离网风力发电系统的应用设计实例.docx
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离网风力发电系统的应用设计实例
离网风力发电系统的应用设计实例
一、任务导入
我国还有很多远离电网的农村、牧区、边防连队、海岛驻军等地方使用柴或汽油发电机组供电，发电成本相当高，而这些地方大部分处在风力资源丰富地区。
通过采用风力发电机组供电，节约了燃料和资源，同时还减少了对环境的污染，一举多得，有着十分显著的经济效益和社会效益。
如何选择一台真正适合本地区使用的小型风力发电机进行风力发电呢？
二、相关知识
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的应用。
学习情境离网风力发电系统的设计方法
根据安装地点的风能资源情况，以及用户的用电负荷和用电要求，合理选配小型风力发电机组的类型和配置，以获得最佳效益是离网风力发电系统的设计要求。
（一）风力发电设计应注意的问题
1．风力发电系统应用环境的分类
为了使风力发电系统适应不同的使用环境，降低因为环境原因造成的风力发电机组故障，将风力发电系统的使用环境分成3类。
根据不同环境的实际需要选择相适应的产品。
I类地区：
沿海地区。
抗风能力强，风力发电机在承受60m/s风速时，不至于损坏；耐腐蚀，要求在沿海地区耐腐蚀年限为10年。
Ⅱ类：
高寒、高海拔地区。
要求可以适应低温环境；适应高海拔低气压环境。
Ⅲ类：
沙漠、戈壁地区。
要求可以适应高温酷热环境；适应沙尘天气。
I类地区风力发电机的安全风速不小于60m/s；Ⅱ类和Ⅲ类地区机组的安全风速不小于50m/s。
风力发电机的启动风速和额定风速应根据年平均风速频率分布图来确定，无年平均风速频率分布图时，应根据平均风速最低月份确定。
风力发电机的噪声应不高于70dB。
2．影响风力发电系统设计的因素
由于风力资源随地点而变，因此即使在很相近的两个地点，风力资源特性也不会相同，因此，对于任何风光互补发电项目，必须进行实地短期风力测量、长期风力资源预测、风流模拟计算和发电量估算等。
如果需要安装超过一台风力发电机，每台风力发电机在特定风向下部可能成为其他风力发电机的障碍物，造成尾流效应。
风电场总发电量估算须考虑尾流效应的影响。
根据当地风力特征选择适当的风力发电机。
风力资源中等的地方，使用可变速型号比固定速度型号的风力发电机能够有更好的发电量。
考虑到部分地区有台风，因此应选择市场上最牢固的风力发电机。
国际电工协会标准分级中，1级风力发电机可以抵受最高的极端负荷。
此外，湍流强度也影响风力发电机的选择。
只有结合安装地点的实际环境条件选择使用风力发电机，才能充分地利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。
应该指出的是，在风力资源丰富地区，最好选择额定设计风速与当地最佳设计风速相吻合的风力发电机。
如能做到这一点无论是从风力发电机的选择上，还是利用风力资源的经济意义上都有重要的意义。
风洞试验证明，风力发电机风轮的转换功率与风速的立方成正比，也就是说，风速对功率影响最大。
例如，在当地最佳设计风速为6m/s的地区，安装一台额定设计风速为8m/s的风力发电机，结果其年额定输出功率只达到原设计输出功率的42%，也就是说，风力发电机额定输出功率较设计值降低了58%。
若选用的风力发电机额定设计风速越高，那么其额定功率输出的效果就越不理想。
但也必须指出，风力发电机额定设计风速偏低，其风轮直径、发电机相对要增大，整机造价相应也就加大，从制造和产品的经济意义上考虑都是不合算的。
（二）风力发电机电量与用电量的匹配设计
风力发电机与用电器的匹配是一项不可忽视的内容。
在选配用电器时也应按照蓄电池与风力发电机匹配原则进行。
即选配的用电器耗用的能量要与风力发电机输出的能量相匹配。
但应指出的是，匹配指标所强调是能量，不要混淆为功率。
在选用用电器时，还必须注意电压的要求。
离网风光互补发电系统发出的电能首先经过蓄电池储存起来，然后再由蓄电池向用电器供电。
所以，必须认真科学地考虑，风力发电机功率、太阳能电池组件功率与蓄电池容量的合理匹配和静风期储能等问题。
目前，离网风光互补发电系统的输出功率与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等，或输入大于输出的原则进行匹配的。
（1）设备日用电量计算
Qi=Pi×Ti（1-5）
式中Qi—日用电量；Pi—设备额定功率；Ti—日用电小时数。
（2）系统总用电量估算
Qm=∑Pi×Ni×Ti（1-6）
式中Qm—系统负荷最大日用电量（kW．h）；
Pi—每种相同设备的额定功率（kW）；
Ni—具有相同额定功率的设备的数量；
Ti—该类设备的日平均使用时间（h）；
I—1，2，…，n个不同类的设备数量。
（3）发电能力的测算
日平均发电量则是由风力发电机和太阳能电池组件的发电能力及当地风光资源状况决定的。
Q=Q1+Q2（1-7）
式中Q1—风力发电机组的日平均发电量；Q2—太阳能电池组件的日平均发电量。
（4）风力发电机组供电能力的测算方法
风力发电机组的年平均发电量或日平均发电量的计算是比较复杂的问题，而且仅是平均值概念的计算值。
如果要较为准确的测算出风力发电系统日平均或年平均发电量，则必须要有发电机的功率特性曲线和风速频率分布图才能进行计算。
利用风力发电机组输出功率特性曲线和风轮毂高处不同风速频率分布，可以估算出一台风力发电机在计算期间（年、月、日）的发电总量。
计算中假设风力发电机设备利用率为100%。
具有风频图的风力发电机输出功率计算公式
Q=∑Pv×Tv（1-8）
式中Q—风力发电机在计算期间的发电总量（kW．h）；
Pv—在风速v时风力发电机的输出功率（W）；
Tv——场地风速口的期间累计小时数（h）。
其中：
风力机组在风速v时的实际输出功率公式为:
Pv=（v/vo）3×PO（1-9）
式中Pv—机组实际输出功率，W；vo—额定风速，m/s；v—实际风速，m/s；
Po—机组额定输出功率，W。
风力发电机组一般只有系列值，所以在选用机型时，要根据当地的平均风速和风力发电机组输出功率特性曲线来确定。
例如：
如图1-52是某小型风力发电机的输出功率与风速的关系图。
（1）在风速为12m/s时达到最大输出功率；
（2）在风速为8m/s时输出功率是600W。
（3）根据功率曲线，以5.0m/s的年平均风速，则平均每天的发电量为4.8KWH，平均每月（30天计）的供电量在144KWH，平均每年的供电量在1752KWH。
（4）若该风力发电机按输出功率为500W发电，平均每天工作8h，计算一年（365天）发电量是多少？
（W=Pt=0.5kW×365×8h=1460kW•h）图1-52输出功率与风速的关系图
如果不能得到风速频率分布图，则可用当地的年平均风速进行估算。
用年平均风速值时的发电机输出功率值乘以年度总的小时值8760h，即
Qi=K×8760×Pv（1-10）
式中Qi—年发电量（kW．h）；
Pv—年平均风速值时发电机组输出功率；
K—修正系数，取1.2～1.5。
根据经验，按平均风速计算的发电量小于实际按风速频率分布图计算的年发电量，因此可按一定的比例进行适度修正（修正系数取1.2～1.5）。
（三）风力发电系统设计方法
在风力发电系统中，对方案和成本影响较大的主要因素是风力发电机的容量及蓄电池的配置；采用水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机进行了方案设计，同时考虑连续3天或6天自给天数的情况进行蓄电池配备设计。
1．小型风力发电系统容量选择依据
（1）根据风能资源情况选型
风的动能与风速的立方成正比，对于风力发电机来讲，其输出功率也是与风速的三次方成正比。
这就是说，当风速值有较小的变化时，输出功率将产生较大的变化。
因此选择风力发电机的一个最重要因素是要考虑使其设计风速值适合当地的风能资源，与之达到最大的匹配。
这样，一是可以充分利用当地的风能资源，二是可以充分发挥风力发电机的能量输出，提高利用效益。
例如，在某风能可利用区，每天4m/s的风大约有15h。
一台设计风速为7m/s的100W风力发电机，根据风能公式，计算其日均发电量为
Qw=（v/v0）3×P0×Tv=100×（4/7）3×15=279.75（W.h）
若选择一台设计风速为6m/s的100W风力发电机，根据风能公式，计算其日均发电量为
Qw=（v/v0）3×P0×Tv=100×（4/6）3×15=444（W.h）
从上面的计算可以看出，选择风力发电机的设计风速与当地的风能资源达到最大匹配，可以提高风力发电机的能量输出。
大多数气象部门都建立了风能资源数据库，在选购风力发电机时可向该部门了解有关当地的风能资源资料。
了解当地的年、月、日的平均风速、有效风速值日平均小时数等，就可以利用风能公式估算出所选择的风力发电机组平均年、月、日的发电量，再根据用电需求量确定所选择的风力发电机是否适宜。
这样，就可以选择合适的风力发电机。
年平均风速低，风力2级（风速2.5m/s）以上的地区，可选用小型永磁式风力发电机（垂直轴风力发电机）。
年平均风速高，风力在4～5级（风速6～8m/s）以上的地区，可选用励磁式风力发电机（水平轴风力发电机）。
近年来风力发电机获得了突飞猛进的发展，涌现出了种类繁多的机型。
购买时首先要根据风力发电机的型号，选择适合你的要求的风力发电机，见表1-6。
（2）根据电器负荷选型
一般所选择风力发电机的额定功率应略大于所用电器的总功率，以保证各种电器能正常工作。
一般用电设备按负载分为三大类，即电阻性负载（如灯泡、热水器、电视机）、电容性负载（如交换式电源供应器）及电感性负载（如传动马达、洗衣机、水泵、空调）。
在计算总功率时电阻性负载和电容性负载按实际功率累加，电感性负载按三倍实际功率累加，得到的总功率再乘1.2即为所需风力发电机的功率。
比如1台800W空调+3个60W灯泡+1台200W电视机，所需的风力发电机功率为（800×3+3×60+200）×1.2=3336W。
但如果当地的风力资源较好，或者用电时间短则可以选用更小一点功率的风力发电机，能够提供每日所需总用电量即可。
选择时不可简单地用风力发电机上“铭牌”标定的额定功率值与用电设备标定的额定功率值直接作为选配两者的发电量与耗电量的匹配来作为选择风力发电机的依据，而应以风力发电机在当地风能资源条件下平均日、月、年发电量和用电器平均日、月、年用电量为依据。
由于水平轴风力发电机的启动风速高（小型风机大于或等于3m/s才能启动，3.5m/s的风速才能发电），需较高风速才能发电、能量转化效率低，而垂直轴风力发电机在较低的风速时即可发电满足同样的用电需求，由于使用微摩擦、启动力矩小的磁悬浮轴承．垂直轴风力发电机在1.5m/s的微弱风速下就能启动，2.5m/s的风速就能发电，能效提高约20%，能广泛应用于全国80%的地区，对于同样功率的风力发电机，垂直轴风力发电机费用虽然高于水平轴风力发电机，但其体积、重量和所需运行空间均小于水平轴风力发电机，且具有运行稳定、噪声小、对风速要求低等优点,是今后优先应选用的小型风力发电机。
（3）风力发电机选型注意事项
1）比较风力发电机应在相同风速下比较一年的总发电量。
不同的风力发电机的功率可能标定在不同的额定风速上，比较应在同一风速下进行。
2）可靠性和运行寿命是最重要的指标可靠性第一，价格次之；可靠性高，寿命长。
3）各个风力发电机的性能和控制方法不完全一样，应当选择配套的控制器。
4）询问已经使用过该风机的用户，了解使用情况。
5）尽量选择信誉较好的品牌产品。
6）较好的风机应该无需经常维护保养，能在无人看管的情况下连续运行3~6年。
风机典型的设计寿命为30年。
2．蓄电池与风力发电机的匹配设计方法
小型风力发电机发出的电能首先经过蓄电池贮存起来，然后再由蓄电池向用电器供电。
所以，必须认真科学地考虑，风力发电机功率与蓄电池容量的合理匹配和静风期贮能等问题。
目前，小型风力发电机与蓄电池容量一般都是按照输入和输出相等，或输入大于输出的原则进行匹配的。
蓄电池容量配置的是否合理，直接影响风力发电的各项技术经济指标。
容量选的小了，多风时发出的富余电量得不到充分储存。
容量选的太大，一则增加投资；二则蓄电池可能会长期处于充电不满状态，将会影响蓄电池的效率和使用寿命。
一般常规充电是“两阶段恒电流充电”，此法既不浪费电力，充电时间短，对延长蓄电池使用寿命有利，同时计算蓄电池容量也容易得多。
但风力发电的情况，则不同于常规充电。
由于风速经常变化，电机输出的电流时大时小，时有时无，这样蓄电池充电电流和所需充电时间就很难确定。
针对这种实际情况，我们采用如下两种计算方法来确定配置蓄电池容量。
（1）电量平衡计算法。
所谓电量平衡计算法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。
计算步骤如下（略讲）：
a.根据当地气象部门提供的风速资料，以十天为一时度，逐旬分别统计风机起始工作风速至停机风由范围内的不同风速发生小时数。
b.根据选用的风力发电机的P＝f（V）特性曲线（厂家会提供）和风速资料，计算—台机风机所能发出的电量，并绘出其全年发电量过程曲线。
图1-53风力发电机发电量与用电量曲线示意图
图1-53是根据某地区的风速资料计算绘制的某种型号风机的年发电量过程线。
计算得出该机在当地的风况下，年发电量为276度。
从过程线看出各旬的发电量变化很大，最多的四月下旬为19度，最少的二月下旬仅0.95度、相差近20倍，说明配置蓄电池进行储能调节是必要的。
c．根据用电情况，计算出逐旬的用电量，并给出全年用电量过程线。
附图中b所示。
d．比较发电量和用电量过程线，以发电少于用电差值最大的时段（图中斜线部分）的电量来确定所需蓄电池容量。
图中差值最大的电量为2.3度。
（1）确定蓄电池容量C=△Q/U=2.3KWh×1000/12=192Ah
根据计算结果和蓄电池手册参数资料，可选择12V／48Ah蓄电池或12V/50Ah蓄电池，这里选择12V／50Ah型。
（2）蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压=12/12=1
（3）蓄电池并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量=192/50=3.84=4
所以，可实际选用12伏50安时蓄电池4块，总容量为200安时的蓄电池。
此方法需查询资料，绘图，而且往往结果偏大，尤其在低月份，蓄电池会处于充电不足状态，影响蓄电池寿命，较少采用。
2．经验公式：
在离网环境中风力发电机的应用需要配合蓄电池，蓄电池组的总容量按以下经验公式计算：
蓄电池容量（安时）=负载平均用电量（Ah）×无风天数/标准蓄电池电压×放电率控制系数
蓄电池容量（安时）=负载总功率×日用电小时数×无风天数/标准蓄电池电压×放电率控制系数
Q=P×t×n/U×K（1-11）
式中：
Q——所需配置蓄电池容量（安时）；
p——负载功率（瓦）；
t——日用电小时数；
U——标准蓄电池电压（一般为12伏）；
n——电池储备周期系数；（根据风况而确定，一般取3～8天）
K——放电控制系数、（取0.75～0.8）
例如：
安装一台100瓦机，供3户用电，每户装设12伏15瓦的灯泡2只平均每天照明5小时，计算所需配置的蓄电池容量。
（储备系数取6，放电控制系数取0.8）
解：
（1）负载总功率=3×（15×2）=90W
（2）蓄电池（组）容量=90x6x5/12x0.8=281.25Ah
根据计算结果和蓄电池手册参数资料，可选择12V／48Ah蓄电池或12V/50Ah蓄电池，这里选择12V／48Ah型。
（3）蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压=12/122=1
（4）蓄电池并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量=281.25Ah／48Ah=5.86≈6
故可选用6块l2伏48安时蓄电池，总容量288安时。
确定标准电池时，必须注意：
蓄电油组的容量应能安全接受风力发电机输出的最大电流强度Imax。
同时，要根据自给天数的长短选购蓄电池。
自给天数短的地区，可选择小容量的蓄电池；自给天数长的地区，可选择大容量的蓄电池。
3．控制器与风力发电机的匹配
现在，很多风力发电机将整流设备设置在控制器中，同时控制器具有防止风力发电机向蓄电池过充电和防止蓄电池向用电器过放电等控制功能。
为了保证控制器的运行安全，控制器的相关部分的最大工作功率必须比风力发电机发出的最大功率大20%。
如图1-54所示。
图1-54风能控制器
4．逆变器与发电系统的匹配设计
（1）逆变器与发电系统的匹配要求。
①逆变器的功率大小应能满足用电器的要求。
逆变器的功率是按其最大持续容量标定的。
逆变器一般都具有大电流启动功能，允许其功率在短时间内向上有一定的波动，即存一个峰值功率。
因此，选择逆变器时不仅要看标称功率值，还要看它的峰值功率值，因为很多装有电动机的家用电器的启动功率大大高于它的额定功率。
若配用的逆变器的峰值功率不够，这些电器将无法启动。
②充分发挥逆变器的效率。
根据逆变器的效率曲线，逆变器在越接近最大额定功率处工作，其效率越高，一般可达80%。
因此，所选择的逆变器最好在接近其最大额定功率处工作。
③注意选择逆变器的输出波形。
最好选用输出为正弦波的逆变器。
一般情况下，应考虑负载的特性（阻性负载和感性负载）后再确定逆变器容量。
逆变器容量=阻性负载功率×1.5+感性负载功率
如果电器中有电感性负载，则需要使用正弦波逆变器；如果只有电阻性负载和电容性负载则只配备修正波或方波逆变器即可。
这是因为电感性负载的反电动势是修正波或方波的致命伤，必须使用正弦波。
而电容性负载需要较高的峰值电压来驱动，修正波或方波恰好有高峰值的特性，无须使用正弦波。
如图1-55所示。
图1-55逆变器图1-56泄荷器
（2）逆变器使用时注意事项。
①直流输入电源的正、负极性不能接反，若将极性接反，这时逆变器“防接反保护”起作用，逆变器不工作。
②在正常工作的前提下，逆变器的输出电压应与负载所需额定电压相符。
③逆变电源直流供电系统的电压应稳定在一定范围内，若直流电压过低，逆变器保护功能启动，将使逆变器停止工作；直流电压过高，经逆变器逆变后输出的交流电压将增高，有可能将用电设备损坏，此时逆变器保护功能启动，停止工作。
④使用负载的功率应小于逆变器的功率，这样可保证逆变器工作安全，当负载的功率超过一定值时，逆变器保护功能启动，逆变器停止工作。
⑤逆变器应放置在通风干燥处，应与蓄电池隔离放置，以免逆变器的元器件被腐蚀。
5.泄荷器与风力发电机的匹配
当蓄电池充满后，为防止蓄电池过充电和保护发电系统其他设备的安全，这时风力发电机通过控制器停止向蓄电池充电。
为了保护风力发电机平稳运行，控制器自动将风力发电机的输出切换到泄荷器上，因此，为了保证泄荷器的可靠运行，我们配置泄荷器时，其功率要大于风力发电机最大功率的20%。
如图1-56所示。
总之，小型风力发电机组的选用，应对不同的地区、不同的用电要求有不同的选用条件。
主要要做到：
（1）选用的风力发电机要适于当地的风能资源
（2）选用的风力发电机要适于用户的用电需求
（3）选用的风力发电机要与用电量、蓄电池容量相匹配
三、项目实施：
（一）用电量10kWh的小型独立运行的风力发电系统应用设计实例及配置方案
图1-57户用型风力发电图
1．设计目标：
（1）设计参考依据：
年平均风速4m/s以上，有效风能密度为200～300W/m2,，风速大于3米每秒的全年累积小时数在5000小时以上，则平均有效利用时间为12h/d；
（2）可靠性：
系统在连续没有风、没有太阳能补充能量的情况下能正常供电3天。
表1-15系统供电负荷表
用电器
额定功率（W）
数量
用电时数（h）
用电量（KWh）
照明灯具
40
15
5
3
24寸液晶电视
32
3
5
0.48
电风扇
44
6
5
1.32
冰箱
120
3
3
其他
2.2
合计
10
2．负载用电量计算
设备日用电量计算Qi=Pi×Ti=40×15×3=3KW.h；
Q2=32×3×5=0.483KW.h
Q3=44×6×5=1.32KW.h
......
式中Qi——日用电量；
Pi——设备额定功率；
Ti——日用电小时数。
系统总用电量估算QL=Q1+Q2+Q3+...=10KW.h
3．风力发电机的功率（容量）测算：
估算风力发电机功率P=QL×1.4/t=10×1.4/12=1.17KW.h
则可假定选用额定功率为2KW风力，额定风速为8m/s的风力发电机。
则平均风速时发电机输出的功率Pv=（v/vo）3×PO=0.37（kW）
4．风力发电机的选用
年发电量Qi=K×8760×Pv=1.2×8760×0.37=3903（kW．h）
日发电量Q=3903/365=10.69>10（kW．h）
式中Qi——年发电量（kW．h）；
Pv——年平均风速值时发电机组输出功率；
K——修正系数，取1.2～1.5。
即风力发电机组每天大约发电10.69kW.h，超过负荷日总耗电量10kW.h，满足用电要求。
选择FD-2KW水平轴可选用励磁式风力发电机
5．蓄电池的选用
已知负载的每天用电量为10kwh，自给天数3天，假定系统直流电压系为48V，（储备系数取3，放电控制系数取0.5）.则蓄电池容量：
（1）Q=P×t×n/U×K=10000×3/48×0.5=1250A.h
可选用12V,650Ah铅酸蓄电池。
（2）蓄电池串联数=48V／12V=4
（3）蓄电池并联数=1250Ah／650Ah=2
（4）蓄电池组总块数=4×2=8
根据以上计算结果，共需要2V／650Ah蓄电池8块构成蓄电池组，其中每4块串联后再并联使用。
6．逆变器和控制器的选型
根据负载需要，逆变器容量应大于或等于总用电功率，一般情况下，应考虑负载的特性（阻性负载和感性负载），后再确定逆变器容量。
逆变器容量=阻性负载功率×1.5+感性负载功率×（3～5）
=700×1.5+650×4=7850（W）
因此可选用9～10kVA的正弦波逆变器。
可选用保护功能齐全的10kW控制器。
7．配置方案
表1-16配置方案
部件
型号及规格
数量
备注
水平轴风力发电机
FD-2KW/220V
1台
蓄电池
12V/650A.h
8只
铅酸阀控电池
控制逆变器
10W/48V
1台
正弦波
控制箱
1个
定做
（三）用电量20KWh风力发电系统应用设计实例及配置方案
风力发电系统的设计，首先是计算负荷用电量，其次是计算蓄电池组容量，最后确定风力发电机组等设备的选型。
以下以设计一个利用风力发电机组获得电能、采用蓄电池组储存电能、通过逆变器实现输出供电的独立型风力发电系统为例，介绍如何进行容量计算与设备选型。
（1）设计目标
20户家庭供电，每户平均耗电200W，平均每天使用5h。
（储备系数取6，放电控制系数取0.8）
（2）风力资源情况（系统所在地）
风速v1>6m/s，为7h/d；风速v2>9m/s，为2.5h/d。
（3）系统组成
风力发
升级会员 