风电基本原理及大规模风电并网运行问题92页PPT

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第三章 风力发电机组
➢ 而直驱型风机则另辟蹊径，配合采用了多项先进 技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接 传递到发电机的传动轴，使风机发出的电能同样 能并网输出。这样的设计简化了装置的结构，减 少了故障几率，优点很多，现多用于大型机组上。
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第三章 风力发电机组
➢ 根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为： ➢ “定桨距（失速型）机组”――桨叶与轮毂的连接
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第一章 风能开发的意义
什么是风能？
➢ 风能就是空气的动能,是指风所负载的能量，风能的大小决 定于风速和空气的密度。
风能来源于何处？
➢ 风的能量是由太阳辐射能转化来的，太阳每小时辐射地球 的能量是174,423,000,000,000千瓦，换句话说，地球每 小时接受了1.74 x 10^17瓦的能量。风能大约占太阳提供 总能量的百分之一，二，太阳辐射能量中的一部分被地球 上的植物转换成生物能，而被转化的风能总量大约是生物 能的50～100倍。
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第一章 风能开发的意义
发展风力发电具有什么优势？ ➢ 风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，
已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高， 发电成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环 境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。 风力发电场建设工期短，单台机组安装仅需几周，从土建、 安装到投产，只需半年至一年时间，是煤电、核电无可比 拟的。投资规模灵活，有多少钱装多少机。对沿海岛屿， 交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电 网和近期内电网还难以达到的农村、边疆来说，可作为解 决生产和生活能源的一种有效途径．
• 在齿轮箱后部的高速轴上安装有刹车盘， 其连接方式是采用胀紧式联轴器；液压制 动器通过螺栓紧固在齿轮箱体上；

德国北方风电项目
德国北方风电项目是全球最大的陆上风电项目之一，位于德国北部沿海地区。该项目由多个风电场组成，总装机 容量超过400兆瓦，每年可提供约1.2太瓦时的清洁能源。该项目采用先进的涡轮发电机技术，提高了能源转换效 率和可靠性。
中国风力发电项目介绍
甘肃酒泉风电基地
甘肃酒泉风电基地是中国最大的风电基地之一，位于甘肃省酒泉市。该基地总装机容量超过1000兆 瓦，拥有数千台风力发电机组，覆盖面积超过200平方公里。该基地的建设推动了当地经济发展和清 洁能源产业的发展。
风能资源的分布不均，主要集中在沿海地区、草原地区和部分山 区，其他地区的风能资源相对较少。
对土地资源的需求
建设风电场需要占用大量的土地资源，可能会对当地生态环境造成 一定影响。
对电网的依赖
风能具有不稳定性，因此需要依赖电网进行调节和平衡，对电网的 运行管理提出了更高的要求。
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风力发电技术
风力发电机组
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风力发电机组是风力发电的核 心设备，包括风轮、发电机、
塔筒等部分。
风轮将风能转化为机械能，通 过传动系统传递给发电机，最
终转化为电能。
风力发电机组有水平轴和垂直 轴两种类型，其中水平轴风力
发电机组应用更为广泛。
风力发电机组的功率和转速受 风速影响，需要进行调速和限
幅控制。
风力发电控制系统
清洁环保
风力发电是一种清洁能源，不会 排放有害气体和废弃物，对环境 友好。
风力发电的优势与局限性
节能高效
随着技术的不断进步，风力发电机组的效率和可靠性不断提高，能够满足大规 模能源需求。
地理分布广泛
风能分布广泛，尤其在沿海地区和内陆高原地区，具有较大的开发潜力。

市场推广
通过宣传和教育，提高公 众对风力发电的认识和接 受度，促进市场需求增长。
竞争环境
建立公平的市场竞争机制， 打破行业垄断，吸引更多 企业参与风力发电项目的 投资和建设。
技术瓶颈与解决方案
风能利用率
提高风能利用率，降低风能成本， 是当前面临的主要技术瓶颈之一。 通过研发更高效的风力发电机组 和优化风电场布局，可以提高风
能利用率。
储能技术
发展储能技术，解决风能发电的 间歇性问题。例如，利用电池、 抽水蓄能、压缩空气储能等技术， 实现风电场的有功无功调节和调
峰填谷。
输电技术
加强智能电网建设和特高压输电 技术的研究，提高风电并网和远
距离输送的能力，降低损耗。
环境保护与可持续发展
减少对环境的影响
合理规划风电场的位置和规模，避免对生态环境造成破坏。同时，加强风电设备 的噪声和视觉污染治理，降低对周边居民的影响。
海上风电发展
海上风电资源丰富，未来 将有更多的海上风电项目 建成并投入运营。
风力发电与其他可再生能源的结合
太阳能与风能结合
太阳能和风能在时间和地域上具有互补性，结合使用可提高可再 生能源的利用效率。
风能与水能结合
风能和水能在动力转换上具有协同效应，结合使用可实现能源的更 高效利用。
多种可再生能源的综合利用
风力发电的优势与局限性
优势
风能是一种可再生能源，利用风能发电有助于减少化石燃料的消耗和温室气体 排放；风能分布广泛，可利用风能资源丰富；风力发电技术成熟，经济效益逐 渐提高。
局限性
风能是一种间歇性能源，受天气和季节影响较大；风力发电机组占地面积较大， 对土地资源有一定需求；风力发电在建设、维护和拆除过程中可能对环境产生 一定影响。

• 2. 网侧变频器接触器闭合(S6)。网侧变频 器接触器闭合，同时预充电接触器断开， 能量从网侧经变频器至直流母排，母排 电压为1050DC，网侧变频器提供系统所 需无功能量，包括变压器、高频滤波装 置等。
• 3. 电机侧变频器启动(S7)。网侧变频器电 流80A左右，电机侧变频器电流20A左右。
• 2.风机达到并网转速，同时网侧变频器及 5Q2检测电压等条件达到并网条件，网侧 接触器合，预充电接触器分。
• 3. 5Q1和5Q2检测5Q3两侧电压、频率等 并网条件，如条件达到5Q3合，风机并网
• 4. 同步(S7-syn)。风机转速达到12001400rpm，电机侧变频器注入140A电流， 电机定子侧电压达到690V。
• 5. 定子接触器闭合，发电(S8)。定子电压 幅值、相位、频率与电网电压近乎一致， 定子接触器闭合，风机并网发电。
三、GE风机并网方式简介
• 1. 预充电：预充电接触器MA吸和，变频 器直流母排充电至970DC左右，机侧变 频器工作，母排直流电压经机侧变频器 逆变对发电机转子加电压。
二、华锐风机并网方式简介
• 1. 预充电(S2)：防止高频滤波器件过流。 预充电接触器吸和，变频器直流母排充 电至970DC左右，网侧变频器工作，母 排直流电压经网侧变频器逆变使A点电压 渐升为690AC，且电流值为57A。如果没 有预充电环节，直接吸和网侧接触器， 会使A点瞬间过电流。
大家有疑问的，可以询问和交流 可以互相讨论下，但要小声
此时输入转子电流的频率fr1为：
fr1=P·nr1/60=p(ns-nr2)/60=P·ns·S/60=S·fs
式中：S—转子滑差 fs---工频
上式表明：当发电机的转子以不同的转速 （滑差为S）运行时，只要根据转子转速的变 化来调节输入转子电流的频率，使变频器在转 子三相对称绕组中随时输入滑差频率fr1的电流， 就可以在发电机气隙中形成同步速度的旋转磁 场，在定子绕组中产生恒定频率的电势，满足 其并网运行的要求。

控制策略实施
实施效果评估
采用最大功率点跟踪和电网电压定向控制 策略，确保风力发电机在并网过程中能够 稳定运行，并实现对电网的友好接入。
通过实际运行数据对并网效果进行评估， 结果显示该并网方案和控制策略能够有效 提高风能利用率和电网稳定性。
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运行维护与故障排除
运行维护管理体系建立
制定运行维护计划
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风力发电机组成与工作原理
风轮结构与类型
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水平轴风轮
风轮旋转轴与地面平行， 适用于大型风力发电机， 具有高风能利用率和稳定 性。
垂直轴风轮
风轮旋转轴与地面垂直， 适用于小型风力发电机， 具有结构简单、维护方便 等优点。
风轮叶片
叶片形状和材料对风能利 用率和噪音等性能有重要 影响，现代风力发电机多 采用复合材料叶片。
运行。
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风力发电机组设计与选型
设计原则与方法
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安全性原则
确保风力发电机组在各种恶劣 环境下的稳定运行，防止意外
事故发生。
经济性原则
在保障安全性的前提下，追求 经济效益最大化，降低度电成
本。
可靠性原则
提高风力发电机组的可利用率 和寿命，减少维护成本和停机
时间。
适应性原则
适应不同风资源和环境条件， 确保风力发电机组的良好运行
控制系统与辅助设备
控制系统
实现对风力发电机的启动、停机 、调速、并网等控制功能，保证
风力发电机的安全稳定运行。
偏航系统
根据风向变化调整风轮迎风角 度，提高风能利用率和减少风 轮载荷。
刹车系统
在紧急情况下实现风力发电机 的快速停机，保证设备安全。

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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：
f1
p 60
n
f2
式中
f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速；
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
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绪论
在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。 风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和 控制技术等领域。
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6
S
5
N
N
S 4
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图3-17 凸极式永磁发电机结构示意图
1—定子齿 2—定子轭 3—永磁体转子 4—转子轴 5—气隙 6—定子绕组
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（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。
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（2） 并网运行的风力发电机组
风轮
电网
并网运行的水平轴
增速器 交流发电机 主继电器

Coupling 联轴器
Electric Generator 发电机
Output Power
输出功率
Speed 速度
Controller 控制器
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装配一台风机 一台风机是由许多部分组成的？
塔架 机舱 变压器 叶轮 基础
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叶轮 叶轮被固定在大 的主轴上，大的 叶轮有三个吸收 风能的叶片，风 速足够大时就会 驱动叶轮旋转！
Cut-out or Furling
Velocity 截止或收叶速度
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Wind 风
Aero Turbine 航空涡轮机
Yaw Control
&
Pitch Control 偏航控制与变桨
控制
Wind Speed & Direction 风速与方向
Gearing 齿轮装置
Speed & Torque 速度与扭矩
使用水冷却时，冷水被导入一些隐藏 在发电机外壳里的管中。水冷却了发 电机加热了水本身。而散热器（如上 图）又利用周围环境的空气再将水冷 却。由此，水在冷却发电机的同时不 断的循环，温度却不会升高。
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叶轮 所有大型风机都有三个叶片 组成叶轮与主轴连接，而每 种风机的叶片长度都有所不 同。比如有一种风机叶片长 度为25-27米，而最大的风机 的叶片达到39米，这相当于 一懂13层的高楼！
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高速轴
发电机与齿轮箱是通过高速轴连 接的. 高速轴转动并不像主轴那样具有 很大的扭矩
这就是高速轴看起来很细的原因。 另一方面，高速轴转速很快， 达到了每分钟1500转
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机械刹车 一台风机有两套原理不同的刹车： 一套是叶尖刹车，另一套是机械 刹车。
机械刹车被安装在发电机与齿轮箱之间 的高速轴上，它仅仅被用在当叶尖刹车 失败需要紧急刹车时。当风机在停机检 修状态时，启动刹车装置以避免因风机 突然启动而产生的隐患。

提升风电并网性能
智能电网技术可以提升风电并网性能，解决风电间歇性问题，提高 电网稳定性。
促进能源互联网发展
智能电网与风力发电的融合发展可以促进能源互联网的发展，实现 能源的互联互通和优化配置。
绿色能源政策对风力发电的推动作用
政策支持力度加大
随着全球对气候变化和环境保护的重视程度不断提高，各 国政府纷纷出台绿色能源政策，加大对风力发电的支持力 度。
工作原理
性能参数
列出风力发电机组的主要性能参数， 如功率、效率、额定风速等，并解释 其含义和影响。
详细解释风力发电机组的工作原理， 包括风能捕获、能量转换和电能输出 等过程。
风力发电控制系统
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控制策略
介绍风力发电系统的常用 控制策略，如最大功率跟 踪控制、恒速恒频控制等 。
控制系统组成
阐述风力发电控制系统的 基本组成，包括传感器、 控制器、执行器等。
提高风能利用率
高效能风电机组能够更好地捕捉风能，提高风能利用率，从而增 加发电量。
降低度电成本
高效能风电机组的发电效率更高，可以降低度电成本，使风电更 具竞争力。
保证风电稳定性
高可靠性风电机组可以保证风电的稳定性，减少设备故障和维护 成本。
智能电网与风力发电的融合发展
实现可再生能源的高效利用
智能电网技术可以实现可再生能源的高效利用，优化能源结构， 提高能源利用效率。
海上风力发电
定义
海上风力发电是指利用海洋上的风能资源建设大型风力发电设施 。
特点
海上风能资源丰富，风速稳定，发电量大，适合建设大型风电场。
案例
欧洲北海地区是全球最大的海上风力发电区域，其中英国、德国和 荷兰等国家在海上风电领域发展迅速。

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风力发电机组与设备
风力发电机组的主要类型与特点
水平轴风力发电机组
利用水平轴将风能转化为机械旋 转动力，根据风向调节转子叶片 角度，具有较高的风能利用率。
垂直轴风力发电机组
利用垂直轴将风能转化为机械 旋转动力，无需调节转子叶片 角度，适用于低风速地区。
大型风力发电机组
适用于风能资源丰富的地区， 具有高发电量、低成本等优点 ，但建设和安装周期较长。
预防性检修
根据机组运行状态和历史数据，预测 潜在的故障，提前进行检修，避免故 障发生。
风力发电场的运营模式与产业链
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运营模式
介绍风力发电场的运营模 式，包括独立运营、合作 运营、租赁运营等。
产业链
分析风力发电产业链的各 个环节，包括设备制造、 风电场建设、运营维护、 电力输送等。
商业模式
风力发电技术的未来发展趋势
技术创新
未来风力发电技术的发展将继续依赖于技术创新，包括新材料、新工艺、智能控制等方面的研究与应 用。这些技术将进一步提高风能利用率和发电效率。
海上风电
海上风电是未来风能发展的重要方向。随着海上风电技术的成熟和成本的降低，海上风电将成为全球 能源供应的重要来源之一。同时，海上风电的建设也将促进海洋工程、船舶制造等相关产业的发展。
风力发电与其他可再生能源的协同发 展有助于提高可再生能源的总体占比， 加速能源结构的转型和优化。
感谢您的观看
THANKS
包括维护、管理、保险等方面 的费用。
投资回报期
评估风电场的投资回报期，判 断投资是否具有经济可行性。
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风力发电的运行与维护
风力发电机组的运行管理
风力发电机组的启动与关闭

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 v1 v3
功率系数随风轮下游风速V3与风轮上游风速V1之比的变化曲线
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1.风力发电技术的基本原理及其发展
定桨定速 vs.变桨变速风力机输出功率的比较：
1.风力发电技术的基本原理及其发展
风电有功出力-风速特性曲线
1000
900
兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的 风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于 海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级 风机可以开发利用更多的风资源。
1.风力发电技术的基本原理及其发展
NEG Micon 2MW 风机， 浆距调节 (72 米/2MW， 1999年)
Nordex 2.5MW风 机,浆距调节(80米 /2MW, 2000年， 德国 Grevenbroich ）
1.风力发电技术的基本原理及其发展
Repower 5M 双馈感应电机变速风电机组 其叶片直径126米，机舱重量400吨，轮毂高度100-120米。
1.风力发电技术的基本原理及其发展
Repower 5M 双馈变速风电机组
德国：Repower公司 额定容量：5MW 变桨距控制 变速风机(双馈电机) 叶片直径：126m 机舱重量：400T 轮毂高度：
4
6
15o
8 10 12 14 16
Rtur /V
❖ 要保持最优叶尖速比，需根据风 速变化调节风电机组的转速，因 此，只有变速运行才能保证风力 机捕获的风能最大、效率最高。
❖ 理论上最大功率系数为 16/27≈0.59
1.风力发电技术的基本原理及其发展
1、贝兹理论中的假设