风力发电技术发展趋势研究毕业设计(编辑修改稿)

风力发电技术发展趋势研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

5MW)、美国 (11603MW)、印度 (6270MW)和丹麦 (3136MW)。 表 23 为 2020 年底全球前十大风力发电市场总装机容量及市场占有率。 欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快 ,同时也是风电装机最多的地区。 2020 底欧洲地区累计风电装机容量为 7708 万 kW,约占全球风电总装机容量的 51%。 尽管 2020 年欧洲风电装机增长幅度有所放缓 ,年增幅由 2020年的 58%降为 2020 年的 51%，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展 ,预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。 其次为亚洲%(3679MW)和北美洲地区 %(3230MW),其它地区合计市场占有率为%(580MW)，如图 22所示。 图 22 2020年全球新增风力发电区域分布 (数据来源 GWEC2020） 2020级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文 17 表 22 2020年至 2020年全球风力发电装机容量 年度 累计装机容量（ MW） 增长率 2020 7,600 25% 2020 10,200 34% 2020 13,600 33% 2020 17,400 28% 2020 23,900 37% 2020 31,100 30% 2020 39,431 26% 2020 47,620 20% 2020 59,091 24% 2020 74,223 27% 年复合增长率 29% 表 23 2020年底全球前十大风力发电市场总装机容量 国家 总装机容量（ MW） 市占率 德国 20,620 % 西班牙 11,615 % 美国 11,603 % 印度 6,270 % 丹麦 3,136 % 中国大陆 2,604 % 意大利 2,123 % 英国 1,963 % 葡萄牙 1,716 % 法国 1,567 % 前十大总市场占有率 85% 何优琪：风力发电技术发展趋势研究 18 我国有着丰富的风能资源 ,幅员辽阔、海岸线较长 ,风能资源比较充足 ,风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至东南沿海地带及岛屿。 “世界能源理事会” 1994 年风能评估报告指出 ,中国理论 风力资源潜力是 17,000TWh/年。 我国可开发利用的风能储量约为 10 亿 kW,其中 ,陆地上风能储量约 亿 kW(依据陆地上离地面 10m 高度计算 ),海上可开发和利用的风能储量约 亿 kW。 但是 ,由于我国地形复杂、国土广阔 ,风能资源的地区性差异很大 ,即使在同一地区 ,风能也有较大的差别。 风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，据资料统计，全国陆地上离地 10m 高度层上风能资源总储量约 3226GW 和4350GW，可开发和利用的陆地上风能储量有 253GW 和 297GW。 如果风能资源的 开发和利用率实现 60%，那么仅风能就可以支撑中国目前每年全部的电力需求 [11]。 我国利用风力发电是从 20 世纪 50 年代开始的，到 20 世纪 80 年代初，起步较晚，同发达国家相比，我们还有相当大的差距。 至今，我国已经在河北张家口、辽宁营口、黑龙江富锦等等地区建成10多个百万千瓦级的大型风电基地，并初步形成几个千万千瓦级风电基地，并且计划在甘肃酒泉、江苏南通等地兴建 GW级风电场。 2020 年全国并网风力发电容量又一次实现飞跃性的发展。 继 20 2020 年实现年增长率分别为 %、 % 后 [15]，再次实现了年增长率为 %。 全年新增风电装机容量达 万 kW，占 2020 年全国新增发电装机容量的 %。 近 10多年来全国新增风电装机容量及年增长率情况如图 23 示。 近几年，尤其是 2020— 2020 年，我国风电装机连续 3年增长翻番，风电在我国发电装机总容量中的比重有了大幅度提高。 尽管同期全国发电装机总容量的增长也很快，但风电装机比重仍从 2020 年的 %提高到了 2020 年的 %。 1992 年以来全国历年的累计风电装机容量及其占全国发电装机总容量的比重变化情况如图 24 所示。 2020级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文 19 图 23 全国风电近年新增装机及年增长率（未含台湾省数据） 图 24 19922020年全国风电装机及其占全国发电装机的比重 第三章 风电机组的分类及控制 风电机组是将风能转化为电能的装置，其基本原理为：风轮捕获风能带动风轮轴转动，风轮轴的转动机械能传递到发电机转子，拖动发电机发电，输出三相交流电。 对于非直驱式风电机组，由于风轮转速较低，不符合发电机的要求，因此还配备齿轮箱，将风轮轴的转动传递到发电机主轴，同时通过齿轮结构进行增速，带动发电机发电。 风力发电机则是将机械能转变 成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程 [16],如图31所示。 何优琪：风力发电技术发展趋势研究 20 图 31 风力发电的工作过程 由于风电机组的组成复杂，因此，根据不同的结构，风电机组有不同的分类方式。 例如，按装机容量，按运行方式，按风轮轴方向，按功率调节方式，按传动形式等可分为以下几种。 （ 1）按装机容量可以分为小型、中型、大型和特大型风电机组。 小型机组指容量在 ~1kW；中型机组指容量在 1~100kW；大型机组指容量在100~1000kW，特大型为 1000kW 以上。 （ 2） 按运行方式可分为离 网型风力发电机组和并网型风力发电机组。 离网型风力发电机组不与电网连接，运行不受电网电压及频率的限制，因此不必设置控制运行的复杂系统，一般用于没有电网地区。 而并网型风力发电机组产生的电能向电网输送，电压和频率必须与电网一致。 （ 3） 按风轮轴方向分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。 水平轴风力发电机组是风轮轴基本上平行于风向的机组，工作时风轮的旋转平面与风向垂直。 水平轴风力发电机组按风轮与塔架的相对位置可分为上风向和下风向，如图 32（ a）所示。 垂直轴风力发电机组的风轮旋转轴与地面垂直，垂直轴风轮按形成转矩的机 理又可分为阻力型和升力型，阻力型的效率低于升力型，如图 32（ b）所示。 (a)水平轴风力发电机组 (b)垂直轴风力发电机组 图 32 两种风轮轴方向的风力发电机组 风能 风轮 机械能 电能 机械能 风力发电机 传动系统 2020级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文 21 （ 4） 按功率调节方式分为定桨距风机、普通变桨距风机和主动失速型风机。 定桨距风机：其风轮叶片直接与轮毂固定，安装角固定不变。 失速型风力发电机组工作原理是在一定迎角范围内叶片翼型的升力系数与迎角成正比，超出一定迎角后气流开始分离，不再保持正比关系， 当迎角大到一定程度后，升力系数下降，阻力系数增加称为失速。 失速型风电机组的最大优点是，控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。 但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有较复杂的气动制动装置，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。 普通变桨距风机：这种风机当风速过高时，通过减小叶片翼型上合成气流方向与翼型几何弦的攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。 同时风机在启动过程也需要通过变距来获得足够的启动转矩。 采用变桨距技术的风力发电机组还可使叶片和整机的受力状况 大为改善，这对大型风力发电机组十分有利。 主动失速型风机：主动失速型风力发电机组是定桨距型与变桨距型风力发电机组的结合。 叶片采用失速叶片，在低风速时将桨距角调节到可获取最大功率输出的位置；当风速超过额定风速后，桨距角主动调到失速范围，使功率稳定在额定值或以下，限制功率超载。 随着风速的不断变化，叶片仅需微调就能维持额定功率输出 [17]。 主动失速型风力发电机组的特点是既具备定桨距失速型风力发电机组的特点，又可进行变桨距调节，提高机组的运行效率，输出功率较平稳。 （ 5） 按传动形式可分为高传动比齿轮箱型、直接驱动 型和半直驱型。 高传动比齿轮箱机组中的齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。 风轮的转速较低，通常达不到风电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现。 直接驱动型机组应用多极同步发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。 而半直驱型机组的工作原理是以上两种形式的综合，这种风机减少了何优琪：风力发电技术发展趋势研究 22 传统齿轮箱的传动比，同时也相应地 减少了多极同步发电机的极数，从而减小了发电机的体积。 （ 6） 根据风力发电机的运行特征和控制方式分为恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组。 恒速恒频 ( constant speed constant frequency， CSCF)风力发电系统。 这是 20 世纪 80、 90 年代常见的一种类型的风力发电系统，机组容量已发展到兆瓦级，具有性能可靠、控制与结构简单的特点。 但这种风电系统，当风速发生变化时，风力机的转速不变，风力机必偏离最佳转速，风能利用率 Cp 值也会偏离最大值，导致输出功率下降，浪费了风力资源，发电 效率大大降低。 变速恒频 ( variable speed constant frequency， VSCF) 风力发电系统。 VSCF 风电系统风力机的转速可变化，当风速改变时，可适时地调节风力机转速，使之保持最佳状态，风能利用系数 Cp 接近或达到最佳，可实现对风能最大限度地捕获，由此优化了机组的运行条件，系统的发电效率也大为提高 [18]。 相对 CSCF 风力发电系统， VSCF 风力发电系统转速运行范围较宽，可灵活地调节系统的有功和无功。 目前，国内外已建或新建的大型风电场中的风电机组多采用这种运行方式，尤 其是兆瓦级的大容量风电系统已成为主流的风力发电系统。 目前在并网风力发电领域主要采用水平轴风电机组形式，其基本结构如图 33 所示，由风轮、传动系统、发电机、控制与安全系统、偏航系统、机舱、塔架和基础组成。 图 33 水平轴风电机组结构图 2020级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文 23 表 31 风力发电机组机型分类 结构 形式 功率 风轮轴 方向 功率调节方式 传动形式 转速变化 水平 垂直 定桨距 变桨距 有齿轮箱 直接 驱动 定速 多态 定速 变速 主动 失速 普通 变距 高传 动比 中传 动比 ~1kW小型风机 有， 常见 有， 不常见 有， 常见 无 无 无 无 有 有 无 无 1~100kW中型风机 有 有 有 无 无 有 有 有 100~1000kW 大型风机 有， 不常见 有， 常见 有， 常见 有， 不常见 有， 不常见 有 有 有， 常见 1000kW以上特大型风机 有， 不常见 有， 不常见 有， 常见 有， 不常见 有， 不常见 有， 常见 根据基本结构以及运行原理，发电机通常可分为直流电机、感应异步电机和同步电机几 大类。 风力发电系统中电机类型繁多，包括以下类型。 在 CSCF 风电系统中常用的发电机包括异步机感应电机和电励磁同步机。 异步机运行稳定可靠、坚固耐用、结构简单便于维护，适用于各种恶劣的工况条件，但转速运行范围窄。 电机定子一般通过变换器或软启动器与电网相连，如图 34 所示，通常还需并联无功补偿器，提供足够的无功补偿以维持机端电压稳定。 软启动器的主要作用是限制并网时过大的冲击电流对电网的不利影响。 何优琪：风力发电技术发展趋势研究 24 图 34 带软启动器的异步机恒速恒频风电系统 图 35 双 PWM结构的异步恒速恒频风电系统 电励磁同 步电机，带有独立的励磁系统，是同步电机必不可缺的组成部分，必须通过励磁系统的激磁才能建立旋转磁场，旋转磁场以同步转速旋转运行。 根据励磁系统的励磁方式可分为直流励磁、静止交流整流励磁和旋转交流整流励磁。 旋转交流整流励磁无需电刷及滑环，可靠性大为提。