风力发电原理及其新技术应用解析
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（1）电励磁同步发电机；
（2）永磁同步发电机。
按并网方式分类： • 并网型：
并入电网，可省却储能环节。
• 离网型：
一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直 流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率
P
1 2
AV
3C
p
• 风能转换率
Cp f (TSR, )
• 叶尖速比
有力的政策支持
2006年1月：《可再生能源法》 2007年9月：《可再生能源中长期发展规划》 2009年： 《新能源产业振兴规划》
《新Baidu Nhomakorabea源产业振兴规划》
到2011年： 风电装机3500万千瓦 其中陆地3000万千瓦，海上500万千瓦 新能源在能源结构中比例达2%（含水电10%） 新能源发电占总装机比例5%（含水电25%） 新能源产业增加直接投资9700亿 带动社会间接投资2万亿
双馈型异步风力发电机组
主电路：双馈异步发电机+交直交双向功率变换器
国产1MW双馈型异步风力发电机
双馈异步发电机
➢绕线型转子三相异步发电机的一种； ➢定子绕组直接接入交流电网； ➢转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向 功率变换器； ➢转子绕组通入变频交流励磁； ➢转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态； ➢定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕 组端口电功率的流向取决于转差率；
世界风电技术发展趋势
➢风电单机容量稳步上升：以德国为例，03年平均单 机容量超过1.5MW，叶片直径大于64m的风机占77%； ➢变浆调节方式迅速取代失速调节方式：德国03年装 机的风电机组，超过91%采用了变浆调节方式； ➢变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式：通过控制发 电机转速，是风机叶尖速比接近最佳，提高风机运 行效率。德国03年装机的风电机组，超过90%的风机 采用了变速恒频方式； ➢无齿轮箱的直驱同步发电机组的市场份额迅速扩大
TSR mR V
TSR:叶尖速比Tip Speed Rate
:桨距角
风力发电机组输出功率(定速vs变速)
笼型异步风力发电机组
定速笼型异步风力发电机组 变速笼型异步风力发电机组
定速笼型异步风力发电机组
三相笼型异步风力发电机
笼型异步风力发电机的内部结构
笼型异步风力发电机的工作状态
发电机状态
国内外风力发电的发展概述
我国风能资源分布
中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦 近海可开发风能资源是陆地的3倍多
风电的快速发展
➢从1996年到2009年，世界累计风电装机容量的增 长率超过20%，平均28%； ➢2007年，世界累计风电装机容量94112MW，增长 26.8%； ➢2007年，世界新增风电装机容量20073MW，增长 32.1%； ➢到2007年，我国风电装机容量6050MW，超过丹麦， 成为世界第5； ➢到2008年，我国风电装机12170MW，居世界第4；
风力发电的基本原理
我上到风机上了
风力发电系统的分类
按风轮桨叶分类： • 失速型：
高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰 流器动作，限制风力机的输出转矩与功率； • 变桨型：
到2020年： 风电装机1.5亿千瓦 其中陆地1.2亿千瓦，海上3000万千瓦 建设六个陆上千万千瓦级风电基地及其外送联网工程 新能源在能源结构中比例达9%（含水电20%） 新能源发电装机占总装机比例达15%（含水电35%） 新能源产业增加直接投资45000亿 带动社会间接投资9万亿
我国风电发展特点
➢风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大； ➢单个风电场装机容量不断增加，已有多个10万千瓦 级风电场投运，正建千万千瓦级大型风电基地； ➢风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV)； ➢风电机组的种类不断增多，从早期的定速风电机组 （1MW以下），到双馈感应风力发电和直驱同步风力 发电（1MW以上）
电动机状态
S n1
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S n1
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N
N
n n＞n1＞0
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0＜n＜n1
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1s
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
笼型异步风力发电机的特点
（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应 选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容； （2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负 载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦； （3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机 有较软的机械特性曲线，Ｓmax绝对值要大 ； （4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲 击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动 限流装置；
风力发电原理及其新技术应用
北京交通大学电气学院 吴俊勇
13910061748 wujy@bjtu.edu.cn
提纲
一． 国内外风力发电的发展概述 二． 风力发电的基本原理 三． 风力发电系统的分类 四． 笼型异步风力发电机组 五． 双馈型异步风力发电机组 六． 直驱型同步风力发电机组 七． 风电功率预测 八． 风电场的并网技术 九． 风电场的低电压穿越能力LVRT 一○．储能装置的应用
高风速时通过调整桨距角，限制输出转 矩与功率。
按风轮转速分类：
• 定速型：
风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与 恒速发电机对应；
• 变速型：
（1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能 转换率，与双速发电机对应； （2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调， 可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。
变速笼型异步风力发电机组
变速笼型异步风力发电机组的特点
（1）笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态； （2）运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行
效率高； （3）发电机机端电压可调，轻载运行效率高； （4）发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网
波动的适应性好； （5）变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。
按传动机构分类： • 齿轮箱升速型：
用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机； （减小发电机体积重量，降低电气系统成本）
• 直驱型：
直接连接低速风力机和低速发电机。 （避免齿轮箱故障）
按发电机分类： • 异步型：
（1）笼型单速异步发电机； （2）笼型双速变极异步发电机； （3）绕线式双馈异步发电机；
• 同步型：
（2）永磁同步发电机。
按并网方式分类： • 并网型：
并入电网，可省却储能环节。
• 离网型：
一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直 流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率
P
1 2
AV
3C
p
• 风能转换率
Cp f (TSR, )
• 叶尖速比
有力的政策支持
2006年1月：《可再生能源法》 2007年9月：《可再生能源中长期发展规划》 2009年： 《新能源产业振兴规划》
《新Baidu Nhomakorabea源产业振兴规划》
到2011年： 风电装机3500万千瓦 其中陆地3000万千瓦，海上500万千瓦 新能源在能源结构中比例达2%（含水电10%） 新能源发电占总装机比例5%（含水电25%） 新能源产业增加直接投资9700亿 带动社会间接投资2万亿
双馈型异步风力发电机组
主电路：双馈异步发电机+交直交双向功率变换器
国产1MW双馈型异步风力发电机
双馈异步发电机
➢绕线型转子三相异步发电机的一种； ➢定子绕组直接接入交流电网； ➢转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向 功率变换器； ➢转子绕组通入变频交流励磁； ➢转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态； ➢定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕 组端口电功率的流向取决于转差率；
世界风电技术发展趋势
➢风电单机容量稳步上升：以德国为例，03年平均单 机容量超过1.5MW，叶片直径大于64m的风机占77%； ➢变浆调节方式迅速取代失速调节方式：德国03年装 机的风电机组，超过91%采用了变浆调节方式； ➢变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式：通过控制发 电机转速，是风机叶尖速比接近最佳，提高风机运 行效率。德国03年装机的风电机组，超过90%的风机 采用了变速恒频方式； ➢无齿轮箱的直驱同步发电机组的市场份额迅速扩大
TSR mR V
TSR:叶尖速比Tip Speed Rate
:桨距角
风力发电机组输出功率(定速vs变速)
笼型异步风力发电机组
定速笼型异步风力发电机组 变速笼型异步风力发电机组
定速笼型异步风力发电机组
三相笼型异步风力发电机
笼型异步风力发电机的内部结构
笼型异步风力发电机的工作状态
发电机状态
国内外风力发电的发展概述
我国风能资源分布
中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦 近海可开发风能资源是陆地的3倍多
风电的快速发展
➢从1996年到2009年，世界累计风电装机容量的增 长率超过20%，平均28%； ➢2007年，世界累计风电装机容量94112MW，增长 26.8%； ➢2007年，世界新增风电装机容量20073MW，增长 32.1%； ➢到2007年，我国风电装机容量6050MW，超过丹麦， 成为世界第5； ➢到2008年，我国风电装机12170MW，居世界第4；
风力发电的基本原理
我上到风机上了
风力发电系统的分类
按风轮桨叶分类： • 失速型：
高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰 流器动作，限制风力机的输出转矩与功率； • 变桨型：
到2020年： 风电装机1.5亿千瓦 其中陆地1.2亿千瓦，海上3000万千瓦 建设六个陆上千万千瓦级风电基地及其外送联网工程 新能源在能源结构中比例达9%（含水电20%） 新能源发电装机占总装机比例达15%（含水电35%） 新能源产业增加直接投资45000亿 带动社会间接投资9万亿
我国风电发展特点
➢风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大； ➢单个风电场装机容量不断增加，已有多个10万千瓦 级风电场投运，正建千万千瓦级大型风电基地； ➢风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV)； ➢风电机组的种类不断增多，从早期的定速风电机组 （1MW以下），到双馈感应风力发电和直驱同步风力 发电（1MW以上）
电动机状态
S n1
nT
S n1
nT
N
N
n n＞n1＞0
n1
0＜n＜n1
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s＜0
0
0＜s＜1
1s
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
笼型异步风力发电机的特点
（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应 选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容； （2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负 载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦； （3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机 有较软的机械特性曲线，Ｓmax绝对值要大 ； （4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲 击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动 限流装置；
风力发电原理及其新技术应用
北京交通大学电气学院 吴俊勇
13910061748 wujy@bjtu.edu.cn
提纲
一． 国内外风力发电的发展概述 二． 风力发电的基本原理 三． 风力发电系统的分类 四． 笼型异步风力发电机组 五． 双馈型异步风力发电机组 六． 直驱型同步风力发电机组 七． 风电功率预测 八． 风电场的并网技术 九． 风电场的低电压穿越能力LVRT 一○．储能装置的应用
高风速时通过调整桨距角，限制输出转 矩与功率。
按风轮转速分类：
• 定速型：
风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与 恒速发电机对应；
• 变速型：
（1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能 转换率，与双速发电机对应； （2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调， 可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。
变速笼型异步风力发电机组
变速笼型异步风力发电机组的特点
（1）笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态； （2）运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行
效率高； （3）发电机机端电压可调，轻载运行效率高； （4）发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网
波动的适应性好； （5）变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。
按传动机构分类： • 齿轮箱升速型：
用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机； （减小发电机体积重量，降低电气系统成本）
• 直驱型：
直接连接低速风力机和低速发电机。 （避免齿轮箱故障）
按发电机分类： • 异步型：
（1）笼型单速异步发电机； （2）笼型双速变极异步发电机； （3）绕线式双馈异步发电机；
• 同步型：