同步打開，當異步風力發(fā)電機滑差為零時，晶閘管全部導通，這時短接已全部導通的晶閘管，異步風力發(fā)電機輸出電流直接流向電網(wǎng)，風電機組進入穩(wěn)態(tài)運行階段。通過控制控制可控硅的導通角，可連續(xù)調(diào)節(jié)加在負載上的電壓波形，進而改變負載電壓的有效值，以限制異步發(fā)電機并網(wǎng)以及大小電機切換時的瞬間沖擊電流，得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程?？煽毓柢洸⒕W(wǎng)方法是異步風力發(fā)電機組普遍采用的并網(wǎng)方法。風力異步發(fā)電機經(jīng)晶閘管軟并網(wǎng)2、同步交流發(fā)電機（1）同步發(fā)電機是目前使用最多的一種發(fā)電機。同步發(fā)電機的定子與異步發(fā)電機相同，由定子鐵心和三相定子繞組組成；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組（即勵磁繞組）、集電環(huán)和轉(zhuǎn)子軸等組成，轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組經(jīng)集電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵磁電流來建立磁場。為了便于起動，磁極上一般還裝有籠型起動繞組。同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種。凸極式同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，一般用于低速發(fā)電場合；隱極式的同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)子機械強度高，可用于高速發(fā)電。大型風力發(fā)電機組一般采用隱極式同步發(fā)電機。同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)a)隱極式b)凸極式（2）并網(wǎng)條件風力同步發(fā)電機并聯(lián)到電網(wǎng)時，為了防止過大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，風力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網(wǎng)端對應相電壓的瞬時值完全一致，具體有五個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；⑤相位相同。在并網(wǎng)時，因風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)方向不變，只要使發(fā)電機的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對應，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機設計、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中條件③頻率相同是必須滿足的。風力同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路六、風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖第五節(jié)

風力發(fā)電的現(xiàn)狀與展望一、我國風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀1、風電成為我國新增電力裝機的重要組成部分。2