风电知识培训.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,风电知识培训,风电知识培训风电知识培训目录风电行业特点及其相关核心知识概述,风资源知识,风区分类IEC、GL标准,空气动力学,风机分类,风机基本控制概念,风机设计介绍,目录,风电行业特点及其相关核心知识概述,风资源知识,风区分类,IEC,、,GL,标准,空气动力学,风机分类,风机基本控制概念,风机设计介绍,化石与核能的使用只是人类历史长河的一瞬间,能源资源的特点和国际比较,探明总资源量,8230,亿吨标准煤，探明剩余可采总储量,1390,亿吨标准煤,剩余可采储量的保证程度煤炭,81,年、石油,15,年、天然气,30,年,铀,50,年。,以煤为主，缺乏石油、天然气资源，水能较丰富,人均能源资源量低于世界平均水平,单位：年,能源价格对比,根据国内风电成本测算得到的包括财务成本在内的风电平均成本为,0.551,元,/(kWh),，在使用期的总成本费用已经接近新投资的水电和火电。,为什么要发展风力发电？,（1）化石能源有限，发展风电有利于提高中国能源供应的安全性,（2）风能储量大、广泛，发展风电是解决中国能源供应不足的有效途径,（3）风电清洁，发展风电是减排温室气体排放的有效途径,.(,京都议定书 签订后，,CDM,机制）,（4）发展风电可以促进地区经济发展，并拉动机电制造业发展及解决就业。（如：丹麦）,但到目前为止，风电市场仍然是政策主导的市场,2003,年,5,月,27,日，欧洲风能协会和绿色和平组织的环境组在布鲁塞尔发布一项报告,风力,12,，这个战略性蓝图勾画出目前价值,70,亿欧元的风能工业如何能在,2020,年增值为,750,亿欧元。,到,2020,年，风力发电将在全球电力市场中占,12%,。全世界风力发电装机容量将达到,12.31,亿千瓦（,123100,万千瓦），创造,1.79,亿个就业机会，使发电成本降低,40%,，并累计减排二氧化碳,1092.1,万吨。长达,52,页的,风力,12,研究报告详细论证了如何实现风力发电的美好前景。,中国风能资源丰富,国家气象局依据分布在中国各地,10,米高气象测风仪数据统计：,陆地约有 2.53亿千瓦,年电量 5000亿 千瓦时,海上初步估计可开发约 7.5亿 千瓦,合计约 10亿 千瓦,（200,4,年全国电力总装机 4.4亿 千瓦）,其中内蒙和新疆 占中国风资源的约,70,80,中国风资源分布,风电项目,箱式变电,（升压）变电站,超高压输电,风机,（降压）变电站,用户,不包含升压变电站的项目,包含升压站的项目,海上变速风机的并网,Principal layout of offshore wind turbines,their collection and transmission(C&T)systems for interconnection to mains,i.e.,for fungible power to the AC network and trading,近海风电技术：风力发电机组,Vestas 3MW,2005,年,Kentish Flat,海上风电场安装,30,台,vestas 3MW,机组，该机组额定功率,3MW,，机舱（包括轮毂）重量,111T,。,风电项目成本构成,在中国，风电项目的固定资产投资构成比例,风电项目中风机故障构成,英国的统计,风机制造业,Repower 2MW,风机,750KW,风机,金风,S48/750,机组总体技术参数,机 型：失速型、带叶尖气动刹车、上风向、三叶片,额定功率：,750kW,风轮直径：,48.4m,轮毂中心高：,50m,起动风速：,4m/s,额定风速：,14-15m/s,（与气候条件有关）,停机风速：,25m/s,（,10,分钟）,GOLDWIND,1200KW,风机,无齿轮、直驱、永磁发电机,结构简单紧凑，可靠性高,机械传动损耗减少,电机效率高运行范围宽,无需励磁，无碳刷滑环,发电品质高，无需进行无功补偿,GOLDWIND,GoldWind 62/1200,技术参数,叶轮,直径,62 m,扫风面积,3019 m,2,转速范围,10,20 RPM,1,叶片数量,3,叶片类型,LM 29.1 P,或,相似叶片,功率控制 变速变桨,刹车系统,3,套独立的叶片刹车,塔架,类型钢制锥塔,轮毂中心高,69 m,运行数据,切入风速,3 m/s,额度风速,12 m/s,切出风速,25 m/s,抗最大风速,59,5 m/s,电机,类型多极永磁同步发电机,结构直接驱动,额定功率,1200 kW,额定电压,Y690V,绝缘等级,F,GOLDWIND,风机主要组成,偏航系统,电机,驱动链,轮毂,叶轮,控制,变电系统,失速调节,主动失速,定速,变速控制,齿轮箱,变桨距调节,变速调节,无齿轮箱,Technology trend,国外大型风力发电机组发展趋势,风特性,叶轮,机,械,电,机,并,网,风,力,极,限,疲,劳,振,动,控,制,材,料,制,造,￥,叶片设计,部件制造,COE,风机,(,知识,),体系结构与边界条件,Cost of Energy,频率,50Hz,电压,690V,或其他,功率因数,0.98,噪音叶尖速转速,材料强度,控制能力,运输安装,部件共振耦合,结构,频率与电机转速、齿轮箱增速比、风轮转速的关系,如：电机的输出频率 电网频率,50Hz,，则发电机转速,对与常见两极对 的电机，电机转速为,1500RPM,由于噪声要求，叶尖速度有个限值，如,65m/s,对于定速风机，以,750KW,为例，转轮直径,50,米，叶轮转速约 为,22.25 rpm,叶尖速则为,58m/s,因此齿轮箱的增速比 就为,1500/22.25=67.4,风机设计的边界条件,电网约束,叶尖噪音约束,共振耦合约束,材料强度约束,控制能力约束,制造能力约束,运输安装维护能力约束,在以上约束的情况下，要驾驭风并充分利用风能。,要驾驭风，就要了解风的习性，即风的脾气和性格,风有哪些习性？,风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流）,风在空间分布上的切变特性,风在时间序列上的统计特性长期的统计 年平均风速、年风向玫瑰图 风频分布（年）功率谱密度,短期的统计（几秒）,湍流强度 自相关函数,物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度（越冷越重，越高越轻，越湿越轻）,风能量特性 正比风速的三次方、风轮直径的平方,风机设计涉及的主要知识,As the blades sweep the disk of air,the blade tip speed,Is typically 6 to 10 times the wind speed.,风机如何在风中工作,单位面积风中的能量，与风速的,3,次方成正比,C,p,吸收效率,空气密度，标准密度：,1.225,kg/m,3,A,风轮面积，,p,D,2,/4,U,风速,风机吸收的能量,吸收风能，承受推力,风机如何在风中工作,风吹过风轮后会怎样,转轮旋涡气动模型,根据空气对叶轮的反作用,风机尾流,单位面积中的风能,The graph shows that,at a wind speed of 8,metres per second we get,a power(amount of,energy per second)of,314 Watts per square,metre exposed to the,wind(the wind is,coming from a direction,perpendicular to the swept rotor area).,At 16 m/s we get eight times as much power,i.e.2509 W/m2.The table in,the right gives you the power per square metre exposed,to the wind for different wind speeds.,风资源特点风功率谱密度,与风机设计、振动疲劳荷载及电能质量有关,与气象系统有关，难预测,预测相对容易，与日发电量、日负荷电力调度有关,风的形成,风资源描述,风能计算,风资源知识,风的形成,地球上的风,风是主要由于太阳对地球不同地方的辐射强度不一样形成的温差和压差而产生，是太阳能的一种表现形式。另外，大范围的大气循环也在受地球自转的影响。,风,空气的流动现象。气象学中指空气相对于地面的水平运动。风是一个矢量，用风向和风速表示。,风向,指风的来向。我国风向观测用十六个方位表示，实际测风报告中还常用,0-360,范围内的数字表示风向。,风速,单位时间内空气移动的距离。气象上对风速还作以下定义：（,1,）平均风速，相应于有限时段，通常指二分钟或十分钟的平均情况。（,2,）瞬时风速，相应于无限小的时段。（,3,）最大风速，指在给定的时间段或某个期间里面，平均风速中的最大值。（,4,）极大风速，指在给定的时间段内，瞬时风速的最大值。,风速换算,风速的法定单位和几种常用单位的换算。,单位,米,秒,-1,海里,时,-1,千米,时,-1,英尺,秒,-1,英里,时,-1,1,米,秒,-1,1,1.943844,3.600,3.28084,2.23694,1,海里,时,-1,0.51444,1,1.852,1.6878099,1.1507795,1,千米,时,-1,0.278,0.53996,1,0.9113444,0.62136995,1,英尺,秒,-1,0.3048,0.592484,1.09728,1,0.681818,1,英里,时,-1,0.44704,0.868976,1.466667,1,平均风速,风资源描述,平均风速 为风速在规定时距,T,内的时间平均值，即：,采用合适时距,T,的平均风速（例如,10,分钟），它在一段观测期内的变化一般不明显。实际平均风速是由在相应的时距中，将其瞬时风速相互抵消后所得的综合结果，采用不同的平均时距就会得到不同的平均风速，时距愈大，平均风速的变化愈小，而相应的平均风速最大值也愈小。为了得可以相互比较的平均风速记录，气象上规定一个统一的平均时距，世界气象组织和我国规定将,10,分钟平均时距作为平均风速的标准时距。由于历史的原因和条件的限制（如目测），在一些报表和项目中使用的是,2,分钟或更多种的平均风速，使用时必须加以注意。,风力等级表,风力等级,自由海面状况,海上船只征象,陆地地面物征象,距地,10,米高处的相当风速,浪高,公里,/,时,海里,/,时,米,/,秒,一般（米）,最高（米）,0,-,-,静静、,烟直上,小于,1,小于,1,0-0.2,1,0.1,0.1,平常渔船略觉摇动,烟能表示风向，但风向标不能转动,1-5,1-3,0.3-1.5,2,0.2,0.3,渔船张帆时，每小时可随风移行,2-3,公里,人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动,6-11,4-6,1.6-3.3,3,0.6,1.0,渔船渐觉簸动，每小时可随风移行,5-6,公里,树叶及微枝摇动不息，旌旗展开,12-19,7-10,3.4-5.4,4,1.0,1.5,渔船满帆，可使船身倾向一侧,能吹起地需灰尘和纸张，树的小枝摇动,20-28,11-16,5.5-7.9,5,2.0,2.5,渔船缩帆（即收去帆之一部）,有叶的小树摇摆，内陆的水面有不波,29-38,17-21,9.0-10.7,6,3.0,4.0,渔船加倍缩帆，捕鱼需注意风险,大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难,39-49,22-27,10.8-13.8,7,4.0,5.5,渔船停泊港中，在海者下锚,全树摇动，迎风步行感觉不便,50-61,28-33,13.9-17.1,8,5.5,7.5,汽船的渔船皆停留不出,策枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大,62-74,34-40,17.2-20.7,9,7.0,10.0,汽船航行困难,建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动）,75-88,41-47,20.8-24.4,10,9.0,12.5,汽船航行颇危险,陆上少见，见时可使树木拔起或建筑物损坏较重,89-102,48-55,24.5-28.4,11,11.5,16.0,汽船遇之极危险,陆上很少见，有则必有重大损毁,103-117,56-63,28.5-32.6,12,14,海浪滔天,陆上绝少见，摧毁力极大,118-133,64-71,32.7-36.9,13,134-149,72-80,37.0-41.4,14,150-166,81-89,41.5-46.1,15,167-183,90-99,46.2-50.9,16,184-201,100-108,51.0-56.0,17,202-220,109-118,56.1-61.2,注：,13-17,级风力是当风速可以用仪器测定时使用。,在近地层稳定层结时，有“对数,-,线性律”：（,2,）式中,L,为莫宁一奥布霍夫长度，,a1,为根据实测资料确定的常数。一般情况下，近地层风速廓线可用幂次律：式中 为,z1,高度的平均风速，指数,n,随层结稳定度而变化，中性层结,n=1/7,不稳定层结,n,较小，稳定层结,n,较大。,风剪切,威布尔分布（,Weibull,）,平均风速分布,1,）平均风速的概率分布,C,幅度参数，,k,形状参数,风速分布一般均为正偏态分布。常用的概率分布曲线有：,瑞利分布（,Regleigh,）（,k,2,时）,平均风速分布,1,）平均风速的概率分布,威布尔（,Weibull,）概率分布曲线,风向,风向,来风的方向,。通常说的,西北风,、,南风,等即表明的就是风向。,陆地上的风向一般用,16,个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过,22.5,为一个方位。,风向的方位图图示如下。,(,图,),风向风速玫瑰图,风向统计规律的表示方法,N,NNW NNE,NW NE,WNW ENE,W E,WSW ESE,SW SE,SSW SSE,S,16,个风向的风向玫瑰图,风速频率,对于风力机的安置处，有两个重要的描述风,资源的参数：年平均风速和风速频率。,在计算风率时，通常把风速的间隔定为,1m/s,；,风速在某一时间段平均，如,10,分钟；,按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加,1,。,把个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。,风频（,%,）,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20,风速（,m/s,）,风速统计规律的表示方法,20,18,16,14,12,10,8,6,4,2,0,1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000,风况曲线,根据风况曲线通常可以看出：,一年之中有多少时间低于起动风速而无法起动？,有多少小时可以达到额定出力？,取多大的切出风速较合适？,可见，风频特性和风况曲线是开发风能,的重要原始资料和依据。,利用风频分布及功率曲线进行发电量的估算,功率曲线,wind speed,power,frequency,hour,output,1,0,3.78%,331.5060928,0,2,0,7.14%,625.7325223,0,3,0,9.73%,852.2990731,0,4,17,11.33%,992.859038,16878.6,5,48,11.91%,1043.276101,50077.25,6,81,11.56%,1012.57446,82018.53,7,160,10.49%,919.3164568,147090.6,8,257,8.98%,786.6708703,202174.4,9,350,7.28%,637.5679693,223148.8,10,468,5.61%,491.0318826,229802.9,11,566,4.11%,360.2242114,203886.9,12,647,2.88%,252.1603474,163147.7,13,697,1.93%,168.6549321,117552.5,14,745,1.23%,107.8918617,80379.44,15,772,0.75%,66.06960026,51005.73,16,768,0.44%,38.75475391,29763.65,17,764,0.25%,21.78679337,16645.11,18,749,0.13%,11.743596,8795.953,19,年标准运行小时,2163.158,年发电量,湍流强度,在近地层中，气流具有明显的湍流特征。湍流是一种不规则随机流动。其速度有快速的大幅度起伏，并随时间、空间位置而变。定义一个时段的脉动风速相对该时段的平均风速的标准偏差与该平均风速的比值。即：，称为湍流强度，它是度量相对于风速平均值而起伏的湍流量的大小。,湍流强度,均方差,湍流强度,不同设计标准中的湍流强度,风能与风能密度,风能,风的动能。,计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情况，而不能简单使用年平均风速。,年有效风能,起动风速到切出风速之间的风能。,有效风能密度,年有效风能除以年有效风速的持续时间。,风能公式,单位：瓦式中,为空气密度，单位,kg/m,3,V,为风速，单位,m/sF,是气流通过的面积，,m,2,评价一地风能资源潜力，常用风功率密度：单位：瓦,/,米,2,风能资源,风能资源的计算,风机（风轮）吸收的风能,C,p,吸收效率,空气密度，标准密度：,1.225,kg/m,3,V,风速,A,风轮面积，,p,D,2,/4,P,=(1/2),V,3,AC,p,风特性（习性,),总结,风是个三维的（脉动）矢量（风速、风向（、湍流）,风在空间分布上的切变特性,风在整数时间序列,(,Integral time scale/length scale,)上的统计特性长期的统计 年平均风速、年风向玫瑰图 风频分布（年）,(Wind speed probability density functions),功率谱密度,(Power spectral density function),短期的统计（几秒、几分）,湍流强度（,turbulence intensity,）自相关函数,(autocorrelation),物理特性：可压缩流体，低速时假设为不可压缩风的密度（越冷越重，越高越轻，越湿越轻）,风能量特性 正比风速的三次方、风轮直径的平方,风区分类,（用于指导风机设计和应用）,IEC,标准,Wind turbine class,I,II,III,S,V,ref(m/s),50,42.5,37.5,Values specified by the designer,A,I,ref(-),0,16,B,I,ref(-),0,14,C,I,ref(-),0,12,风区分类,GL,标准,空气动力学,假设风为均匀层流假设空气不可压缩,动量叶素理论,V,1,V,2,A,1,A,A,2,v,流量,风轮尾流不旋转时的动量理论,质量守恒：,A,1,V,1,=,A,V=,A,2,V,2,动量定理：,T=,A,V,(V,1,V,2,),能量方程：,P=,1,/,2,A,V,3,c,p,=,1,/,2,mV,1,2,1,/,2,mV,2,2,a=1/3,时，风能利用系数 达到贝兹极限,C,p,=0.593,V,轴向,=,a,V,1 ,a,轴向诱导因子,C,T,推力系数,当考虑风轮尾流旋转时，风轮轴功率有损失，风轮功率系数要减小。,风轮尾流旋转时的动量理论,V,1,V,2,V,A,1,A,A,2,风轮物理参数,风轮转速,尖速比,风能利用系数,扭矩,M,，,风轮物理参数,C,P,按风力机风轮转轴相对地面的位置可分为垂直轴风力机和水平轴风力机。,垂直轴风力机 水平轴风力机,水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：,水平轴风力发电机类型,定桨距失速型风力发电机组,变桨距失速型风力发电机组,变桨变速恒频型风力发电机组,水平风力发电机 比较,定桨定速,vs.,变桨变速,风力发电机组输出功率的比较,风机控制,(1),机组的启动和关机程序；,(2),电气负载的连接和发电机的软并网控制；,(3),变桨距风力机的功率调节和功率限制；,(4),风轮转速；,(5),偏航迎风；,(6),扭缆限制；,(7),电网失效或负载丢失时的关机等。,控制系统可以控制的功能和参数包括,风机控制,(1),风速和风向；,(2),风轮或发电机转速；,(3),电参数，包括电网电压和频率，发电机输出电流、功率和功率因数；,(4),温度，包括发电机绕组和轴承温度，齿轮箱油温，控制柜温度和外部环境温度；,(5),制动设备状况；,(6),电缆缠绕；,(7),机械零部件故障；,(8),电网失效等。,对风力发电机组运行参数和状态的检测和监控,风机控制,转轮惯量,驱动链惯量,电力扭矩,刹车扭矩,主轴,空气动力扭矩,动力传递,风机控制,结构动力,结构运动,变桨执行,结构动态,空气动力,执行器动态,驱动链动态,电机动态,控制动态,功率变送器动态,风,轴转速,轮毂扭矩,电机转子转速,电机发应,变桨命令,测量功率,图：风机动态响应与相应控制,风机控制,功率放大器,执行器,被控对象,传感器,控制器,期望输出,实际输出,控制步骤,风机设计概念及工程设计,子系统,概念,工程设计,叶轮,叶片的数量（,1,，,2,，,3,）、叶片的刚性（柔的或刚的）,聚酯玻璃纤维材料,环氧玻璃纤维材料,环氧碳纤维材料,环氧木纤维材料,跷跷板或刚性轮毂,焊接或铸造,功率控制系统,叶片桨距控制,全叶片或部分叶片变桨距控制,失速控制（定桨或主动失速控制）,电机驱动或液压驱动或齿形带驱动,被动的 通过离心力 和,/,或 空气动力,安全系统,极限风速下，刹车型和定位，冗余型（如：各叶片可分别顺桨）,空气动力学刹车及机械刹车,偏航（对于小叶轮）,传动系统和机舱支撑结构,底板安装式，紧凑或集成式,不同的叶轮轴承和齿轮箱的布置方式,电气系统,定速或变速（传统高速电机）,定速：感应或同步电机直接与电网连接,变速：在感应或同步电机与电网之间加变频系统,低速电机 无齿轮箱（直驱）,多极感应或同步励磁电机,永磁电机,偏航系统,主动或被动偏航,塔架,刚性的,钢结构,柔性的,加强混凝土结构,水平轴风机 不同转轮系统 及 其主要子系统的工程设计方法,谢谢！,