并网风力发电系统
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第六章 并网风力发电系统
第一节 风电场选址和发电机组的排列
❖ 风电场选址 ❖ 风电场风资源评估 ❖ 发电机组位置排列及尾流效应 ❖ Wasp软件的原理及应用
一、风电场选址
风能资源
地形地貌特征 风力造成的植物变形 受风力影响形成的地貌 向当地居民调查了解
电网连接 地质条件 交通条件 地形条件 社会经济因素
（1）风力发电部分 风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力 风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充 电，经过逆变器对交流负载充电。或者直接对直流负载充电。
（2）光伏发电部分 • 光伏发电部分利用 太阳能电池板的光伏效应将光能转换
为电能，然后对蓄电池充电，经过逆变器对交流负载充电， 或者直接对直流负载充电。
（二）风电机组尾流效应
❖ 风电场尾流影响使发电量减少约5%左右。
第二节 互补运行发电系统概述
互补发电运行系统：由两种以上的能源组成的供电系统，其中 至少有一种能源相对稳定。
主要特点： 系统可靠性高 配置灵活性
主要类型：
• 风力-光伏互补发电系统 • 风力-柴油互补发电系统 • 光伏-柴油互补发电系统 • 风力-光伏-柴油互补发电系统
二、风电场场址风能资源评估
（一）数据验证 （二）数据修订 （三）数据处理 （四）风资源评估
（一）数据验证
❖ 1. 数据检验
完整性检验：数量、时间顺序 合理性检验：范围、相关性、趋势检验
❖ 2. 不合理数据和缺测数据的处理 ❖ 3. 计算测风数据的完整率 ❖ 4. 验证结果
2. 不合理数据和缺测数据的处理
• 风光互补发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换 成电能，光伏阵列由一系列太阳能电池经过串、并联后组 成。太阳能电池是光伏发电的最基本单元。
（2）光伏发电部分 太阳能电池基本类型 单晶硅太阳能电池
当前发展最快，转换效率最高，可达24%。 多晶硅太阳能电池
其材料制造简便，节约能耗，总的生产成本低，转换效率12%。 非晶硅太阳能电池
对气象资源利用更充分，在适当的气象条件下可 实现昼夜连续发电，提高可供电的稳定性和可靠 性。
单位容量投资和发电成本低于光伏发电系统。 如果太阳能资源和风资源在时间和强度上互补性
好，则可减少电池组容量，因而减少了运行成本 （蓄电池寿命一般为三年）。
1.风功率密度
2.风向频率及风能密度的风向分布
全年的风向玫瑰图
全年的风能玫瑰图
❖ 3.风速的日变化和年变化 ❖ 4.湍流强度 ❖ 5.其他气象因素
三、风电机组位置排列及尾流效应
（一）风电机组位置排列
❖ 作为一条指导原则，风电场布置风电机组时，在盛 行风向上要求机组间隔5~9倍风轮直径，在垂直于 盛行风向上要求机组间隔3~5倍风轮直径。
风能与太阳能随季节、时间、天气等条件的变化差异很大。 为保证供电质量，在单独发电或互补发电系统中都必须配备 储能环节，应用最广泛的是利用铅酸蓄电池的化学储能。
风－光互补发电系统至少由风机、光伏发电、蓄电池和用电负 载等部分组成。系统中由风机、太阳电池和蓄电池联合为用电 负载供电。最简单的风-光互补发电系统如图所示 。
（4）逆变系统 逆变器就是把直流电（例如12VDC）逆变成交流电（例如 220VAC）的设备，一般分为独立逆变器和并网逆变器。
（5）直流负载
指以直流电为动力的装置或设备，如直流电动机、高强度 LED发光管等
（6）交流负载
指以交流电为动力的装置或设备，如日常家用电器、交流电 动机。
风—光互补发电系统的优点：
1. 风—光互补发电系统
风—光互补发电系统：风能和太阳能在能量上的相互补充， 共同给负载供电 。（丹麦学者1981提出）
主要特点: ① 弥补独立风力发电和太阳能光伏发电系统的不足， 向电网
提供更加稳定的电能。 ② 充分利用空间，实现地面和高空的合理利用。 ③ 共用一套送变电设备，降低工程造价。 ④ 同用一套经营管理人员, 提高工作效率, 降低运行成本。
将风力发电与太阳能发电技术加以综合利用，从而构成一 种互补的新型能源，是本世纪能源结构的一个新的增长点。
风－光互补发电系统的发电和储能配置，应考虑： —负荷的用电量及其变化规律； －蓄电池的能量损失和使用寿命； －太阳能和风能的资源情况。
根据风-光的变化情况，有三种可能的运行模式： 风电机组单独向负载供电； 光伏电池单独向负载供电； 风电机组和光伏电池联合向负载供电。
制造工艺简单，易于加工。转换效率低，而且不够稳定。
（3）控制部分
控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄 电池的工作状态进行切换和调节。
把调整后的电能直接送往交流或直接负载； 把多余的电能送往蓄电池组储存； 发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送
往负载，保证整个系统工作的连续性和稳定性。
4. 风切变指数
Hale Waihona Puke Baidu
5. 绘制风况图
❖ 年风况图
全年的风速和风功率日变化曲线图、风速和风功 率的年变化图、全年的风速频率分布直方图、全 年的风向和风能玫瑰图。
❖ 月风况图
各月的风速和风功率日曲线变化图、各月的风向 和风能玫瑰图。
（四）风资源评估
❖ 1.风功率密度 ❖ 2.风向频率及风能密度的风向分布 ❖ 3.风速的日变化和年变化 ❖ 4.湍流强度 ❖ 5.其他气象因素
❖ 列出 ❖ 再判别 ❖ 替换 ❖ 注明原因、来源
3.计算测风数据的完整率
4. 验证结果
❖ 整理出一套至少连续一年的风电场实测逐个 小时风速、风向数据，注明这套数据的完整 率。
（三）数据处理
❖ 1. 风速和风功率密度 ❖ 2. 风速和风能频率分布 ❖ 3. 风向频率及风能密度的方向分布 ❖ 4. 风切变指数 ❖ 5. 绘制风况图
1. 风速和风功率密度
❖ 风速和风功率密度 ❖ 月平均值、年平均值 ❖ 各月同一钟点平均值、全年同一钟点平均值
2. 风速和风能频率分布
❖ 以1m/s为一个风速区间，统计每个风速区 间内风速和风能出现的频率。每个风速区 间的数字代表中间值，如5m/s风速区间为 4.5~5.4m/s。
3.风向频率及风能密度的方向分布 ❖ 风速玫瑰图 ❖ 风能玫瑰图 ❖ 风向玫瑰图
第一节 风电场选址和发电机组的排列
❖ 风电场选址 ❖ 风电场风资源评估 ❖ 发电机组位置排列及尾流效应 ❖ Wasp软件的原理及应用
一、风电场选址
风能资源
地形地貌特征 风力造成的植物变形 受风力影响形成的地貌 向当地居民调查了解
电网连接 地质条件 交通条件 地形条件 社会经济因素
（1）风力发电部分 风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力 风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充 电，经过逆变器对交流负载充电。或者直接对直流负载充电。
（2）光伏发电部分 • 光伏发电部分利用 太阳能电池板的光伏效应将光能转换
为电能，然后对蓄电池充电，经过逆变器对交流负载充电， 或者直接对直流负载充电。
（二）风电机组尾流效应
❖ 风电场尾流影响使发电量减少约5%左右。
第二节 互补运行发电系统概述
互补发电运行系统：由两种以上的能源组成的供电系统，其中 至少有一种能源相对稳定。
主要特点： 系统可靠性高 配置灵活性
主要类型：
• 风力-光伏互补发电系统 • 风力-柴油互补发电系统 • 光伏-柴油互补发电系统 • 风力-光伏-柴油互补发电系统
二、风电场场址风能资源评估
（一）数据验证 （二）数据修订 （三）数据处理 （四）风资源评估
（一）数据验证
❖ 1. 数据检验
完整性检验：数量、时间顺序 合理性检验：范围、相关性、趋势检验
❖ 2. 不合理数据和缺测数据的处理 ❖ 3. 计算测风数据的完整率 ❖ 4. 验证结果
2. 不合理数据和缺测数据的处理
• 风光互补发电系统中，由光伏阵列负责将太阳光辐射转换 成电能，光伏阵列由一系列太阳能电池经过串、并联后组 成。太阳能电池是光伏发电的最基本单元。
（2）光伏发电部分 太阳能电池基本类型 单晶硅太阳能电池
当前发展最快，转换效率最高，可达24%。 多晶硅太阳能电池
其材料制造简便，节约能耗，总的生产成本低，转换效率12%。 非晶硅太阳能电池
对气象资源利用更充分，在适当的气象条件下可 实现昼夜连续发电，提高可供电的稳定性和可靠 性。
单位容量投资和发电成本低于光伏发电系统。 如果太阳能资源和风资源在时间和强度上互补性
好，则可减少电池组容量，因而减少了运行成本 （蓄电池寿命一般为三年）。
1.风功率密度
2.风向频率及风能密度的风向分布
全年的风向玫瑰图
全年的风能玫瑰图
❖ 3.风速的日变化和年变化 ❖ 4.湍流强度 ❖ 5.其他气象因素
三、风电机组位置排列及尾流效应
（一）风电机组位置排列
❖ 作为一条指导原则，风电场布置风电机组时，在盛 行风向上要求机组间隔5~9倍风轮直径，在垂直于 盛行风向上要求机组间隔3~5倍风轮直径。
风能与太阳能随季节、时间、天气等条件的变化差异很大。 为保证供电质量，在单独发电或互补发电系统中都必须配备 储能环节，应用最广泛的是利用铅酸蓄电池的化学储能。
风－光互补发电系统至少由风机、光伏发电、蓄电池和用电负 载等部分组成。系统中由风机、太阳电池和蓄电池联合为用电 负载供电。最简单的风-光互补发电系统如图所示 。
（4）逆变系统 逆变器就是把直流电（例如12VDC）逆变成交流电（例如 220VAC）的设备，一般分为独立逆变器和并网逆变器。
（5）直流负载
指以直流电为动力的装置或设备，如直流电动机、高强度 LED发光管等
（6）交流负载
指以交流电为动力的装置或设备，如日常家用电器、交流电 动机。
风—光互补发电系统的优点：
1. 风—光互补发电系统
风—光互补发电系统：风能和太阳能在能量上的相互补充， 共同给负载供电 。（丹麦学者1981提出）
主要特点: ① 弥补独立风力发电和太阳能光伏发电系统的不足， 向电网
提供更加稳定的电能。 ② 充分利用空间，实现地面和高空的合理利用。 ③ 共用一套送变电设备，降低工程造价。 ④ 同用一套经营管理人员, 提高工作效率, 降低运行成本。
将风力发电与太阳能发电技术加以综合利用，从而构成一 种互补的新型能源，是本世纪能源结构的一个新的增长点。
风－光互补发电系统的发电和储能配置，应考虑： —负荷的用电量及其变化规律； －蓄电池的能量损失和使用寿命； －太阳能和风能的资源情况。
根据风-光的变化情况，有三种可能的运行模式： 风电机组单独向负载供电； 光伏电池单独向负载供电； 风电机组和光伏电池联合向负载供电。
制造工艺简单，易于加工。转换效率低，而且不够稳定。
（3）控制部分
控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄 电池的工作状态进行切换和调节。
把调整后的电能直接送往交流或直接负载； 把多余的电能送往蓄电池组储存； 发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送
往负载，保证整个系统工作的连续性和稳定性。
4. 风切变指数
Hale Waihona Puke Baidu
5. 绘制风况图
❖ 年风况图
全年的风速和风功率日变化曲线图、风速和风功 率的年变化图、全年的风速频率分布直方图、全 年的风向和风能玫瑰图。
❖ 月风况图
各月的风速和风功率日曲线变化图、各月的风向 和风能玫瑰图。
（四）风资源评估
❖ 1.风功率密度 ❖ 2.风向频率及风能密度的风向分布 ❖ 3.风速的日变化和年变化 ❖ 4.湍流强度 ❖ 5.其他气象因素
❖ 列出 ❖ 再判别 ❖ 替换 ❖ 注明原因、来源
3.计算测风数据的完整率
4. 验证结果
❖ 整理出一套至少连续一年的风电场实测逐个 小时风速、风向数据，注明这套数据的完整 率。
（三）数据处理
❖ 1. 风速和风功率密度 ❖ 2. 风速和风能频率分布 ❖ 3. 风向频率及风能密度的方向分布 ❖ 4. 风切变指数 ❖ 5. 绘制风况图
1. 风速和风功率密度
❖ 风速和风功率密度 ❖ 月平均值、年平均值 ❖ 各月同一钟点平均值、全年同一钟点平均值
2. 风速和风能频率分布
❖ 以1m/s为一个风速区间，统计每个风速区 间内风速和风能出现的频率。每个风速区 间的数字代表中间值，如5m/s风速区间为 4.5~5.4m/s。
3.风向频率及风能密度的方向分布 ❖ 风速玫瑰图 ❖ 风能玫瑰图 ❖ 风向玫瑰图