1、离网风力发电系统离网风力发电系统 徐大平徐大平 教授教授华北电力大学控制科学与工程学院华北电力大学控制科学与工程学院20192019年年1111月月独立运行的风力发电机组，又称为离网型风力发电机组。独立运行的风力发电机组，又称为离网型风力发电机组。典型的典型的离网型风力发电系统示意图如下所示。离网型风力发电系统示意图如下所示。第一节第一节 离网风力发电机组类型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：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：电解铝产业解铝产业。用于村落、农牧场供电微小型风力发电机
2、组用于村落、农牧场供电微小型风力发电机组 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23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。几种型号机组的技术参数 产品型号发电机额定转速r/min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kgFD2-100400225361810028铁氧体永磁交流发电机80FD24-150450
3、226374015028100FD2.1-2004502.137382520028150FD2.5-3004402.537382530042175FD3-500337382550042钕铁珊永磁交流发电机185FD4-1K4393825100056285FD5.4-2k5.439482520001101500FD6.6-3K6.631048203000110电刷爪级1500FD7-5k721249405000220电容励磁异步发电机2500FD7-10K14507212411.560100002203000用于户用供电的离网风力发电机组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
4、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2019 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,2019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。也可以分为直流、交流系统也可以分为直流、交流系统一、直流系统一、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
5、负载供电 第二节第二节 微、小型风力发电机微、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 叶片与风轮叶片与风轮 风轮一般由23 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，
6、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二、调速装置二、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 侧翼装置侧翼装置 偏心装置（偏心装置（1 1）偏心装置（偏心装置（2 2）调向装置调向装置 尾舵舵轮对风装置 四、发电机四、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34根拉索组成,高度6 m9 m。六、蓄电池六、蓄电池多采用汽车用铅
7、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。第三节第三节 互补发电系统互补发电系统 3 31 1 风风光互补发电系统光互补发电系统 主要特点: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
8、率,降低运行成本。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。充放电控制器蓄电池组逆变器用户太阳能板HY-300风机风风光互补发电系统的优点：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。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）。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
9、合成，维护的难度和工作量较高。风风光互补发电系统的缺点光互补发电系统的缺点 3 32 2 风力发电机与蓄电池系统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装容量2.2.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线来验
10、证其容量选择的合理性3.3.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电富裕度应基本保持在1010以上以上蓄电池组容量选择与计算蓄电池组容量选择与计算1 1、年能量平衡法、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 2、无效风时能量平衡法、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
11、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 33 3 风风柴油互补发电系统柴油互补发电系统 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 风力风力柴油机并联运行系统柴油机并联运行系统 风力风力柴油发电交替运行系统柴油发电交替运行系统 风力机风力机柴油机柴油机蓄电池联合系统蓄电池联合系统 具有蓄电池及蓄能飞轮的风力柴油发电联合运行系统具有蓄电池及蓄能飞轮
12、的风力柴油发电联合运行系统 多台风力发电机柴油发电机蓄电池联合发电系统多台风力发电机柴油发电机蓄电池联合发电系统 蓄电池组介绍蓄电池组介绍 22442422bbbbP OH SOPPSOH OPSO 铅酸蓄电池结构一般为：铅酸蓄电池结构一般为：极板极板极板用铅镍合金制成栅架做基板。电解液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23倍。隔板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。蓄电池的容量：蓄电
13、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=IQ=IT (Ah)T (Ah)影响蓄电池的容量通常有以下几方面因素：影响蓄电池的容量通常有以下几方面因素：放电率：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：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。太阳电池原理太阳电池原理 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
14、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。太阳电池特性太阳电池特性 太阳电池的I-V特性日照对太阳能电池的影响日照对太阳能电池的影响 可以看出可以看出，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 不同日照下不同日照下P-V特性曲线特性曲线温度对太阳电池的影响温度对太阳电池的影响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
15、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太阳电池组件简介太阳电池组件简介 对太阳电池组件的要求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单晶硅太阳电池组件电性能随入射光强度的变化第四节第四节 蓄能装置蓄能装置一、一、蓄电池储能蓄电池储能:铅蓄电池电化学特性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依据哥来德斯东和特利浦
16、双硫酸化理论,铅酸电池释放化学能的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。蓄电池的工作特性蓄电池的工作特性:1.1.蓄电池的容量蓄电池的容量 充电容量：充电容量：式中，式中，为充电电流，为充电电流，为充电时间。为充电时间。放电容量：放电容量：式中，式中，为充电电流，为充电电流，为充电时间。为充电时间。0ctccQI dt cIct0dtddQI dt dIdt2.2.蓄电池工作效率：蓄电池工
17、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。3.3.荷电状态（荷电状态（SOCSOC）:已充电量与蓄电池额定容量的比值。4.4.放电深度放电深度(DOD):(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工作温度影响:蓄电池寿命与温度关系铅蓄电池工作状态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，把低处电能驱动水泵，把低处河流中的水抽到山顶（高地）的水库中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7075%左右，即用100度的风电抽水，再用水库中的水大约能发出7075度电。飞轮储能飞轮储能：20.5AJ 2122210.5()AJdJ 24GDJg 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。
