3.1 风力发电机组的分类
• 风力发电系统的分类——按功率调节方式
– 定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。 依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失 速特性保持输入功率基本恒定。 – 变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得 最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出 功率在额定范围内。 – 主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，
31
电机与电力电子教研室
3.2 风力发电的基本原理
• 双馈风力发电机组的电机模型建模
– 以转速ωe旋转的同步坐标系下的等效电路
Rs jωeψs + L σs Im Lm Lσr jωslipψr Rr Ir + Vr
Is + Vs
ψs
ψr
+
.
.
-
-
32
电机与电力电子教研室
3.2 风力发电的基本原理
15
电机与电力电子教研室
1.2 风力发电的发展
• 中国风电发展
– 我国电力发展基本情况，全国联网，西电东送、南北互供。 – 我国风能资源丰富，主要分布在三北及东南沿海地区。 – 2009年新增装机容量为13,800MW
• 2009年底我国风电装机情况
• 2009年我国风电各制造企业累计装机容量
– 建设千万千瓦级风电基地思路的提出和实施，落实了“建设大基
电流的q、d轴分量决定。
Te
3 pn Lm s irq 2 Ls
– 双馈电机的定子侧有功（或电磁转矩）、定子侧无功分别由转子
34
电机与电力电子教研室
3.2 风力发电的基本原理
35
电机与电力电子教研室
世界风机总装机容量
250
203.500
200
159.213
150
120.903
100 50
24.332 47.693 59.024
93.93 74.122 39.295
31.318
0
2001年
2002年
2003年
2004年
2005年
2006年
2007年
2008年
2009年
(b) 双馈异步发电机组
Grid Ps PMSG AC DC Converter DC AC Filter
(c) 永磁直驱同步发电机组
电机与电力电子教研室
26
3.2 风力发电的基本原理
• 风力机的运行特性
由风力机的空气动力学知，风力机的输入功率为
P v
1 1 ( Swv) v2 Swv3 2 2
• 水电、核电是现阶段低碳能源首选
– 发电成本与火电接近
– 稳定性优于风电、光电
– 水电开发总量有限、影响自然环境 – 核电有泄漏危险
4
电机与电力电子教研室
1.1
风力发电的意义

• 风能将成为21世纪的主要能源
– 太阳能转化而来，地球表面温差引起空气流动，具有一定动能。 – 是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源 – 由于能源和环境等诸多问题的影响，风力发电的发展受到全球性
控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加
叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。
23
电机与电力电子教研室
3.1 风力发电机组的分类
• 风力发电系统的分类——按功率调节
24
电机与电力电子教研室
3.1 风力发电机组的分类
• 风力发电系统的分类——按传动形式
– 高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的 要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱 称之为增速箱。 – 直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中 常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状 态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声，故障率高和维护成本大等 问题，提高了运行可靠性。 – 中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种 形式的综合。中传动比型风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同 时也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电 机的体积。
9
电机与电力电子教研室
1.2 风力发电的发展
• 1973年的石油危机之后，风力发电发展的到一些国家政
府大力支持，风力发电由小型逐渐向大中型发展。
– 80年代后，由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力 发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。
– Tvind 2MW，叶轮直径54米，
同步发电机通过电力电子设备 与电网相连。
19
电机与电力电子教研室
3. 风力发电机组的原理
3.1 风力发电机组的分类 3.2 风力发电的基本原理
20
电机与电力电子教研室
3.1 风力发电机组的分类
• 风力发电系统的分类——风轮轴向
垂直轴
水平轴
21
电机与电力电子教研室
3.1 风力发电机组的分类
• 风力发电系统的分类——叶片数量
22
电机与电力电子教研室
• 风力发电机容量和风轮直径发展
13
电机与电力电子教研室
1.2 风力发电的发展
• 风力发电机容量和风轮直径发展
14
电机与电力电子教研室
1.2 风力发电的发展
• 世界风电装机容量
– 09年全球风机容量为159,213 MW, 2009年新增容量为38,312 MW。
– 2009年风机装机增长率为31.7%，是自2001年增长最快的一年。
P C 转速恒定区 B 功率恒定区 D
Cp恒定区 A 0 启动区 ωr
– 第一个运行区域是启动阶段，此时电机增速，但没有并网，没有功率输出。
– 第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶 段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。
– 第三个运行区域为功率恒定区。当风速增加时，通过变桨控制，从而保持功率 不变。
33
电机与电力电子教研室
3.2 风力发电的基本原理
• 双馈风力发电机组的电机模型建模
– 当采用定子磁链定向（即同步坐标系的d轴定向在定子磁链矢量上）
时，定子侧的有功和无功可表示为：
ps
3ωe Lm s irq 2 Ls 3ωe s s Lm ird 2 Ls
qs
3r Lm p s irq e – 电磁功率和电磁转矩为： 2 Ls
• 通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能
• 利用电网远距离输送
6
电机与电力电子教研室
1. 风力发电概述
1.1 风力发电的意义 1.2 风力发电的发展
7
电机与电力电子教研室
1.2 风力发电的发展
• 自十九世纪末至二十世纪六十年代末，一些国家对风能 资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。
– 1888年美国电力工业奠基人之一Charles F. Brush安装了被现代 人认为是第一台自动运行且用于发电的风力机。
R v Rn 30v
– 变浆距的风能利用系数 Cp , 是叶尖速比和桨叶节距角两者的 函数。 – 在定浆距情况下，叶尖速比决着风能利用系数的大小。
29
电机与电力电子教研室
3.2 风力发电的基本原理
• 风力机的运行特性
– 由不同风速下风力机输出功率和转速的关系，可以看到不同风速 下风力机的功率转速曲线组成了曲线簇，每条曲线上最大功率点 成为风力机的最佳功率曲线。风力机运行在Popt曲线上将会输出最 大功率Pmax其值为
风力发电技术
王毅
电机与电力电子教研室
1
风力发电概述 风力发电设备
2
3
风力发电机组的原理
2
电机与电力电子教研室
1. 风力发电概述
1.1 风力发电的意义 1.2 风力发电的发展
3
电机与电力电子教研室
1.1
风力发电的意义
• 煤、石油、天然气是当今世界主要能源
– 稀缺性和不可再生性使能源价格不断增长。 – 燃料型能源产生有害气体排放，危害健康、导致全球变暖。 – 寻找新的、清洁的、无污染、可再生的替代性能源是当今人类面 临的重要问题。
3.1 风力发电机组的分类 3.2 风力发电的基本原理
28
电机与电力电子教研室
3.2 风力发电的基本原理
• 风力机的运行特性
– 风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转 速、叶片直径、桨叶节距角均有关系。 – 为了便于讨论，定义风力机的另一个重要参数叶尖速比，即叶片 的叶尖线速度与风速之比：
25
电机与电力电子教研室
3.1 风力发电机组的分类
• 风力发电系统的分类——按发电机驱动方式形式
Grid
DFIG Ps s Ps Filter Grid
Ps IG Gear box Compensation
sP s Gear box AC DC Converter DC
AC
(a) 固定转速的异步发电机组
• 叶轮：叶片和轮毂，获取风能并转化为机械能。 • 机舱
– 偏航系统
– 传动链
• 主轴：将风轮力矩传递给齿轮箱或发电机。 • 齿轮箱：将风轮转速在高速轴侧提高到满足发电 机需要的转速。
– 发电机：异步发电机、双馈发电机、永磁同步 发电机 – 制动系统、桨距调节装置
• 塔架 • 电控系统：风力发电机组的运行与管理。
由于通过风轮旋转面的风能不能全部都能被风轮吸收利用，其风能利用系数
Cp
风力机输出的机械功率 PO 输入风轮面内的功率 Pv
1 S wv 3C p R 2v 3C p 2 2