离网风力发电系统
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
六、蓄电池 多采用汽车用铅酸电瓶, 近年来国内有些厂家也开发出了适用于 风能太阳能应用的专用铅酸蓄电池，在以后章节详细介绍。 七、控制器和逆变器 控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的充电, 使其不至于 过充放, 以保证正常使用和整个系统的可靠工作。逆变器是把直流 电(12V、24V、36V、48V)变成220V 交流电的装置。
太阳电池特性
太阳电池的 I-V特性
日照对太阳能电池的影响
可以看出，短路电流线性地与日照强度成正比，而开路电 压的变化很慢
不同日照下P-V特性曲线
温度对太阳电池的影响
太阳电池组件简介
为满足太阳电池的实际使用要求，须将若干单体 电池按电性能分类进行串并联，经过封装后组合成可 以独立作为电源使用的最小单元，这个独立的最小单 元称为太阳电池组件
4.放电深度(DOD):
蓄电池放电量与额定容量的比值。
蓄电池工作温度影响 :
蓄电池寿命与温度关系
铅蓄电池工作状态
蓄电池具有三种主要的工作状态放电状态、充电状 态和浮充状态
蓄电池循环工作状态
抽水蓄能:
在有条件的地区，可以用风力发电的电能驱动水泵，把低处 河流中的水抽到山顶（高地）的水库中。当无风时，可以用 水库中的水来发电供电。从目前技术情况看，其效率大约在70~75% 左右，即用100度的风电抽水，再用水库中的水大约能发出70~75度 电。
蓄电池组容量选择与计算
1、年能量平衡法 所谓年能量平衡是通过分析风力发电机组一年中 的发电量与负荷耗电量之间的电能平衡关系来确 定蓄电池容量。
2、无效风时能量平衡法 无效风时是指当地风速小于风力发电机组发电运 行的风速的时间。在无效风速时间，机组不发电，负荷 只能依靠蓄能装置提供电能。一旦风力发电机组运行风 速确定，当地的无风小时数便可统计出来。采用无效风 速小时数来 选择和 计算蓄电池容量有两种方法。 •连续最长无效风速小时计算法 •平均连续无效风速小时计算法
离网风力发电系统
徐大平
教授
华北电力大学控制科学与工程学院
2008年11月
独立运行的风力发电机组，又称为离网型风力发电机组。
典型的离网型风力发电系统示意图如下所示。
第一节
离网风力发电机组类型
按照用户类型分类，可以分为以下几种：
用于离网大用户供电的离网风力发电机组。例如：电 解铝产业。
用于村落、农牧场供电微小型风力发电机组
飞轮储能 ：
A 0.5 J2
2 A J d 0.5 J (2 1 ) 2 1 2
GD J 4g
2
由此可知，要使物体具有大的转动动能，则一般 有两种方法：增大质量或质量对转轴的距离；或 者提高转动角速度
电解水制氢储能
用风力发电提供的多余电能来电解水制氢和氧，并把氢、氧 储存起来，需要时用氢和氧在燃料电池中发电，以起到储存电能 的目的。
3、风电盈亏平衡计算法
4、基本负荷连续供电保障小时计算法
3．3 风—柴油互补发电系统
风力－柴油联合发电系统的结构组成
风力－柴油联合发电系统基本结构组成框图
风力——柴油机并联运行系统
风力—柴油发电交替运行系统
风力机——柴油机——蓄电池联合系统
具有蓄电池及蓄能飞轮的风力－柴油发电联合运行系统
蓄电池的容量：
是其储存电荷的能力，用在一定条件下，放电 至终止电压的电流与时间的乘积表示: Q=I×T (Ah)
影响蓄电池的容量通常有以下几方面因素：
放电率：放电电流越大，活性物质的利用率越低，因而容量就越 小，我们一般以10小时放电率的容量作为蓄电池容量。
电解液温度：温度较高时，电解液中离子运动速度加快，渗透能 力增强，电池内阻减小，电化学反应加快，因而电池容量增加。
风－光互补发电系统至少由风机、太阳电池、蓄电池和用电 负载四部分组成。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 。
HY-300风机 太阳能板 充放电控制器 蓄电池组 逆变器
用户
风—光互补发电系统的优点：
1.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。
3．2 风力发电机与蓄电池系统
风力发电机组容量的选择与计算
一般说来，户用型独立风力发电系统要满足用户基本的生活用电和小型生 产用电。而对村落型来说，用户可能要提出风力发电在系统中的供电比例。 机组容量的选择一般遵循以下原则：
1. 设计者应首先根据用户一年总耗电量来选择风力发电机组的安
装容量 2.初选的风力发电机组安装容量应通过一年的风电日盈亏变化曲 线来验证其容量选择的合理性 3.对于户用型独立运行的风力发电系统，可采用风电月均衡法来 验证风力发电机组安装容量是否能满足用户要求，但各月份风 电富裕度应基本保持在10％以上
2.单位容量投资和发电成本低于光伏发电系统。
3.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）。
风—光互补发电系统的缺点
1.与单一系统相比，系统设计较复杂，对控制 和资源要求较高。
2.由于是两类系统的合成，维护的难度和工作 量较高 。
也可以分为直流、交流系统
一、直流系统
独立运行的直流风力发电系统
二、交流系统，分如下两种：
交流发电机向直流负载供电
交流发电机向交流负载供电
第二节 微、小型风力发电机
小型风力发电机示意图 1-风轮 2- 发电机 3回转体 4-调速机构5-调向机构 6-手刹车机构 7-塔架8-逆变器9-蓄电池
叶片与风轮
第三节 互补发电系统
3．1 风—光互补发电系统
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。
二、调速装置
可变桨距调速装置： 下图是美国MOD-0 型大型风力发电机变桨距调速装置
侧翼装置
偏心装置（1）
偏心装置（2）
调向装置
尾舵
舵轮对风装置
四、发电机 直流发电机 永磁发电机
同步交流发电机
异步交流发电机。
五、塔架 塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加 而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装 费等也随之加大。一般由塔管和3～4根拉索组成, 高度6 m～9 m。
单晶硅太阳电池组件电性能随入射光强度的变化
第四节
蓄能装置
一、蓄电池储能:
铅蓄电池电化学特性:
依据哥来德斯东和特利浦双硫酸化理论,铅酸电池释放化学能的 过程放电过程是负极进行氧化，正极进行还原的过程。电池补充化 学能充电过程的过程则是负极进行还原，正极进行氧化的过程。
蓄电池的工作特性 :
1.蓄电池的容量 • 充电容量：
多台风力发电机－柴油发电机－蓄电池联合发电系统
蓄电池组介绍
P b O2 2 H 2 SO4 Pb Pb SO4 2 H 2O Pb SO4
铅酸蓄电池结构一般为：
极板——极板用铅镍合金制成栅架做基板。
电解液——液体铅酸电池的极板就放在电解液中，这种电池需 水平放置使用。电解液还可以被吸附在超细玻璃纤维隔板中，在 二氧化硅颗粒中或凝胶中，这类蓄电池倒置也不致漏液，但价格 较贵，一般为常规铅酸蓄电池的2~3倍。 隔板——为防止电极间短路，在阳极和阴极间常放置隔板，隔 板常用木质、微孔橡胶或超细玻璃纤维等制成。
450
450 440
2
2.1 2.5 3
2
3 3 3
6
7 7 7
3
3 3 3
7
8 8 8
40
25 25 25
150
200 300 500
28
28 42 42
铁氧 体永 磁交 流发 电机
80
100
150 175
FD4-1K
4
3
9
3
8
25
1000
56
钕铁 珊永 磁交 流发 电机
185
285
FD5.4-2k
Qc I c dt
0
tc
t 式中，I c为充电电流，c 为充电时间。
• 放电容量：
Qd I d dt
0
td
I t 式中，d 为充电电流， d 为充电时间。
2.蓄电池工作效率：
放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的 百分比。
3.荷电状态（SOC）:
已充电量与蓄电池额定容量的比值。
5.4
3
9
4
8
25
2000
110
1500
FD6.6-3K
6.6
3
10
4
8
20
3000
பைடு நூலகம்
110
电刷 爪级 电容 励磁 异步 发电 机
1500
FD7-5k
7
2
12
4
9
40
5000
220
2500
FD7-10K
1450
7
2
12
4
11.5
60
1000 0
220
3000
用于户用供电的离网风力发电机组
离网型户用风力发电机组是指10kW以下独立运行的、 用蓄电池储能的小型风力发电机组。 截至2004 年底, 我国离网型户用风力发电机组累 计产量达293153 台, 总装机容量为89524.2kW, 预计年 发电量约9246万千瓦时。其中,2004年小型风力发电机 组总产量24756 台, 装机容量为11300kW。所生产的小 型风力发电机组, 除满足国内用户需要外, 还出口到欧 洲、美洲、东南亚等23个国家和地区。其保有量、年产 量和生产能力均列世界之首。
太阳电池原理
太阳能电池由半导体晶片构成，多数具有一个大面积的结， 当太阳光照射到太阳电池上时，结吸收光能后产生光生电子、空 穴对，在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，太阳 电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是 所谓的光生伏特效应。这是太阳能电池应用的理论基础。 若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则在负载中就有 “光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳光能就直接 变成了可使用的电能。
几种型号机组的技术参数
产品型号 发电 机额 定转 速 r/mi n 400 风轮 直径 m 叶片 数 风轮 中心 高m 启动 风速 m/s 额定 风速 m/s 停机 风速 m/s 额定 功率 W 额定 电压 V 配套 发电 机 重量 kg
FD2-100
2
2
5
3
6
18
100
28
FD24-150
FD2.1-200 FD2.5-300 FD3-500
目前，我国微小型风力发电机组按额定功率分主要有10种： 100W、150W、200W、300W、500W、1KW、2KW、3KW、5KW、10KW 。型式为2~3叶片，水平轴，上风向，多为永磁低速发电机， 多数为定桨距机组，叶片材料多样，设计寿命15年。风轮功率 系数大约在0.4左右，发电机组的效率在0.8左右。
风轮一般由2～3 个叶片和叶柄、轮毂及风轮轴等组成。
图 风轮的基本结构 1-叶片 2- 叶柄 3-轮毂 4-风轮轴
目前我国的风力发电机的叶片绝大多数是实心玻璃钢 (FRP)，极少数是木质FRP蒙皮结构和木材外粘环氧玻 璃。
叶片横截面形状有3种：平板型、弧板型和流线型。
按照传统的观点，叶片表面应是愈光滑愈好， 但是最新的研究发现，在叶片表面某部位，增加 局部粗糙度，可以提高叶片的升阻比。在翼型下 表面后缘贴粗糙带，增加了翼型的环量和翼型的 升阻比，因而提高了叶片的效率。风力机还可以 通过叶片上加襟翼来增加功率
对太阳电池组件的要求:
•有一定的标称工作电压和输出功率 •组件的寿命长，而且所用材料、零部件及其结构的使用寿命一致， 不会因部分损坏而造成整个组件失效 •有良好的电绝缘性 •有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中的振动、冲 击和其它应力 •组合引起的效率损失小 • 成本较低
单晶硅太阳电池组件电性能随温度的变化
太阳电池特性
太阳电池的 I-V特性
日照对太阳能电池的影响
可以看出，短路电流线性地与日照强度成正比，而开路电 压的变化很慢
不同日照下P-V特性曲线
温度对太阳电池的影响
太阳电池组件简介
为满足太阳电池的实际使用要求，须将若干单体 电池按电性能分类进行串并联，经过封装后组合成可 以独立作为电源使用的最小单元，这个独立的最小单 元称为太阳电池组件
4.放电深度(DOD):
蓄电池放电量与额定容量的比值。
蓄电池工作温度影响 :
蓄电池寿命与温度关系
铅蓄电池工作状态
蓄电池具有三种主要的工作状态放电状态、充电状 态和浮充状态
蓄电池循环工作状态
抽水蓄能:
在有条件的地区，可以用风力发电的电能驱动水泵，把低处 河流中的水抽到山顶（高地）的水库中。当无风时，可以用 水库中的水来发电供电。从目前技术情况看，其效率大约在70~75% 左右，即用100度的风电抽水，再用水库中的水大约能发出70~75度 电。
蓄电池组容量选择与计算
1、年能量平衡法 所谓年能量平衡是通过分析风力发电机组一年中 的发电量与负荷耗电量之间的电能平衡关系来确 定蓄电池容量。
2、无效风时能量平衡法 无效风时是指当地风速小于风力发电机组发电运 行的风速的时间。在无效风速时间，机组不发电，负荷 只能依靠蓄能装置提供电能。一旦风力发电机组运行风 速确定，当地的无风小时数便可统计出来。采用无效风 速小时数来 选择和 计算蓄电池容量有两种方法。 •连续最长无效风速小时计算法 •平均连续无效风速小时计算法
离网风力发电系统
徐大平
教授
华北电力大学控制科学与工程学院
2008年11月
独立运行的风力发电机组，又称为离网型风力发电机组。
典型的离网型风力发电系统示意图如下所示。
第一节
离网风力发电机组类型
按照用户类型分类，可以分为以下几种：
用于离网大用户供电的离网风力发电机组。例如：电 解铝产业。
用于村落、农牧场供电微小型风力发电机组
飞轮储能 ：
A 0.5 J2
2 A J d 0.5 J (2 1 ) 2 1 2
GD J 4g
2
由此可知，要使物体具有大的转动动能，则一般 有两种方法：增大质量或质量对转轴的距离；或 者提高转动角速度
电解水制氢储能
用风力发电提供的多余电能来电解水制氢和氧，并把氢、氧 储存起来，需要时用氢和氧在燃料电池中发电，以起到储存电能 的目的。
3、风电盈亏平衡计算法
4、基本负荷连续供电保障小时计算法
3．3 风—柴油互补发电系统
风力－柴油联合发电系统的结构组成
风力－柴油联合发电系统基本结构组成框图
风力——柴油机并联运行系统
风力—柴油发电交替运行系统
风力机——柴油机——蓄电池联合系统
具有蓄电池及蓄能飞轮的风力－柴油发电联合运行系统
蓄电池的容量：
是其储存电荷的能力，用在一定条件下，放电 至终止电压的电流与时间的乘积表示: Q=I×T (Ah)
影响蓄电池的容量通常有以下几方面因素：
放电率：放电电流越大，活性物质的利用率越低，因而容量就越 小，我们一般以10小时放电率的容量作为蓄电池容量。
电解液温度：温度较高时，电解液中离子运动速度加快，渗透能 力增强，电池内阻减小，电化学反应加快，因而电池容量增加。
风－光互补发电系统至少由风机、太阳电池、蓄电池和用电 负载四部分组成。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 。
HY-300风机 太阳能板 充放电控制器 蓄电池组 逆变器
用户
风—光互补发电系统的优点：
1.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。
3．2 风力发电机与蓄电池系统
风力发电机组容量的选择与计算
一般说来，户用型独立风力发电系统要满足用户基本的生活用电和小型生 产用电。而对村落型来说，用户可能要提出风力发电在系统中的供电比例。 机组容量的选择一般遵循以下原则：
1. 设计者应首先根据用户一年总耗电量来选择风力发电机组的安
装容量 2.初选的风力发电机组安装容量应通过一年的风电日盈亏变化曲 线来验证其容量选择的合理性 3.对于户用型独立运行的风力发电系统，可采用风电月均衡法来 验证风力发电机组安装容量是否能满足用户要求，但各月份风 电富裕度应基本保持在10％以上
2.单位容量投资和发电成本低于光伏发电系统。
3.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）。
风—光互补发电系统的缺点
1.与单一系统相比，系统设计较复杂，对控制 和资源要求较高。
2.由于是两类系统的合成，维护的难度和工作 量较高 。
也可以分为直流、交流系统
一、直流系统
独立运行的直流风力发电系统
二、交流系统，分如下两种：
交流发电机向直流负载供电
交流发电机向交流负载供电
第二节 微、小型风力发电机
小型风力发电机示意图 1-风轮 2- 发电机 3回转体 4-调速机构5-调向机构 6-手刹车机构 7-塔架8-逆变器9-蓄电池
叶片与风轮
第三节 互补发电系统
3．1 风—光互补发电系统
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。
二、调速装置
可变桨距调速装置： 下图是美国MOD-0 型大型风力发电机变桨距调速装置
侧翼装置
偏心装置（1）
偏心装置（2）
调向装置
尾舵
舵轮对风装置
四、发电机 直流发电机 永磁发电机
同步交流发电机
异步交流发电机。
五、塔架 塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加 而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装 费等也随之加大。一般由塔管和3～4根拉索组成, 高度6 m～9 m。
单晶硅太阳电池组件电性能随入射光强度的变化
第四节
蓄能装置
一、蓄电池储能:
铅蓄电池电化学特性:
依据哥来德斯东和特利浦双硫酸化理论,铅酸电池释放化学能的 过程放电过程是负极进行氧化，正极进行还原的过程。电池补充化 学能充电过程的过程则是负极进行还原，正极进行氧化的过程。
蓄电池的工作特性 :
1.蓄电池的容量 • 充电容量：
多台风力发电机－柴油发电机－蓄电池联合发电系统
蓄电池组介绍
P b O2 2 H 2 SO4 Pb Pb SO4 2 H 2O Pb SO4
铅酸蓄电池结构一般为：
极板——极板用铅镍合金制成栅架做基板。
电解液——液体铅酸电池的极板就放在电解液中，这种电池需 水平放置使用。电解液还可以被吸附在超细玻璃纤维隔板中，在 二氧化硅颗粒中或凝胶中，这类蓄电池倒置也不致漏液，但价格 较贵，一般为常规铅酸蓄电池的2~3倍。 隔板——为防止电极间短路，在阳极和阴极间常放置隔板，隔 板常用木质、微孔橡胶或超细玻璃纤维等制成。
450
450 440
2
2.1 2.5 3
2
3 3 3
6
7 7 7
3
3 3 3
7
8 8 8
40
25 25 25
150
200 300 500
28
28 42 42
铁氧 体永 磁交 流发 电机
80
100
150 175
FD4-1K
4
3
9
3
8
25
1000
56
钕铁 珊永 磁交 流发 电机
185
285
FD5.4-2k
Qc I c dt
0
tc
t 式中，I c为充电电流，c 为充电时间。
• 放电容量：
Qd I d dt
0
td
I t 式中，d 为充电电流， d 为充电时间。
2.蓄电池工作效率：
放电时能放出的全部电量与充电时充入的全部电量的 百分比。
3.荷电状态（SOC）:
已充电量与蓄电池额定容量的比值。
5.4
3
9
4
8
25
2000
110
1500
FD6.6-3K
6.6
3
10
4
8
20
3000
பைடு நூலகம்
110
电刷 爪级 电容 励磁 异步 发电 机
1500
FD7-5k
7
2
12
4
9
40
5000
220
2500
FD7-10K
1450
7
2
12
4
11.5
60
1000 0
220
3000
用于户用供电的离网风力发电机组
离网型户用风力发电机组是指10kW以下独立运行的、 用蓄电池储能的小型风力发电机组。 截至2004 年底, 我国离网型户用风力发电机组累 计产量达293153 台, 总装机容量为89524.2kW, 预计年 发电量约9246万千瓦时。其中,2004年小型风力发电机 组总产量24756 台, 装机容量为11300kW。所生产的小 型风力发电机组, 除满足国内用户需要外, 还出口到欧 洲、美洲、东南亚等23个国家和地区。其保有量、年产 量和生产能力均列世界之首。
太阳电池原理
太阳能电池由半导体晶片构成，多数具有一个大面积的结， 当太阳光照射到太阳电池上时，结吸收光能后产生光生电子、空 穴对，在电池的内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，太阳 电池的两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是 所谓的光生伏特效应。这是太阳能电池应用的理论基础。 若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则在负载中就有 “光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳光能就直接 变成了可使用的电能。
几种型号机组的技术参数
产品型号 发电 机额 定转 速 r/mi n 400 风轮 直径 m 叶片 数 风轮 中心 高m 启动 风速 m/s 额定 风速 m/s 停机 风速 m/s 额定 功率 W 额定 电压 V 配套 发电 机 重量 kg
FD2-100
2
2
5
3
6
18
100
28
FD24-150
FD2.1-200 FD2.5-300 FD3-500
目前，我国微小型风力发电机组按额定功率分主要有10种： 100W、150W、200W、300W、500W、1KW、2KW、3KW、5KW、10KW 。型式为2~3叶片，水平轴，上风向，多为永磁低速发电机， 多数为定桨距机组，叶片材料多样，设计寿命15年。风轮功率 系数大约在0.4左右，发电机组的效率在0.8左右。
风轮一般由2～3 个叶片和叶柄、轮毂及风轮轴等组成。
图 风轮的基本结构 1-叶片 2- 叶柄 3-轮毂 4-风轮轴
目前我国的风力发电机的叶片绝大多数是实心玻璃钢 (FRP)，极少数是木质FRP蒙皮结构和木材外粘环氧玻 璃。
叶片横截面形状有3种：平板型、弧板型和流线型。
按照传统的观点，叶片表面应是愈光滑愈好， 但是最新的研究发现，在叶片表面某部位，增加 局部粗糙度，可以提高叶片的升阻比。在翼型下 表面后缘贴粗糙带，增加了翼型的环量和翼型的 升阻比，因而提高了叶片的效率。风力机还可以 通过叶片上加襟翼来增加功率
对太阳电池组件的要求:
•有一定的标称工作电压和输出功率 •组件的寿命长，而且所用材料、零部件及其结构的使用寿命一致， 不会因部分损坏而造成整个组件失效 •有良好的电绝缘性 •有足够的机械强度，能经受运输、安装和使用过程中的振动、冲 击和其它应力 •组合引起的效率损失小 • 成本较低
单晶硅太阳电池组件电性能随温度的变化