言 对现代并网风力发电机组的研究已有20多年的历史，并且每年在 世界各地都举办了各种形式的学术研讨会，发表数以百计的学术论文， 但至今为止，国内外系统介绍现代并网风力发电技术的书籍仍然寥若 晨星。多年前虽然出版过一些介绍风力机空气动力学原理和能量转换 原理的书籍，并且这些基本原理对于大型风力发电机组的研究仍然是 适用的，但现代并网风力发电机组所涉及的技术和理论已远远超出了 这一范围。 本书在风力机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上，系统 地介绍了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电 机组的基本控制要求与控制策略；介绍了风力发电机组的软并网技术、 变桨距技术和变速风力发电机组在实现对最佳功率曲线的跟踪过程中 的各种控制和处理方法。在介绍变速风力发电机组控制技术的基础上， 对基于模糊逻辑控制和神经网络的智能控制系统也作了简要介绍。最 后介绍了对电力电子器件引入谐波和变功率因素问题的控制方案。 由于风力发电机组的控制主要是对风轮的转速和输入功率进行控 制，这些都涉及到风轮的能量转换过程及与之密切相关的空气动力学 问题。为此先在第二章中对风力机的基础理论作一简要介绍。此后为 了循序渐进，先介绍定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组的控 制技术，以及与控制技术密切相关的伺服系统。在此基础上介绍变速 风力发电机组的控制技术，讨论各种控制策略、处理方法及模拟试验 结果。 作者多年来一直从事风力发电技术研究，参与设计了多种型号的 定桨距和变桨距风力发电机组，因而可以从比较实用的角度介绍这两 种机组的控制技术。对于变速风力发电机组则主要从理论分析与实验 研究的角度予以介绍，所引用的国外最新技术成果已在参考文献中全 部列出
本书的出版荣幸地受到机械工业出版社基金支助,还受到国家 技术研究发展计划专项经费资助 本书主娶洪从事风力发电机组设计、研究的工程技术人员参考,也 可作为理工科大学电机及控制专业教师和研究生的参考书 书中的错误恳请读者批评指正 作者于2002年1月8日
符号表 A-项目投资每年等额折旧 dL.一dF分解的升力 ∧·桨叶前缘( Leading edge),它dD-dF分解的阻力 是跗后缘最远的点 dF…气动力dF在旋转平面卜的投 A放大器、增益 影值 A-正弦波调制振幅 dF4-气动力dF在转轴上的投影值 a-…轴向诱导速度系数 dP-d段叶片产生的风轮功率 a…电机转f串联有效距数与定dP,流过dr段叶片的风的功率 子串联有效匝数之比 Ec-年发电量 B·葉叶后缘( Trailing edge) E…-计算过程中采用的简化符号 B一系统的摩擦损耗 F-气流的轴向推力 h一叶片数 f一翼型中线最大弯度 b切向诱导速度系数 ∫-一糗率 C-发电成本 ∫-翼型相对弯度,f=f “最大厚度,即弦长法线方向之F。·阻力,与速度v平行 翼型最大厚度 F1-升力,与速度?垂直 C--翼型相对厚度,C=C/,通常G--计算过程中采用的简化符号 为10%~15% h一周向速度因子 C--总的气动系数 l一倾斜角,为z与旋转平面间的 r-转矩系数 夹角 C--推力系数 J…-叶尖的倾角 Cd-阻力系数 贷款利率 升力系数 角,是来流速度方向与桨叶 CM-变距力矩系数 弦线间的夹角 C而-诱导阻力系数 √--风力发电机组总转动惯量 C-无限叶展的力系数 ,一风轮的转动惯量 电 获得最佳Cr值时的比例系数 发电机负载系数 单位时间内流过风轮扫掠面积 dF一叶素受到气动力 S的气体的体积
L.桨叶长度 压 定子额定相电压 翼型的弦长,是两端点,1、B周速度,4=2rrn(n为转速) 连线方向上叶型的最大长度 一气体的速度 的运行维护费 xr叶尖线速度 体的质量 气流相对「叶片的速度 m1-电机定子相数 x1……·定子绕组的漏抗 折旧年限 折算到定子侧的转子每相漏抗 n风轮的转速 是展弦比,a=2/S 在电机同步转速下的风轮转a…-逆变器触发角 线性系数 ’·风力机实际获得的轴功率 y线性系数 总投资 线性系数 p桨叶衣面上的静压 P-一空气密度 电机极对数 o1-一定子角频率,即电网角频率 λ…-叶尖速比 子绕组的电阻 0n…零升力角,它是弦线与零升力线 R2…折算到定子側的转·每相电 向的夹角 阻 …升力角,来流速度方向与等升力 。轴毂半径 线间的夹角 R·电阻 率 S--风轮扫掠面积 tdF和dL之间的夹角 S桨叶面积,等于弦长×桨叶长-气流的旋转角速度 d-- Brandt】系数 转差率 B节距角 s。-电机切出时的转差率 d风轮角频率 T-转矩 e正弦波调制须率 I:…风轮的气动转矩 发电机转速的期值 T∵-发电机获得的转矩 nA转速控制系统的参考速度 了 转矩期望值 a4转矩观测器的自然频率 T-驱动风力机的机械转矩 转矩观測器带宽 转矩的观测值 5转矩观測器阻尼
目录 前言 符号表 第一章绪论 第一节风能的开发利用 第二节风力发电的成本与效益…… ·,· 1,2.4 第三节风力发电技术………………………… 第二章风力机的基础理论 第一节风力机的能量转换过程………………… 第二节桨叶的几何参数和空气动力特性…………… 第三节风轮的气动力学… 第四节简化的风力杌理论 第五节涡流理论 第三章定桨距风力发电机组 第一节定桨距风力发电机组的特点 333 第二节定桨距风力发电杋组的基本运行过程………… 第三节风力发电机组的基本控制要求………… 第四节定桨距风力发电机组的制动与保护系统……… 第四章定桨距风力发电机组的软并网 第一节并网方式概述…………………… 722 第二节发电机软切入装置……… 第三节三相负载不平衡保护……… 第五章变桨距风力发电机组 第一节变桨距风力发电机组的特点 第二节变桨距风力发电机组的运行状态 第三节变桨距控制系统 689 第四节功率控制
第六章变桨距风力发电机组的模拟…… 笫一节模拟系统的结 第二节风力发电机组特性的数学模型 第三节模拟与实验结 第七章控制系统的执行机构…… 第一节定桨距风力发电机组的液压系统 !4 第二节变桨距风力发电机组的液压系统 J16 笫三节偏航系统 24 第八章变速风力发电机组 第一节风力发电机组的基本特性 第二节变速风力发电机组的基本结构…… 第三节变速风力发电机鉏的基本控制策略 第四节变速风力发电机组各种特性的模拟分析 第九章低于额定风速时的转速控制…… 第一节控制策略分析…………………………… 15I 第二节观测器的执行情况……………… 第三节控制器设计 第四节低于额定风速情况下的风速估算… 第五节DSC和ISC策略的模拟鲒果… 笫六节实验结果… 第十章高于额定风速时的功率控制 笫一节动态模型的建立 第二节控制器设计 第三节模拟与结果 第十一章风力发电机组的智能控制 第一节模糊逻辑控制 笫二节采用智能控制的风力发电机组模型 笫三节模糊励磁环的设计 第四节神经转速控制环设计 第五节模拟与结果 第十二章提高变速风力发电机组供电质量…
第 电力电子接 第二节电感性储能器对供电质量的改善-… 参考文献
第一章绪论 第一节风能的开发利用 能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能 源以煤、石油、天然气为主,它不仅资源有限,而且造成了严重的人 气污染。因此,对可再生能源的开发利用特别是对风能的开发利用 已受到世界各同的高度重视。据专家们计地球上所接收到的太阳 辐射能大约有2%转换成风能,装机容量可达10W,每年可发出电力 13PW.h. 近20年,发达国家在风能的开发利用方面已取得了惊人的成就。 20世纪80年代问世的现代并网风力发电机组,只经过几年的发展便 迅速实现了商品化、产业化,到90年代中期已形成了一个规模大的 风力机工业。2001年10月,全世界风力发电装机容量突破了 20000MW,其中当年新增容量达到5000MW专家们测,从2002年 以后,世界风力发电机组装机容量将继续以每年高于25%的速度递 增,到2010年,全世界风力发电机组装机容量将突破100GW 我国是世界上风力资源较为丰富的国家之一,全国开发利用的 风能约2.5亿kW。有沿海(山东、浙江、福建、广东)和东北至西北 包括内蒙古、新疆、甘肃两大风带,风的质量很好,为开发风力发电 提供了基础环境和条件。近10年来,国内在新疆、内蒙、广东、浙江、 辽宁等地利用引进国外机组建立了2个风电场,总装机容量约 400MW.与此同时国产风力发电机组的开发也取得了一定的成果、其 中包括“八五”期间开发成功的200kW/20kW风力发电机组和在 “九五”期间开发的600kW风力发电机组,并成功地开发了并网型风 力发电机组的当地控制和远程控制系统,使大型风力发电机组的一项 关键技术得到了解决。国内可以制造的其他主要部件包括桨叶、发电 机、齿轮箱、机舱、主轴、塔架、偏航系统、液压系统等,为我国大
型风力发电机组国产化奠定了基础 第二节风力发电的成本与效益 、常规能源发电的上网电价 如果以我国H前使用最普遍的30万kW级火力发电机组为例测 算其发电的上网电价,结果如表11所示。 表1-1燃煤电厂的平均上网电价(含税) 机组类2×30万kW机纸2×35万kW机组 尢脱硫 有脱硫 尢脱硫 有脱硫 网电价(元/kW·h) 4,36 由于火力发电厂每年向大气排放数百亿吨的有害气体,给全球环 境造成∫极大的污染,日前发达国家已采用煤的洁净燃烧技术。国内 如果采用该项技术,需对现有的火力发电设备进行一次彻底的改造 则火力发电的建设成本将增加30%,上网电价可能达到0.40元/ kW·h 风力发电的成本 根据60kW风力发电机组的国产化成本测算,其价格为5000元 /kW。加上风电场配套费用,风电场的建设成木不高于7500元/kW 取谷量系数0.25、风力发电成本C[元/(kW·h)可由下式计算: A+M (1-1) 式中E每千瓦装机年发电量(kW·h); M—年运行维护费(元) A一年项日投资等额折旧(元),可由下式计算 A=p.(1+ 式中P-每千瓦投资(元/kW); 贷款利率; n折旧年限(年)。 将风电场建设的各项条件E=365×24×0.25kW·h,P=7500
元/kW %,n=20代人式(1-1)、式(1-2)可得 4-7500 %(1+5%)2 (1+5%)-1元601.82元 C=0.27 式中"-每千瓦时运行维护费(元kWh),m=E 从式(1-3)可以看出,风力发电成本由两部分构成:一部分是风 电场的建设成本,这是构成风电成本的主要部分,为0.27元/W·h 另-部分是运行维护成本m。由于风能消耗不计入成本,这部分成本 主要取决于设备的可靠性及风电场的管理水平,根据我国日前的风电 场运行情况,m=0.05~0.08元/kW·h,这样风力发电的成本将不高 丁0.35元kW·h。如果国家能在政策上给予强有力的支持,风力发 电与常规能源发电相比在上网电价上有一定的竞争能力 三、经济效益与杜会效益 能源生产利用对生态环境产生的损害,是中国环境问题的核心。大 量直接燃煤造成的城市大气污染,过度消耗生物质能引起的农村生态 环境破坏,以及CO2温室气体排放是其主要的问题。 我国燃煤释放的SO2占全国总排放的85%,CO2占85%,NO,占 60%,烟尘占70%。1997年我国S2排放总量为2346万L。我国酸雨 区域在迅速扩大,已超过國士面积的40%.1995年酸雨沉降造成的纶 济损失为1165亿元,占GNP的1.9%。 风能在转换成电能的过程中,只降低了气流的速度,没有给大气 造成任何污染。用风力发电,可减少常规能源的消耗,从而碱少(O2、 SO2的排放,对保护环境和生态平衡,改善能源结构具有重要意义。在 我国的能源构成中,虽然煤的比例最大,但可采量有限,并带来环境 交通等诸多问题。因此,开发可冉生能源,尤其是风能,将显得更为 重要 风力发电机组是涉及控制、机电、材料、钢结构等多学科多专业 的机电体化产品,它的产业化,可带动批相关产业的发展,有利 于促进国民经济发展 根据在本世纪中叶我网国民经济达到中等发达国家水平的H标