1、风力发电技术华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20纵览 风能与风力资源 风力机种类与原理 风力发电机的类型 风力发电系统 风电场第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20一. 风能与风力资源（一）风能基本知识1.风的特性z 风的方向不定、大小多变。z 风速随高度的增加而提高，风速沿高度的相对提高因地而异，大致上可以用下式表示：z Vn=V1(Zn/Z1)az 式中： Vn Zn高度处风速（ m/s）z V1 Z1高度处风速（ m/s
2、）z a风切变指数z a ln(Vn/V1)/ln(Zn/Z1) z 风除了随高度变化而变化外，还随季节的变化而变化、随日夜的变化而变化、随地形的变化而变化。第二章：风力发电基本知识华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.202.风的能量z 风能：空气运动的动能称为 “风能 ”,风能的计算公式为：E 1/2 sv3式中 : E风能（ W）空气密度（ kg/m3）S气流截面积（ m2) v风速（ m/s)z 风能密度：单位时间内通过单位面积的风能W 1/2 v3z 有效风能密度：指风机可利用的风速范围内的风能密度（对应的风速范围大约是 3 25m/s)。第二章：风力发电基本知识华北电力
3、大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识3.风速等级与风速频率56.161.21717.220.7 851.056.01613.917.1 746.250.91510.813.8 641.546.1148.010.7537.041.4135.57.9 432.736.9 123.45.4328.532.6 11 1.63.3224.528.4 100.31.5 120.824.490.00.20风速（m/s）风力等级风速（m/s）风力等级华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识风速频率是指一定时间内某风速时数占各风速出现总时数
4、的百分比。利用风速频率分布可以计算出某一地区单位面积上全年的风能 。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识4. 风向与风向频率z 通常把风吹来的地平方向定为风的方向，在陆地上一般用16个方位来表示不同的风向。z 风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现次数的百分比。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识5. 风的测量初步选定风电场之后，要进行12年的测风。测风的主要目的是正确估计该地区可利用风能的大小,为装备风力机提供风能依据。风的测量主要包括风向测量和风速测量两项.测风高度一般为10m、30
5、m、50m、70m。从测量数据中整理出每分钟（或每小时）的平均风速和最多风向，并选取日最大风速（10min平均）和极大风速（瞬时）以及对应的风向和出现的时间。对影响风机出力和安全其它气象数据（如气温、空气密度、湿度、太阳辐射、雨、冰雹、冰雪）以及特殊气象情况（如台风、雷电、沙暴、盐雾、冰冻期等）有测量和统计。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识6. 风的利用华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识（二）风力资源太阳辐射到地球的热能中有约2被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW。其中可被开发利用的风能理论
6、值约有3.5109MW，比世界上可利用的水能大10倍，相当于100010000座100万瓦量级的原子能发电站。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 陆上约有2.53亿千瓦(年电量5000亿千瓦时 ) 海上约有7.5亿千瓦 合计约10亿千瓦据中国气象科学院预测，我国经济可开发风能资源为：华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识我国风能资源可分为四大区域：东部沿海及岛屿地区、三北（东北、华北、西北）地区、内陆局部地区和海上风能区。我国的风能资源分布华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基
7、本知识25,300.0全国合计195.0广东435.8四川234.2陕西605.8辽宁64.0海南237.6江苏611.9河北104.8台湾246.5湖南637.5吉林100.6贵州250.5安徽1,143.0 甘肃137.2福建292.9江西1,722.8黑龙江148.4宁夏366.6云南2,421.4青海163.5浙江367.5河南3,433.0新疆168.1广西387.1山西3,993.0西藏192.7湖北393.6山东6,177.5内蒙风能储量省区风能储量省区风能储量省区华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识二 . 风力机的类型与原理（一）风力机
8、的类型1、分类方法： 按风轮轴线的方向可分为水平轴式和垂直轴式 按风轮的位置可分为上风式和下风式 按叶片的数目可分为单片式、双片式、三片式、四片式和多片式 按叶片的型式分为螺旋桨型、 H型和 S型等 按风能转换的原理可分为升力型和阻力型。z 按叶片与轮毂的连接分为定桨型和变桨型。风力发电所采用的风力机，水平轴式的占绝大多数，达 98以上。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识2、水平轴风力机华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识3、垂直轴风力机风轮轴垂直的风力机称为垂直轴风机。这类风力透平的形式也很多，如S型、H型
9、、型等。虽然目前还没有大量商品化，但它有许多特点，如不需要塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造方便等。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识（二）风力机的基本原理自然界中的风能不便于利用。为了把风能转变成所需要的机械能、电能、热能等其他形式的能量，人们发明了多种形式的风能转换装置，这就是风力机。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力FD和一垂直于气流方向的升力FL，其值分别由下式确定：FD=1/2CdSV2FL=1/2ClSV2式中：CD阻力系数CL
10、升力系数S 薄板的面积空气的密度V 气流速度由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的风轮， 称为阻力型风轮；而由升力FL而使其转动的风轮， 称为升力型风轮。现代风力机多采用升力型风轮。华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识风力机的叶片冀型与受力华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识323128opv wp wpP CP SvC D vC= =风力机输入风能，输出机械能。其输出功率为：其中 Cp为风能转换系数，与叶尖速比、浆叶节距角有关。wRw/v。3max wwPk=风力机最佳功率为：0.50.40.30.20.12
11、4 6 8 10 12 14 16 18681012155pC0（三）风力机的输出特性华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识（四）主要技术参数指标z 风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；z 叶片数目，高速发电用风力机为 24片，低速风力机大干 4片；z 叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；z 风能利用系数 Cp ，一般为 0.150.5之间；z 启动风速，一般为 35m/s;z 额定风速，一般为 820m/s 。z 停机风速，通常为 1535m s;z 输出功率，现代风力机一般为几百干瓦 几兆瓦；z 另外还有塔架高度等等。华北电力大学电气与
12、电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识z 独立运行发电机 直流发电机 永磁式直流发电机 (微、小型风机 )，电磁式直流发电机 (大、中型风机 ) 永磁式交流同步发电机 (微、小型风机 )转子采用永磁材料 (铁氧体，汝铁硼等 ):凸极式，爪极式 硅整流自励式交流同步发电机蓄电池，整流器 电容自励式异步发电机发电机需有剩磁或具有蓄电池，足够的电容三 . 风力发电机类型华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识z 并网运行发电机 感应异步发电机 笼型、绕线型，定子并联电容提供励磁功率 转差率 S大于 0 :电动状态转差率 S小于 0 :发电状
13、态4极或 6极，发电机转速高于 1500r/min或 1500r/min才能运行与发电状态 ,S= 2 5 并网方式：直接并网、降压并网、晶闸管软并网华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 同步发电机 普通同步发电机 凸极式 结构简单，低速发电 隐极式 机械强度高，高速发电华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 新型同步发电机 多极永磁低速同步发电机免除齿轮箱，构成 直驱式风力发电系统 永磁高压同步发电机定子：高压圆形电缆，高压至 10 20KV，甚至 40KV。转子：多极永磁，免除齿轮箱华北电力大学电气与电子工程
14、学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 双馈异步发电机 (DFIG)评价：当今最优前途的一种发电机 变速恒频 VSCF实现原理2160mnpf f=华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 DFIG的优势转子励磁电流幅值、相位、频率均可调转子励磁电流幅值、相位、频率均可调有功功率、无功功率均可调有功功率、无功功率均可调可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现变速恒频运行，适用于风力、潮汐等绿色发电领域可实现与电网的柔性并网，并网特性优良可实现与电网的柔性并网，并网特性优良华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 DFIG的 3种运行状态9 亚同步9 同步速9 超同步亚同步运行功率潮流 超同步运行功率潮流华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：风力发电基本知识 无刷双馈异步发电机 取消电刷和集电环，可靠性好 体积较大 分为级联式和磁场调制型 (图 )两种
