风电知识培训

风电基础知识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（2004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Principallayoutofoffshorewindturbines,theircollectionandtransmission(C&T)systemsforinterconnectiontomains,i.e.,forfungiblepowertotheACnetworkandtrading近海风电技术：风力发电机组－Vestas3MW2005年KentishFlat海上风电场安装30台vestas3MW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Repower2MW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）GOLDWIND1200KW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GOLDWINDGoldWind62/1200技术参数叶轮直径62m扫风面积3019m2转速范围10～20RPM1叶片数量3叶片类型LM29.1P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69m运行数据切入风速3m/s额度风速12m/s切出风速25m/s抗最大风速59,5m/s电机类型多极永磁同步发电机结构直接驱动额定功率1200kW额定电压Y690V绝缘等级FGOLDWIND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Technologytrend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CostofEnergy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22.25rpm,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Asthebladessweepthediskofair,thebladetipspeedIstypically6to10timesthewindspeed.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Cp吸收效率ρ空气密度，标准密度：1.225kg/m3A风轮面积，pD2/4U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Thegraphshowsthatatawindspeedof8metrespersecondwegetapower(amountofenergypersecond)of314Wattspersquaremetreexposedtothewind(thewindiscomingfromadirectionperpendiculartothesweptrotorarea).At16m/swegeteighttimesasmuchpower,i.e.2509W/m2.Thetableintherightgivesyouthepowerpersquaremetreexposedtothewindfordifferentwindspeeds.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-11米·秒-111.9438443.6003.280842.236941海里·时-10.5144411.8521.68780991.15077951千米·时-10.2780.5399610.91134440.621369951英尺·秒-10.30480.5924841.0972810.6818181英里·时-10.447040.8689761.4666671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10-0.210.10.1平常渔船略觉摇动烟能表示风向，但风向标不能转动1-51-30.3-1.520.20.3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6-114-61.6-3.330.61.0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12-197-103.4-5.441.01.5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20-2811-165.5-7.952.02.5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29-3817-219.0-10.763.04.0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39-4922-2710.8-13.874.05.5渔船停泊港中，在海者下锚全树摇动，迎风步行感觉不便50-6128-3313.9-17.185.57.5汽船的渔船皆停留不出策枝折毁，人向前行，感觉阻力甚大62-7434-4017.2-20.797.010.0汽船航行困难建筑物有小损（烟囱顶部及平屋摇动）75-8841-4720.8-24.4109.012.5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89-10248-5524.5-28.41111.516.0汽船遇之极危险陆上很少见，有则必有重大损毁103-11756-6328.5-32.61214海浪滔天陆上绝少见，摧毁力极大118-13364-7132.7-36.913134-14972-8037.0-41.414150-16681-8941.5-46.115167-18390-9946.2-50.916184-201100-10851.0-56.017202-220109-11856.1-61.2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NNNWNNENWNEWNWENEWEWSWESESWSESSWSSES16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（%）121110987654321002468101214161820风速（m/s）风速统计规律的表示方法20181614121086420100020003000400050006000700080009000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windspeedpowerfrequencyhouroutput103.78%331.50609280207.14%625.73252230309.73%852.2990731041711.33%992.85903816878.654811.91%1043.27610150077.2568111.56%1012.5744682018.53716010.49%919.3164568147090.682578.98%786.6708703202174.493507.28%637.5679693223148.8104685.61%491.0318826229802.9115664.11%360.2242114203886.9126472.88%252.1603474163147.7136971.93%168.6549321117552.5147451.23%107.891861780379.44157720.75%66.0696002651005.73167680.44%38.7547539129763.65177640.25%21.7867933716645.11187490.13%11.7435968795.95319年标准运行小时2163.158年发电量1622368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ρ为空气密度，单位kg/m3V为风速，单位m/sF是气流通过的面积，m2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Cp吸收效率ρ空气密度，标准密度：1.225kg/m3V风速A风轮面积，pD2/4P=(1/2)ρV3ACp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(Integraltimescale/lengthscale)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）(Windspeedprobabilitydensityfunctions)功率谱密度(Powerspectraldensityfunction)短期的统计（几秒、几分）湍流强度（turbulenceintensity）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WindturbineclassIIIIIISVref(m/s)5042.537.5ValuesspecifiedbythedesignerAIref(-)0,16　BIref(-)0,14　CIref(-)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V1V2A1AA2v流量风轮尾流不旋转时的动量理论质量守恒：ρA1V1=ρAV=ρA2V2动量定理：T=ρAV(V1－V2)能量方程：P=1/2ρAV3cp=1/2mV12－1/2mV22a=1/3时，风能利用系数达到贝兹极限Cp=0.593V轴向=aV1,a轴向诱导因子CT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V1V2VA1AA2风轮物理参数风轮转速Ω尖速比风能利用系数扭矩M，风轮物理参数CP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