风的特性复习课程

风的特性

风的特性

1、随机性

2、风随高度的变化而变化

2、风速

由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。

3、风力

风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。

风力等级与风速的关系：

505.1N 824.01.0N

+=-ν式中 V N ——N 级风的平均风

速(m/s)；

N ——风的级数。 风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能

风力发电机的分类

按风轮轴的安装型式：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组

按风力发电机的功率 ：微型（额定功率50～1000W ）、小型（额定功率1.0～10kW ）、中型（额定功率10～100kW ）和大型（额定功率大于100kW ） 按运行方式 独立运行和并网运行

独立运行的风力发电机组

水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。

（2）并网运行的风力发电机组

并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示

3.2.2 风力机

风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。

1、水平轴风力机：

a.荷兰式

b.农庄式

c.自行车式

d.桨叶式

2、垂直轴风力机：

a.萨窝纽斯式

b.达里厄式

c.旋翼式

3）双馈异步发电机

双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。

根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：

1）亚同步运行状态。此时n0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。

2）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。

3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。

3.3.1 风力发电的特点及控制要求

风力发电系统控制的目标主要有四个：

保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。

风力发电系统常规的控制功能有七个：

①在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；

②低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；

③高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；

④减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；

⑤减小功率传动链的暂态响应；

⑥控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；

⑦调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。

变速恒频风力发电机组的调节与控制

2、特点

1.可大范围的调节转速，使功率系数保持在最佳值，从而最大限度地吸收风能，系统效率高；

2.能吸收和存贮阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声；

3.可以控制有功功率和无功功率，电能质量高。

变速恒频风力发电机的基本结构和主要类型

(1) 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统不足：系统的成本和体积较大，在大容量发电机组中难以实现；需加电容补偿装置，其电压和功率因数的控制较难。

5、变速恒频风力发电系统的控制策略

变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：

①低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；

②高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。

3.4 风力发电机组的并网技术和功率补偿

为解决风力发电稳定供电的问题，目前一般采用的方法是：

1000kW以上的大型风力发电机组并网运行；

几十kW～几百kW的风力发电机组可以并网运行，或者与

其他发电装置互补运行（如风光互补、风力－柴油发电

联合运行）；

10kW以下的小型风力发电机组主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。

3.4.1 风力同步发电机组的并网运行和功率补偿

同步发电机的转速和频率之间有着严格不变的固定关系，同步发电机在运行过程中，可通过励磁电流的调节，实现无功功率的补偿，其输出电能频率稳定，电能质量高，因此在发电系统中，同步发电机也是应用最普遍的。

1）并网条件

①波形相同

②幅值相同

③频率相同

④相序相同；

⑤相位相同。

(2) 自同步并网

•这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降现象。功率角δ：转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线之间的夹角

功角特性：电磁功率P em与功率角δ之间的关系，如图3－60

如一台运行在额定功率附近的风力发电机，突然的一阵剧风可能导致发电机的功率超过极限功率而使发电机失步

这时可以增大励磁电流，以增大功率极限，提高静态稳定度，这就是有功功率的调节。

并网运行的风力同步发电机当功率角变为负值时，电机将运行在电动机状态，此时风力发电机相当于一台大风扇，电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，当风速降到一临界值以下时，应及时地将发电机与电网脱开（可做解答题）