独立运行风力发电系统
风力发电系统的拓扑结构
、试论述现有风力发电系统的拓扑结构及各自特点风力发电系统主要有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，采用蓄电池进行蓄能；二是风力发电与其他发电方式（如太阳能发电）相结合形成互补发电系统向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。
（一）独立运行的风力发电系统风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式。
由于风能的不稳定性，需要配置充电装置，最普遍使用的充电装置为蓄电池，当风力发电机在运转时，为用电装置提供电力，同时将多余的电能向蓄电池充电。
根据供电系统的不同可分为直流系统和交流系统。
1、直流系统独立运行的直流风力发电系统为由一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置想电阻性负载供电。
当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。
为了防止这种情况的发生，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断出点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器工作断开动断触点，使蓄电池不能向发电机反向供电。
如图1-1所示。
图1-1独立运行的直流风力发电系统2、交流系统如果在蓄电池的正负极两端直接接上直流负载，则构成了一个由交流发电机经整流器组成整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统。
如图1-2所示。
女口果在蓄电池的正负极接上逆变器，则可向交流负载供电。
如图1-3所示。
图1-2交流发电机向直流负载供电独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户 提供电力。
（二） 互补运行的风力发电系统在互补运行的风力发电系统中，除了有风力发电装置之外，还带有一套备用 的发电系统，经常采用的是柴油机，也有利用太阳能电池。
风力发电机和柴油发 电机构成一个混合系统。
在风力发电机不能提供足够的电力时由柴油机提供备用 的电力，以实现连续、稳定的供电。
风力发电系统的拓扑结构
二、试论述现有风力发电系统的拓扑结构及各自特点。
风力发电系统主要有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，采用蓄电池进行蓄能；二是风力发电与其他发电方式（如太阳能发电）相结合形成互补发电系统向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。
（一）独立运行的风力发电系统风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式。
由于风能的不稳定性，需要配置充电装置，最普遍使用的充电装置为蓄电池，当风力发电机在运转时，为用电装置提供电力，同时将多余的电能向蓄电池充电。
根据供电系统的不同可分为直流系统和交流系统。
1、直流系统独立运行的直流风力发电系统为由一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置想电阻性负载供电。
当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。
为了防止这种情况的发生，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断出点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器工作断开动断触点，使蓄电池不能向发电机反向供电。
如图1-1所示。
图1-1 独立运行的直流风力发电系统2、交流系统如果在蓄电池的正负极两端直接接上直流负载，则构成了一个由交流发电机经整流器组成整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统。
如图1-2所示。
如果在蓄电池的正负极接上逆变器，则可向交流负载供电。
如图1-3所示。
图1-2 交流发电机向直流负载供电图1-3 交流发电机向交流负载供电独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户提供电力。
（二）互补运行的风力发电系统在互补运行的风力发电系统中，除了有风力发电装置之外，还带有一套备用的发电系统，经常采用的是柴油机，也有利用太阳能电池。
风力发电机和柴油发电机构成一个混合系统。
在风力发电机不能提供足够的电力时由柴油机提供备用的电力，以实现连续、稳定的供电。
风力发电的三种运行方式介绍及特点
交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频，还可以实现有功、无功功率控制，对电网而言还能起无功补偿的作用。
交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点:
·允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。
变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小，而变距调节型风力机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机，这种情况更明显，这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快，才可以减轻此现象。
2 变速恒频风力发电机
变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，但它却变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。
·调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。
在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。下面简单介绍这两方面的情况。
1 风力机的变浆距调节
风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。
变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定浆距调节。在额定风速以上时，变浆距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附近。变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。
风力发电系统的分类及拓扑
并网型风力发电系统
• 2.B型：有限变速 指可变转子电阻的有限变速风力机，如下图所示。
OptiSlipTM，该技术是Vestas公司在20世纪90年代中期 开始使用。使用绕线感应发电机（WRIG）直接并网；同 样需要电容器组进行无功功率补偿，使用软起动器并网。 由于转子电阻可变使得转差率可变，因此系统的功率输出 稳定，可变转子电阻的大小决定动态速度控制的范围。
接三相转差频率变频器实现交流励磁。部分功率变频器用来进行无功
功率补偿。双馈发电机是指，在控制中发电机的定、转子都参与了励
磁，并且定、转子两侧都有能量的馈送。
• 优点：变频器的容量小，更具经济性，动态速度控制范围快一般为同 步转速的-40%~30%。
• 缺点主要是需要使用滑环和需要有电网故障保护，具有齿轮箱，结构 笨重，易出现机械故障。
特点及其拓扑结构
并网型风力发电系统
• C型：变速含部分功率变频器
•
此类型主要指双馈式感应发电机（DFIG），如下图所示。是含
绕线转子感应发电机（WRIG）和转子电路中部分功率变频器（额定
值约为标称发电机功率的30%）。双馈发电机结构类似于三相绕线式
异步感应电机，具有定、转子两套绕组，定子绕组并网，转子绕组外
The end
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Thank you！
特点及其拓扑结构
并网型风力发电系统
• 4.D型：变速全功率变频器型 • 此类型主要指发电机通过全功率变频器并网的全变速风
力机。发电机主要有绕线转子同步风力发电机（WRSG） 或永磁同步发电机（PMSG），结构图如下图所示。 • 其中一些全变速风力发电机系统省去了齿轮箱，此时需 要直驱多级发电机，其直径较大。
风力发电系统分类：
独立式小型风力发电机及其控制器的研究
二、研究现状
近年来，针对小型永磁风力发电机性能测试技术的研究已经取得了一定的进 展。然而，现有的测试方法大多基于传统风力发电机性能测试技术，未能充分考 虑永磁风力发电机的特性和需求。此外，这些方法往往操作复杂，精度不高，难 以满足实际应用的需求。因此，开发适用于小型永磁风力发电机的性能测试技术 势在必行。
六、结论
本次演示对小型永磁风力发电机性能测试技术进行了深入研究，提出了一种 基于磁势能和风能测量的测试技术方案。实验验证表明，该技术方案具有高精度、 简便快速、稳定性好等优势，具有广泛的应用前景。未来，随着新能源技术的不 断发展，小型永磁风力发电机性能测试技术将在风能领域发挥越来越重要的作用， 推动可再生能源的可持续发展。
2、反馈系统：反馈系统是控制器的重要组成部分，它通过实时监测发电机 的运行状态，为控制器提供必要的信息，以便做出相应的调整。反馈系统通常包 括风速传感器、发电机速度传感器、电力输出传感器等。
3、电力储存和管理：对于独立式小型风力发电机来说，电力储存和管理也 是控制器的重要职责之一。控制器需要确保在风速低或者无风的情况下，电力能 够得到有效的储存和管理，以确保持续供电。
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2、产业规模：我国的小风电机产业规模也在不断扩大。据统计，我国的小 风电机市场规模在过去几年中增长迅速，成为全球最大的小风电机市场之一。
3、政策支持：我国政府对小风电机的发展给予了大力支持。各级政府出台 了一系列优惠政策，如补贴、税收优惠等，以推动小风电机产业的发展。
三、发展趋势
1、技术创新：未来，我国小风电机产业将继续加大技术创新的力度，以提 高产品的性能和竞争力。例如，通过采用新材料、新工艺等，使得小风电机在重 量、体积和噪音等方面都能得到优化。
参考内容
风力发电原理及运行方式
风力发电原理及运行方式
风力发电原理是利用风力转动风轮轴，通过高速旋转的风轮轴带动发电机旋转，将机械能转化为电能。
风力发电通常采用风力发电机来产生电力。
风力发电机的运行方式可以分为以下两种:
单机运行方式
单机运行方式是将单个风力发电机独立运行，直接向电网供电。
这种方式适用于小规模的风力发电系统，如用于家庭或小型企业的电力供应。
并网运行方式
并网运行方式是将多个风力发电机并联连接到电网上，共同向电网供电。
这种方式适用于大规模的风力发电系统，如用于发电容量较大的风电场。
在并网运行方式下，风力发电机的输出功率需要与电网的需求相匹配，以确保电网的稳定运行。
总之，风力发电是一种清洁、可再生的能源，其应用范围广泛。
风力发电的原理是将风能转换为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
风力发电的运行方式可以根据实际需求选择单机运行或并网运行。
独立运行风力发电最大功率控制器的设计
风力发电系统有哪些设备组成
风力发电系统有哪些设备组成？风力发电机根据应用场合的不同又分为并网型和离网型风力机，离网型风力发电机亦称独立运行风力机是应用在无电网地区的风力机，一般功率较小。
独立运行风力机一般需要与蓄电池和其他控制装置共同组成独立运行风力机发电系统。
这种独立运行系统可以是几千瓦乃至上几十千瓦解决一个村落的供电系统，也可以是几十到几百瓦的小型风力发电机组以解决一家一户的供电，我们这里主要介绍适合我国边远无电地区的小型风力发电机组。
小型风力发电机组一般由下列几部分组成：风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、塔架及拉索等，控制器、蓄电池、逆变器等。
①风轮：小型风力机的风轮大多用2－3个叶片组成，它是把风能转化为机械能的部件。
目前风轮叶片的材质主要有两种。
一种是玻璃钢材料，一般用玻璃丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制，在内腔填加一些填充材料，手工糊制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时，产品质量不易控制。
国外小风机也采用机械化生产等截面叶片，大大提高了叶片生产的效率和产品质量。
②发电机：小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机，由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。
③调向机构、调速机构和停车机构：为了从风中获取能量，风轮旋转面应垂直于风向，在小型风机中，这一功能靠风力机的尾翼作为调向机构来实现。
同时随着风速的增加，要对风轮的转速有所限制，这是因为一方面过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏，另一方面也需要把发电机的功率输出限定在一定范围内。
由于小型风力机的结构比较简单，目前一般采用叶轮侧偏式调速方式，这种调速机构在风速风向变化转大时容易造成风轮和尾翼的摆动，从而引起风力机的振动。
因此，在风速较大时，特别是蓄电池已经充满的情况，应人工控制风力机停机。
在有的小型风力机中设计有手动刹车机构，另外在实践可采用侧偏停机方式，即在尾翼上固定一软绳，当需要停机时，拉动尾翼，使风轮侧向于风向，从而达到停车的目的。
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• 小型风力发电系统效率很高； • 有一定科技含量的小系统： 风力发电机＋充电器＋数字 逆变器；
• 风力发电机由机头、转体、 尾翼、叶片组成。每一部分 都很重要；
• 各部分功能为：叶片用来接 受风力并通过机头转为电能； 尾翼使叶片始终对着来风的 方向从而获得最大的风能； 转体能使机头灵活地转动以 实现尾翼调整方向的功能； 机头的转子是永磁体，定子 绕组切割磁力线产生电能。
• 连续最长无效风速小时计算法
• 例如：100W风力发电机组，运行风速3~15m/s，当地风 速小于3m/s共3361h，共计54次，平均62h，其中最长无 效风速102h，根据用户日负荷耗电为0.493kWh，蓄电池 容量为：
• C=ED/(Uηb)=493*(102/24) ÷24÷0.8=109(Ah) • E—日负荷； • D—最长连续无效风速天数； • U—蓄电池电压；
450
450 440
2
2.1 2.5 3
2
3 3 3
6
7 7 7
3
3 3 3
7
8 8 8
40
25 25 25
150
200 300 500
28
28 42 42
铁氧 体永 磁交 流发 电机
80
100
150 175
FD4-1K
4
3
9
3
8
25
1000
56
钕铁 珊永 磁交 流发 电机
185
285
FD5.4-2k
独立运行风力发电系统
独立运行的风力发电机组，又称为离网型风力发电机组。
典型的离网型风力发电系统示意图如下所示。
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： 1、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。 2、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2~3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。
• 解：首先，把24个2V/500Ah的蓄电池串联，组成一个 48V/500Ah的电池串。然后再把相同的两组电池串并联。 • 电压：2*24V=48V • 容量：2*500Ah=1000Ah • 总存储能量：48V*1000Ah=48kWh • 共需要2V/500Ah的蓄电池48个。
蓄电池组容量选择与计算
几种型号机组的技术参数
产品型号 发电 机额 定转 速 r/mi n 400 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 kg
FD2-100
2
2
5
3
6
18
100
28
FD24-150
FD2.1-200 FD2.5-300 FD3-500
蓄电池的常用术语
1、蓄电池容量
完全充电后放电到规定的终止电压时所能给出的电量。
符号：C 2、放电率 ——以某电流放电到规定的终止电压时所经历的时间 标识：20h、10h、5h、3h、1h、0.5h C20=100A· h 20h放电率 放电电流为5A 例：C=120A· h
启动型，以20h率标定，表示C20 固定型，以10h率标定，表示C10
5.4
32000
110
1500
FD6.6-3K
6.6
3
10
4
8
20
3000
110
电刷 爪级 电容 励磁 异步 发电 机
1500
FD7-5k
7
2
12
4
9
40
5000
220
2500
FD7-10K
1450
7
2
12
4
11.5
60
1000 0
220
3000
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
3、风电盈亏平衡计算法
风电与负荷之间常会处于风电过剩或者短缺的不平衡状 态，即风电盈亏。 例：某村落安装的独立运行风力发电系统，统计出系统 总得短缺容量为 77508kWh，无效风速小时数 3639h，小时最 大短缺容量 76.6kWh ，小时平均缺电电量 21.3kWh ，通常以 小时平均缺电来计算蓄电池容量。计算公式如下：
蓄电池的串并联
1、蓄电池串联 将相同型号的n个蓄电池串联，串联后电压等于他们 各个蓄电池电压之和。 蓄电池容量保持不变。 2、蓄电池并联 将相同型号的n个蓄电池并联，并联后电流等于他们 各个蓄电池电流之和。 蓄电池容量变为单个蓄电池容量的n倍。 例如：某系统需要直流电压48V，蓄电池能够存储电量 48kWh，用一组2V/500Ah的蓄电池如何实现。
离网风力发电系统可以分为直流、交流系统
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：
交流发电机向直流负载供电
交流发电机向交流负载供电
叶片与风轮
风轮一般由2～3 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
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
• ηb—蓄电池效率。取0.8。
• 平均连续无效风速小时计算法
• 在统计的无效风速小时数中，将1h的无效风速小时数 删去（如13次），然后以求出的年平均无效小时数作为计 算天数D，依次有： • D=（3361-13） ÷（54-13） ÷24=3.4（天）（一次平均 多少天） • C=493*3.4 ÷24 ÷0.8=87(Ah） • 考虑适当的裕度，蓄电池容量选用90Ah。
2、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
侧翼装置
偏心装置
调向装置
尾舵
舵轮对风装置
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 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3～4根拉索组成, 高度6 m～9 m 六、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。 七、蓄电池 多采用汽车用铅酸电瓶, 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。
1、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。 例如：某户安装 100W 风力发电机组，年发电量 260kWh ， 扣除损耗功率，全年剩余电能约为15kWh。其中1~5月份和 10~12 月份共富余电能 21.4kWh ，而 6~9 月份共亏电能 7kWh 。 蓄电池的功能便是尽量将风电富余的电能存储起来补足亏 电的6~9月份。 已知风力发电机组输出电压24V ，若完全保证 6~9 月份 不中断供电，则配备的蓄电池容量为： C=ΔE/U=7000/24=292（Ah） 选300Ah蓄电池
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 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 2004 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 ,2004 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。
ΔE—20%裕度用户用电量；U—蓄电池平均放电端电压；
Kc—蓄电池放电率。 考虑适当的裕度，蓄电池容量选用400Ah。
• 分析： • 1、采用年能量平衡法计算简单，但往往结果偏大。尤其 在低风月份，蓄电池会经常处于充电不足的状态，影响寿 命。 • 2、连续无效风时计算法需要提供风速的月变化曲线，对 于户用型独立风力发电系统用户来说是非常困难的。只能 通过一些年平均风速相似的典型分布曲线获取。此方法基 本满足用户需求，有时也会存在蓄电池严重放点后充电不 足。 • 3、风电盈亏平衡法主要用于村落型独立运行风力发电系 统。 • 4、基本负荷连续供电保障小时计算法是一种最简单的计 算法，适用于户用型，也适用于村落型。
C=ΔE/KcU=21.3 ÷0.1 ÷0.44=484(Ah)
ΔE—小时平均缺电量；U—蓄电池平均放电端电压； Kc—蓄电池放电率。 考虑适当的裕度，蓄电池容量选用500Ah。
4、基本负荷连续供电保障小时计算法
由于蓄电池投资大，运行费用高，独立运行发电系统有 时采用基本负荷连续供电保障小时计算法。 例：某用户生活负荷 15.4kWh ，供电端处电压 440V 。考 虑用户用电量的增长，留 20%裕度，即按 18.5kWh 计算。若 保证像基本负荷连续供电8h，计算如下： C=ΔE/KcU=18.5 ÷0.125 ÷0.44=336(Ah)