风力发电原理

速,使叶尖速比λ不变,直到转速达到极限;② 转速达
到极限后,风速进一步加大时,按恒定转速控制风力 机运行,直到输出最大功率,此时的风能Cp不一定
是最大值;③ 超过额定风速时,输出功率达到极限,按
恒功率输出调节风力机。
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（五）风的能量与测量
产生能量的基本要素: 风具有一定的质量
和速度。
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Ф型风力机图
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（二）风力发电系统
从外部看,整个风力发电机组看 上去只有三个主要部分:风轮、
机舱和塔架。 发电机、传动系统、控制系统等
都集成在机舱内。 机舱除了承担容纳所有机械部件
的功能,还起到承受所有外力 （ 包括静负载及动负载）的作
控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制系统
等等,其中两个核心问题是:风能的最大捕获以提高
风能转换效率以及改善电能质量问题。由风力机最
大风能捕获的运行原理可知,若风速越高,则与之相
对应的风力机转速越高。但受风电机组转速极限、
2021功/3/23率极限等限制,风力机转速不可能太高。
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■ 因此,为实现最大风能捕获,风力机有三种典型的运 行状态:① 低风速段实行变速运行,可保持一个恒定 的风能利用系数Cp值,根据风速变化控制风力机转
■ 风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比 ■ 风能还受气压及温度的影响（大约10-15%） ■ 风能还与叶轮扫略面积成正比
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2、风力机的主要特性系数
1）功率系数（Cp） 描述风机将风能转换
为机械能的效率
2）叶尖速比 为了表示风轮在不同风 速中的状态,用叶片圆周 速度与风速比来衡量,称
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偏导航系统的作用
■ 偏航系统的主要作用有两个: 1)与风力发电机组的控制系统相互配合,使风发电机 组的风轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高风 力发电机组的发电效率; 2)提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安 全运行。
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（四）发电机
■ 发电机的作用,是利用电磁感应现象把由风轮输出 的机械能转变为电能。
将风能转换为机械能。 由于风力发电机的理论基础也 是空气动力学,故其叶片形状与 机翼很相似。风经过水平轴风力 发电机的叶片时由于叶片与风有 一个夹角,风在叶片上形成升力, 风力发电机就是依靠叶片上的升 力把风能转换为旋转的机械能, 从而带动发电机进行发电的。
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2、塔架
■ 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量,还要承受 吹向风力机和塔架的风压,以及风力机运行中的动 载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。水 平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架 型两类。
■ 一般圆柱形塔架对风的阻力较小,特别是对于下风 向风力机,产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁 架式塔架常用于中小型风力机上,其优点是造价不 高,运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的 叶片产生很大的紊流。
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管柱型和桁架型如图:
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3、机舱
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■ 齿轮箱的主要功能就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转速。齿轮 箱 对于大型风力发电机,由于限制其转速,传动装置 的增速比一般为40—50。 这样,可以降低发电机重 量,从而降低成本。
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5、偏航系统
用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方 向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气 流方向垂直时,也即是迎着风向时,风力机从流动的 空气中获取的能量最大,因而风力机的输出功率最 大,所以调向机构又称为迎风机构(通称偏航系统)。 整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统 和扭缆保护装置等部分组成。
风并非 " 推 " 动风轮叶片,而是吹过叶片形成叶 片正反面的压差,这种压差会产生升力,令风轮旋转并 不断横切风流 。
■ 依据目前的风车技术,大约是每秒三公尺的微 风速度（微风的程度）,便可以开始发电。风 力发电正在世界上形成一股热潮,为风力 发 电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气 污 染。
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风机控制方式及内容
■ 一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮 箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、 停车制动器、控制系统等构成,为使风力机组能够 稳定运行,必须对其进行有效的控制。考虑到风力 发电机组的特殊性,按重要性的顺序,控制器应依次 满足以下要求: 1 风能转换系统是稳定的; 2 运行过程中,在各种不确定的的因素如阵风、 剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性; 3 控制代价小,即对不同输入信号的幅值有一定 限制,如调向的时间等;
4、发电机定子直接与电网连接,启动时产生很大启动
电流,其配置启动装置。
5、从系统吸收大量无功,需配置无功补偿装置。
结构简单,控制方便。
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2、双馈式异步风力发电机组
技术特点:
1、叶轮转速较低,一般为每分钟十几转,
需要齿轮箱增速;
2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构
2021/3/23与电力电子换流装置连接;
4 从桨叶和形式上分,有螺旋桨式、H型、S 型等;
5 按桨叶的工作原理分,则有升力型和阻力型 的区别。
6 以风力机的容量分,则有微型(1kW以下)、 小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型 (100kw以上)机。
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1、风力机的主要技术指标参数
① 风轮直径,通常风力机的功率越大,直径越大; ② 叶片数目,高速发电用风力机为2—4片,低速
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4 最大限度地将风能转换为电能,即在额定风速以下, 可能使发电机在每一种风速时,输出的电功率达到最大, 额定风速以上时则保持输出电功率为常量; 5 风力发电机输出的电功率保持恒压恒频,有较高的 电能品质质量。
■ 风力发电机组控制目标有很多项,控制方法多种多样,
按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网
叶尖速比
风中的能量无法全部被风机 转换,其理论最高限度Cp （max）=0.593,通常被称 为贝茨因数。
其中:R 叶轮的半径, n 叶轮的机械转的圈数, V 作用于风力机的迎面风速 。
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3、叶尖速比的影响
风能利用系数Cp 与风力机叶尖速比
λ的对应关系:
用。 机舱底盘和塔架之间有回转体,
使机舱可水平转动。
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机组的总体结构
机组的总体结构图:
风轮
风
增速器
发电机
主继电器
电网
主开关
变压器
变桨
转速
熔断器
晶闸管
并网
功率
无功补偿
风
控制系统
风速
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（三）风力发电机主要组成部分介绍
1、风轮
风力机区别于其他机械的最主 要特征就是风轮。风轮一般由2～ 3个叶片和轮毂所组成,其功能是
5、直接与电网连接,由于转子电流可控,因此可以实 现风力发电机平滑并网。
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3、直驱式同步风力发电机组
技术特点:
1 叶轮转速较低,一般为每分钟十几转,转子绕
组通过增加极对数来降低同步转速,从而避免了
齿轮箱损耗;
2 同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永磁
体励磁方式,由于转子极对数较多,电机外尺寸较
风力机大干4片;
③ 叶片材料,现代常采用高强度低密度的复合
材料;
④ 风能利用系数,一般为0.15—0.5之间;
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⑤ 启动风速,一般为3—5m/s; ⑤ 停机风速,通常为15—35m／s; ⑤ 输出功率,现代风力机一般为几百干瓦
—几兆瓦;
⑤ 发电机,分为直流发电机和交流发电机; ⑤ 另外还有塔架高度等等。
大且较重,不方便运输和吊装。
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以上风电机组优缺点比较表
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双馈、永磁和直流励磁 风力发电机外观图
双馈风力发电机 外观特点:机舱细长
直驱永磁风力发电机 外观特点:机舱短粗
直流励磁风力发电机 外观特点:机舱臃肿
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（四）控制系统主要功能
1 按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风力 发电机组,并通过软启动装置将异步发电机并人电网。
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水平轴力风机图
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3、垂直轴风力机
特点:凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机 叫垂直抽风力机。
形式有:如s型、H型、Ф型等。
应用:虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化, 但是它有许多特点,如不需大型塔架、发电 机可安装在地面上、维修方便及叶片制造 简便等,研究日趋增多,各种形式不断出现。 各种形式的垂直轴风力机。
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4、齿轮箱
■ 对于容量较大的风电机组,因风轮转速很低,远达不 到发电机发电的要求,往往通过齿轮箱的增速作用 来实现。而并网运行的发电机必须要求再同步转速 左右才能运行,故风力发电机组一般都在主轴与发 电机之间安装有增速传动机构。风力机的传动机构 一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动 器等。 风力发电机组中的齿轮箱也称为增速箱。
2 借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状 态,包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发 电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电 流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。
3 当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实现 自动停机。
4 故障保护。
5 通过光缆或电话线互相连接。
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（一）风力发电设备
组成:风力发电机组包括两大部分; 一部分是风力机,由它将风能转换为机械能; 另一部分是发电机,由它将机械能转换为电能。
分类: 1 根据它收集风能的结构形式及在空间的布置,可
分为水平轴式或垂直轴式。 2 从塔架位置上,分为上风式和下风式;
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3 还可以按桨叶数量,分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式。
风能的一些主要特性参数:如风能、风能密
度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。
1 风能:空气运动产生的动能称为“风能”。 2 风能密度:单位时间内通过单位截面积的风
能。
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3 风速与风级:风速就是空气在单位时间内移动的
距离,国际上的单位是米／秒(m/s)或千米／小时 (km／h)。分13级
4 风向与风频:通常把风吹来的地平方向定为风的
方向,即风向。风频是指风向的频率,即在一定时间 内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百 分 比,
5）风的测量:风的测量仪器主要有风向器、杯形
风速器和三杯轻便风向风速表等。
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1、风中的能量
风中蕴含的能量是动能,故
P=1/2ρAV3
■ 可用风能与风速的立方成正比,风速的轻微增加会 导致功率的显著增加
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2、水平轴力风机
特点:风力机的风轮轴与地面呈水平状态,称水平轴风 力机。
组成:它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、发 电机和塔架等部件组成,大中型风力机还有自动控 制系统。
应用:这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦,是日前 最具有实际开发价值的风力机:
■ 类型:有传统风车、低速风力机及高速风力机
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3、通过电力电子换流装置的控制作用,可以调节控 制发电机转子电流和电磁转矩,从而使转子转速可 随风速的变化而改变,使风力发电系统获得最大风 能捕获效率,风能利用率高;
4、在低风速时,发电机转子低于同步速运行,发电机 转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率;在高 风速时,发电机转子高于同步速运行,发电机转子绕 组向换流器输出励磁功率;
风力发电原理
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■ 风力发电的原理:是利用 风力带动风车叶片旋转, 再透过增速机将旋转的 速度提升,来促使发电机 发电。简单的说风力发 电就是将风能转换为机 械能进而将机械能再转 换为电能的过程。
■ 现代风力发电机采用空 气动力学原 理 ,就像飞 机的机翼一样。
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■ 发电机有基本类型:
普通异步风力发电机组
双馈异步风力发电机组
直驱式同步风力发电机组（含永磁发电机和直流 励磁发电机） 混合式风力发电机组

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1、普通异步风力发电机组
技术特点:
1、叶轮转速较低,一般为每分钟十几转,需要齿轮箱 增速, 转子绕组短路,结构一般为鼠笼结构;
2、转子转速固定,风能利用率低,其转速由齿轮箱传 动比和发电机极对数决定; 3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行;