离网型风力发电系统及其应用

探究风力发电并网技术的应用及电能质量控制策略摘要：在电力事业快速发展中，重视风力发电并网技术的应用，可实现对风力资源的有效开发与运用，践行环境保护理念的同时提升电能质量。

另外，明确不同风力发电并网技术的优劣势，并通过电压波动以及闪变抑制、增强电能消纳水平、实现电网智能化发展、机组设计改进等策略实现电能质量的控制，推进风力电网并网发展。

关键词：风力发电并网技术；应用；电能质量；控制策略引言当前，我国的风力发电技术已经有较为成熟的应用，并且已经为社会用电发挥了重要作用。

但是，风电并网会在一定程度上对电网产生影响，而且随着风电容量的不断增加，这种影响也越来越明显和严重，所以，要采取有效的方法控制这种不利影响，从而为社会提供更高质量的电能。

1风力发电技术的特点及发展状态风电主要就是将风的动能转变为电力，风能作为一种可再生的清洁能源，受到了全世界的关注。

风能本身就富有丰富的能量，比地球上可开发的水能总量高出十倍左右。

我国的风能资源十分丰富，可开发并利用的风能高达10亿千瓦。

风本身就是一种无公害的能源，且在使用过程中是取之不尽用之不竭的一种能源。

在全球范围内还存在缺水、缺燃料以及交通不便的城市，选择风力发电能规避出现的诸多能源消耗问题。

海上风电也是可再生能源发展的关键领域，同时也是推动风电技术进步及产业升级与发展的必备力量，在当前能源结构调整等诸多前提下，采用风电能够更好地促进调整的体系推进。

当前风力发电技术发展状态可以以下四点进行分析。

单机容量稳步提升。

从20世纪80年代开始，我国单机功率55kW为主要发电功率，从90年代初期开始提升为100~300kW为主要发电功率，从90年代中期开始提升为450~600kW为主要发电功率。

在持续不断地单机容量发展中能够看出，我国风力发电技术也在不断扩大；变桨调节方式替代传统失速功率调节模式。

失速功率调节模式主要存在的问题是由于风力发电组性能受到叶片失速性的影响，整体额定风速持续变高，在风速超过额定数值后发电的功率就会不断下降。

离网型风力发电系统实验指导书目录第一章概述-------------------------------------------------------- 3第二章安全须知---------------------------------------------------- 42.1警示说明---------------------------------------------------- 42.2禁止操作项-------------------------------------------------- 42.3系统运行须知------------------------------------------------ 5第三章系统组成---------------------------------------------------- 63.1系统组成---------------------------------------------------- 63.2系统主要部件参数-------------------------------------------- 73.3系统原理图-------------------------------------------------- 9第四章操作过程---------------------------------------------------- 114.1系统启动和停止--------------------------------------------- 114.2风力发电控制器--------------------------------------------- 124.3离网逆变器------------------------------------------------- 124.4触摸显示屏------------------------------------------------- 13第五章设备维护和常见故障处理------------------------------------ 155.1设备维护--------------------------------------------------- 155.2常见故障和处理方法----------------------------------------- 15第一章概述随着地球上矿石燃料的枯竭，以及在其使用过程中造成的污染，人类越来越迫切的需要找到一种干净的可代替的而且在相当长的一段时间内取之不尽用之不竭的能源。

离网风力发电机系统构成介绍把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。

风力发电技术是一项多学科的、可持续发展的、绿色环保的综合技术。

风力发电所需要的装置称作风力发电机组。

风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分将风能转换为机械能；发电机部分将机械能转换为电能。

根据风力发电机这两大部分采用的不同结构类型，以及它们分别采用技术的不同特征，再加上它们的不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。

风力发电机组主要由风轮、传动与变速机构、发电机、塔架、迎风及限速机构组成。

离网风力发电系统是利用风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。

离网风力发电供电系统一般包括风力发电机、智能控制器、逆变器、交流/直流负载、蓄电池组等部分，该系统是集风力发电技术及智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。

1、发电部分（1）风轮风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。

一般风力发电机的风轮由两个或三个叶片构成，桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其他复合材料（如碳纤维）来制造。

在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变成机械能（转速+扭矩）。

风轮的轮毂固定在发电机轴上，风轮的转动驱动了发电机轴旋转，带动三相发电机发出三相交流电。

（2）调向机构调向机构是用来调整风力机的风轮叶片与空气流动方向相对位置的机构，其功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。

因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，即迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构（国外通称偏航系统）。

小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车。

2风力发电机组并网运行方式分析2.1风力发电系统的基本结构和工作原理风力发电系统从形式上有离网型、并网型。

离网型的单机容量小(约为0．1～5 kW，一般不超过10 kW)，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。

另外，中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行，也可与其它能源发电方式相结合(如风电一水电互补、风电一柴油机组发电联合)形成微电网。

并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率，按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。

2.1.1恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。

且在定桨距并网型风电机组中，一般采用SCIG，通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速的转速(一般在(1～1．05)n)之间稳定发电运行。

如图2.1所示采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图，由于SCIG在向电网输出有功功率的同时，需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为n的旋转磁场，这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降，为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。

在整个运行风速范围内(3 m／s < <25 m／s),气流的速度是不断变化的，为了提高中低风速运行时的效率，定桨距风力1发电机普遍采用三相(笼型)异步双速发电机，分别设计成4极和6极，其典型代表是NEGMICON 750 kW机组。

风图2.1采用SCIG的恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点，其主要缺点为：运行范围窄；不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值)；风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。

风电系统和风电机组的工作原理及国内外风力发电技术的发展趋势关键字：正文：风电，原理，发展趋势1.风电系统风能一种已有数千年利用历史，在1973年石油危机后重新受到重视的新型能源，目前，许多国家都在进行风能方面的试验研究，利用风力发电进入了一个蓬勃发展的时期。

风电系统是一个以风电为能源，包括后备能源、能量储存、使用者等组成部分的系统。

风电主要有两种形式：离网风力发电系统和并网风力发电系统。

离网风力发电系统的应用包括以下四种：①为蓄电池充电；②为边远地区提供可靠的电力；③给水加热；④边远地区的其他应用，如乡村供电等。

离网风电机的单机容量一般为100W~10KW。

并网风力发电系统的应用主要是两种：①单个的风力发电机，可与电网连接，功率约为10~100KW；②风力田：多个风力发电机集中安装、均匀分布并由控制中心集中管理，所发出电力主要通过电网输送，其功率一般为50~500KW。

与常规的发电技术相比，风力发电具有如下的特点：①间歇性发电；②运行条件恶劣；③成本相对下降；④分散建设；⑤有利于环境保护。

2.风电机组工作原理风力发电机有两种类型，由能量驱动链的方向决定，水平方向的为水平轴风力机，垂直方向的为垂直轴风力机。

其中水平风力机是市场上的主流，以下内容基本以水平风力机为主。

水平轴风力发电机主要有风轮（即转子，包括叶片和轮）、主轴、增速箱、发电机、塔架、调向系统、制动系统、液压系统、变距系统和控制系统等组成。

风轮是空气动力学研究的成果，弯曲的叶片在有效防止共振等现象的前提下转动，产生较大的升力和较小的阻力。

风轮尾端的尾翼作为调向器来控制风轮的迎风方向，尽量使其随时都迎风，从而最大限度地获取风能。

限速装置可以使风轮的转速在一定的风速范围内保持不变，制动装置可以使风轮在风速过高时停转，这些装置保证了风力发电机的安全运行。

发电机作为驱动装置将动能转化为电能，按照驱动方式，发电机可以分为以下三种：齿轮驱动、直接驱动和混合驱动；依据产生的电流，发电机又可分为三种：直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。

风力发电现状及其技术发展综述发布时间：2021-09-04T01:50:14.723Z 来源：《福光技术》2021年9期作者：郑哲[导读] 目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。

宁夏京银智慧新能源有限公司银川 750001摘要：风能作为最具商业化前景的可再生能源，正得到大规模的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步。

该综述的内容包括目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电系统的类型、风电系统中所采用发电机的性能与特点以及未来风力发电技术的发展趋势进行了较详细深入的介绍，为更好地了解国内外风力发电的现状与发展趋势提供参考。

关键词：风能；可再生能源；风力发电；发电机；风电并网引言在全球生态环境恶化和化石能源逐渐枯竭的双重压力下，对新能源的研究和利用已成为全球各国关注的焦点。

除水力发电技术外，风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有商业化发展前景的发电方式。

由于在改善生态环境、优化能源结构、促进社会经济可持续发展等方面的突出作用，目前世界各国都在大力发展和研究风力发电及其相关技术。

1国内外风力发电现状和前景1.1全球风力发电发展现状2009 年，虽然金融危机引起的全球经济秩序的动荡仍在持续，但风电行业发展势头迅猛，全球年度市场增长率达 41%，行业市场格局基本没有发生实质性的改变，美国、欧盟和亚洲仍处于全球风电发展的主要领导地位，明显的变化是中国超越美国，成为了 2019 年新增装机容量全球第 1 的国家。

1.2中国风力发电发展情况根据 2004—2006 年第 3 次风能资源普查结果显示，中国陆地、海上 10m 以上高度的风能可开发量为 7 亿～ 12 亿 kW，但随着风机高度的逐步提高，由过去的几十米达到如今的百米以上，这一数据发生了很大的变化。

2007 年中国气象局实施了中国风能资源详查与评价工程，并于 2010 年首次公布了中国风能资源研究的重要成果：中国海、陆距地 50m 以上的高度，风速达 3 级以上风力资源的潜在可开发量约为 25 亿 kW，在风电五大国中，中国风电资源与美国接近，远远高于印度、德国和西班牙。

离网风力发电系统的应用设计实例一、任务导入我国还有很多远离电网的农村、牧区、边防连队、海岛驻军等地方使用柴或汽油发电机组供电，发电成本相当高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区。

通过采用风力发电机组供电，节约了燃料和资源，同时还减少了对环境的污染，一举多得，有着十分显著的经济效益和社会效益。

如何选择一台真正适合本地区使用的小型风力发电机进行风力发电呢？二、相关知识风力发电机根据应用场合的不同又分为并网型和离网型风力机，离网型风力发电机亦称独立运行风力机是应用在无电网地区的风力机，一般功率较小。

独立运行风力机一般需要与蓄电池和其他控制装置共同组成独立运行风力机发电系统。

这种独立运行系统可以是几千瓦乃至上几十千瓦解决一个村落的供电系统，也可以是几十到几百瓦的小型风力发电机组以解决一家一户的供电，我们这里主要介绍适合我国边远无电地区的小型风力发电机组的应用。

学习情境离网风力发电系统的设计方法根据安装地点的风能资源情况，以及用户的用电负荷和用电要求，合理选配小型风力发电机组的类型和配置，以获得最佳效益是离网风力发电系统的设计要求。

（一）风力发电设计应注意的问题1．风力发电系统应用环境的分类为了使风力发电系统适应不同的使用环境，降低因为环境原因造成的风力发电机组故障，将风力发电系统的使用环境分成3类。

根据不同环境的实际需要选择相适应的产品。

I类地区：沿海地区。

抗风能力强，风力发电机在承受60m/s风速时，不至于损坏；耐腐蚀，要求在沿海地区耐腐蚀年限为10年。

Ⅱ类：高寒、高海拔地区。

要求可以适应低温环境；适应高海拔低气压环境。

Ⅲ类：沙漠、戈壁地区。

要求可以适应高温酷热环境；适应沙尘天气。

I类地区风力发电机的安全风速不小于60m/s；Ⅱ类和Ⅲ类地区机组的安全风速不小于50m/s。

风力发电机的启动风速和额定风速应根据年平均风速频率分布图来确定，无年平均风速频率分布图时，应根据平均风速最低月份确定。

风力发电机的噪声应不高于70dB。

离网风力发电系统1、离网风力发电系统的原理和功能离网风力发电系统的原理是利用风力驱动风力机风轮转动，并将转矩传递到发电机，带动发电机发出电能。

与此同时，借助风力机的调向、调速机构、电气控制及变流装置，将瞬息变化的风能转换为稳定的、可直接应用的电能。

在无风、风力发电机组不能运行发电时，为保持系统不间断供电，离网风力发电系统还要配备电能储存装置。

风力发电机发出的交流电经整流后直接向蓄电池组充电及直流负载供电，经变流器（单相或三相）还可向交流负载供电。

在离网风力发电系统中有两条主线，一是功率能量转换，另一是过程控制及安全防护。

两者协调作用，使系统完成发电、供电功能。

离网风力发电系统属于独立的发电供电系统，在电力网络不能覆盖的区域，利用风能资源解决当地的电力需求，是非常适用的新能源设备。

在规模较大的风电场，可以作为大型并网发电系统的补充，充分利用风电场在高度和地面的空间，安装中小型风力发电系统，以增大风电场的装机容量。

在有些地区受风能资源、地理环境、交通和运输安装等条件制约不便于安装大型风力发电机，却更适合安装使用中小型风力发电机。

在很多风能资源较丰富的地区，还可以中小型风力发电系统为主体，采用风、光、柴油发电机组、蓄电池组和双向逆变器等多能互补的方式组成微电网或分布式发电供电站。

2、离网风力发电系统的构成离网风力发电系统是由风轮、传动、发电机、迎风回转机构、调（限）速机构、塔架和基础、电气控制系统、储能装置、变流器（含逆变和低压并网装置）以及用电负荷等构成。

附图AHBJ-7.6/10kW变桨距风力发电组结构外形图，是一种比较典型的离网风力发电系统2.1.风轮风轮是风力发电机的动力部件，它将风能转换为机械能，以旋转的方式通过风轮轴将转动力矩传递（直接驱动或经过齿轮箱）给发电机。

风轮由叶片和轮毂组成，叶片设计成具有高转换效率的空气动力外形。

风轮按风轮轴的布置分为水平轴和立轴；按结构构分为定桨距和变桨距；水平轴按风轮所在位置又分为上风向和下风向。

摘要：本项目通过风光互补离网型供电系统，以电磁限速保护为主，柔性风轮叶片变形限速为辅，为港航领域供电应用、海岛离网供电应用、交通系统道路照明等系统进行供电。

该系统适用于大面积安装，用电及维护成本等相对较低，且使用时间越长越能体现出该系统的突出性及可靠性，节能减排效果显著。

1.技术概况风光互补供电系统为风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。

主要分为离网型和并网型两种形式。

离网型是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。

并网型主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，将电力并网送入常规电网中。

2.技术原理风光互补供电离网型供电系统技术的主要原理为：风力发电机通过风力带动三片扇叶与永磁发电机作用产生直流电流，通过电缆线进入蓄电池储存，使用时通过变频逆变器将蓄电池内的直流电转化为交流电输出用于办公、生活或照明用电。

太阳能发电是将太阳能转化为电能储存入蓄电池，后蓄电池内直流电经逆变器转化为交流电供办公、生活或照明用电。

风光互补并网型供电系统包括光伏系统、风电系统、风光互补并网控制逆变系统等几个主要部分。

光伏系统主要包括：光伏阵列和DC/DC 转换器，其中DC/DC 转换器用于配光伏阵列和直流母线电压，以实现最大功率跟踪。

风电系统主要包括：风力发电机和发电机AC/DC 转换器，其中AC/DC 转换器用于发电机发出的交流电转换成直流电并实现和直流母线之间的电压匹配，同时实现最大功率跟踪。

风光互补并网控制逆变系统综合了风机及光伏的控制系统，通过DC/（AC）-DC-AC 的电流转换功能最终实现并网发电。

风光互补供电系统的技术核心是小型风力发电机，系统流程见图1。

江苏江阴港港口集团股份有限公司已实施了62套HY-400 等型号的风光互补离网型供电系统，主要分布在办公区域、港区道路、码头引桥、港区监控等区域内。