风力发电原理(控制)
风力发电原理(控制)
机械能转换：机械能通过发电 机转化为电能
电压与电流控制：通过控制系 统调节电压和电流使其稳定并 输送到电网
并网发电：与电网并联运行实 现风能的高效利用
风力发电机组的组成
风轮：捕获风能 并将其转换为机 械能
传动系统：将风 轮的机械能传递 到发电机
发电机：将机械 能转换为电能
风力发电机组控制技术在节能减排中的应用
风力发电机组控制技术简介
节能减排的意义和重要性
风力发电机组控制技术在节能 减排中的应用方式
风力发电机组控制技术在节能 减排中的优势和效果
风力发电机组控制技术在智能电网中的应用
风力发电机组控制 技术：通过控制风 力发电机组的功率 和转速实现风能的 最大化利用
智能电网：利用先 进的信息技术和通 信技术实现对电网 的智能化管理和调 度
风力发电机组控制技术在可再生能源利用中的应 用
风力发电机组控制技术：通过控制技术实现风能的最大化利用提高发电 效率
可再生能源：风能、太阳能等可再生能源具有清洁、可持续的优点
应用场景：风力发电机组控制技术在可再生能源利用中具有广泛的应用 场景如风力发电、太阳能光伏发电等
未来发展：随着能源结构的转型和环保意识的提高可再生能源利用将越 来越受到重视风力发电机组控制技术也将迎来更广阔的发展前景
Prt Three
第四、五章 风力发电机原理与控制 风力发电原理课件
升力型风力机工作原理
36
1.垂直轴风力机的类型
右图表示的是垂直轴风力机某一叶片的叶素在 某一位置时的气动力分析 。作用在叶片上的气动力在 翼弦垂直方向的分量dN以及在与翼弦平行方向的分量 dT为：
CpmaxCd2 3212 3247Cd
若 Cd 1.3 则它可能达到的最大功率系数为
5.2
CPmax 27 0.193
33
1.垂直轴风力机的类型
• 升力型垂直轴风力机 ： 主要指法国的科学家达里厄发明的达里 厄式风轮。风轮由固定的数枚叶片组成， 绕垂直轴旋转。
34
1.垂直轴风力机的类型
达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种，叶片的翼 形剖面多为对称翼形，其中以H型和Φ型风力机组最为典型。
第四、五章 风力发电机原理与控制
1
内容
• 1.同步发电机 • 2.双馈发电机 • 3.机组控制系统
2
1.同步发电机
• 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同 步发电机。同步发电机主要包括定子和转子两 部分。定子是同步电机产生感应电动势的部件， 由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑及固定作 用的机座组成。转子的作用是产生一个强磁场， 并且可以由励磁绕组进行调节，主要包括转子 铁心、励磁绕组、滑环等。同步发电机的励磁 系统一般分为两类，一类用直流发电机作为励 磁电源的直流励磁系统，另一类用整流装置将 交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。
风力发电原理(控制)
风力发电原理(控制)
一、风力发电的基本原理
风力发电是指利用风能转换成电力的一种清洁能源，其基本原理是将风能转化
为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。因此，风力发电系统主要包括风能转化系统和发电系统两大部分。
风能转化系统
风能转化系统一般由风轮、变桨机构和转速限制器组成。具体来说，风轮是通
过风能驱动旋转，变桨机构可以改变风轮叶片的角度以便控制风轮的旋转速度和转向，而转速限制器则可以限制风轮的旋转速度，以防风轮过快损坏风力发电系统。
发电系统
发电系统由发电机、变流器和电子控制系统组成。发电机将机械能转化为电能
并输出到电网中，变流器则将交流电转化为直流电，并控制电能输出的电压和频率。电子控制系统则可以实现对风力发电系统的监控和维护。
二、风力发电的控制
风力发电系统的控制方案主要分为以下几种：
1. 恒功率控制
恒功率控制是指在风速超过额定风速时，通过调节风轮的旋转速度来控制风力
发电系统的输出功率，以便让发电机输出恒定的电功率。这种控制方式可以保证风力发电系统的稳定运行，但是当风速超过一定限制时，风轮的旋转速度会超过允许范围，从而导致发电系统的停机或受损。
2. 变桨控制
变桨控制是指通过改变风轮叶片的角度来控制风力发电系统的输出功率。当风
速超过额定风速时，风力发电系统会自动调节叶片角度，以减小叶片受到的风力，从而控制风力发电系统的输出功率。这种控制方式可以确保风力发电系统的安全运行，但是其控制精度相对较低，且需要涉及到大量的机械运动部件，容易受到外部环境的影响。
3. 惯性控制
惯性控制是指通过测量风轮旋转速度和转向来控制发电机的输出功率。当风速
风力发电机原理与机组控制
风力发电机原理与机组控制
风力发电机是一种将风能转换为电能的设备，其基本原理是利用风力驱动风轮旋转，通过传动系统将旋转的机械能传递给发电机，最终产生电能。
风力发电机主要由叶片、轮毂、传动系统、发电机、控制系统等组成。叶片是风力发电机的关键部件，其形状和材料会影响到风力发电机的效率和性能。轮毂是连接叶片和传动系统的部件，传动系统包括齿轮箱和联轴器等，用于将叶片旋转的机械能传递给发电机。发电机则是将机械能转换为电能的核心部件。
风力发电机组的控制主要包括对风轮转速、发电机输出功率和机组运行状态的控制。控制系统的核心是控制器，其通过传感器和执行器等部件，对风轮转速、发电机输出功率和机组运行状态进行实时监测和控制。
控制风力发电机组的目的是在保证发电机组安全运行的前提下，实现对发电机组输出功率的优化控制，从而提高发电效率和可靠性。为此，控制器需要对风速、风向、叶片角度、发电机转速和输出功率等参数进行实时监测和控制。
总之，风力发电机组的控制是一项复杂的技术，需要对风力发电机的工作原理和控制系统有深入的了解和掌握。
风力发电的工作原理
风力发电的工作原理
风力发电的工作原理是利用风的动能转换成机械能来驱动发电机发电。具体步骤如下：
1. 风轮转动: 当风吹过风轮时，风的动能被转化为风轮上的机械能。风轮通常由数个叶片组成，设计成扇形或空心圆柱体，以捕捉风的动力。
2. 转轴带动发电机: 风轮通过转轴将机械能传递给发电机。转轴与发电机之间通常通过一个传动系统（如齿轮）相连接，以提高转速和转矩的适应性。
3. 发电机发电: 发电机利用机械能转换为电能。一般来说，发电机内部有一个旋转的磁场，其与定子上的线圈感应产生电磁感应，从而产生交流电。
4. 输电和储存: 发电机产生的电能会经由输电线路传输到变电站，经过适当的处理后再投入到电力网络中供人们使用。时常也会将一部分电能储存起来，以备不时之需。
总的来说，风力发电是一种利用风能转换为电能的可再生能源，具有环保、可持续发展的特点。
风力发电控制器的原理
风力发电控制器的原理
1. 引言
风力发电是一种可再生能源，风力发电控制器是风力发电系统中的一个关键部件。它的主要功能是保证风力发电机在恰当的风速下运行，以产生最大的输出功率，并保护风力发电机免受恶劣天气和不良运行状态的影响。本文将介绍风力发电控制器的基本原理。
2. 风力发电控制器的主要组成部分
风力发电控制器通常由以下几个组成部分构成：
•风速传感器：用于监测风速并将信号传递给控制器；
•风向传感器：用于监测风向并将信号传递给控制器；
•控制器：用于控制风力发电机的运行状态；
•电池组：用于储存风力发电机产生的电能；
•逆变器：用于将直流电转换为交流电以供使用。
以上组成部分将在下文中详细介绍。
3. 风力发电控制器的工作原理
风力发电控制器是通过检测风速和风向来控制风力发电机的运行状态。如果风
速过低或过高，控制器将采取措施使风力发电机停止运行或降低转速，以避免损坏装置。控制器还会监测发电机的输出电压和输出电流，并采取相应的措施来保护发电机免受不良运行状态的影响。
以下是风力发电控制器的工作流程：
1.风速传感器检测风速，并将信号传递给控制器；
2.风向传感器检测风向，并将信号传递给控制器；
3.控制器根据风速和风向的信号控制风力发电机的转速；
4.发电机的输出电压和输出电流被监测，以确保发电机在正常工作状态
下；
5.发电机产生的电能被传送到电池组中进行储存；
6.逆变器将储存的直流电转换为交流电，以供使用。
4. 风力发电控制器的优缺点
风力发电控制器的优点包括：
•使发电机能够在不同的风速和风向下正常工作；
•保护风力发电机免受恶劣天气和不良运行状态的影响；
风力发电系统原理
风力发电系统原理
风力发电系统是一种利用风能进行发电的系统，其主要原理是通过风车将风能转换成机械能，再通过发电机将机械能转换成电能。
风力发电系统主要由风轮、发电机、变频器、控制系统和塔架等部分组成。风轮是系统中最重要的部分，一般分为水平轴和垂直轴两种类型。水平轴风轮与地面平行，风向变化时需要通过叶片调整角度；垂直轴风轮则与地面垂直，可以自动适应风向变化。风轮将风能转化成机械能后，通过轴传递给发电机，使发电机转动产生电能。
变频器的作用是将变化的风能转化成稳定的电能，控制系统可以监测风速、转速和功率等参数，并根据实时情况调整风轮叶片的角度和发电机的输出功率。塔架则起到支撑整个系统的作用。
风力发电系统的优点在于可再生、清洁、零污染，同时具有较高的可靠性和安全性。不过由于其发电量与风速的关系密切，需要选择适合的地点和设计合理的风轮，才能发挥最大的效益。
- 1 -
风力发电机组工作原理
风力发电机组工作原理
风力发电机组是一种利用风力转动风轮产生机械能，再通过发电机将机械能转换为电能的设备。工作原理主要包括风能捕捉、传动装置和发电机转换三个方面。下面将从这三个方面分别详细介绍风力发电机组的工作原理。
一、风能捕捉
风力发电机组的核心部件是风轮（也叫叶轮、叶片）。当风力吹来时，风轮就会受到风的冲击而转动，将风的动能转化为风轮的动能。风轮一般有三个或更多的叶片，叶片的形状和角度经过精确设计，既能捕捉更多的风能，又能降低空气阻力。此外，风轮的尺寸也会根据需要进行选择，一般情况下，风轮的直径越大，捕捉到的风能就越多。
二、传动装置
传动装置是将风轮转动的动能传递到发电机的装置。一般情况下，传动装置由齿轮箱、轴和传动皮带或链条组成。风轮转动时，通过齿轮箱将旋转速度提高，然后将动能传递给发电机。传动装置的设计需要考虑传递效率和稳定性两方面的因素，以确保风能的转换效率和运行的稳定性。
三、发电机转换
发电机是风力发电机组的核心组件之一，它将机械能转化为电能。发电机通常由转子和定子组成。转子由风轮的动能驱动旋
转，而定子上则有线圈，当转子旋转时，会在定子线圈上产生感应电流。通过定子线圈上的电流，我们就能够获取到发电机输出的电能。发电机的设计需要考虑转速、输出功率和效率等多个因素，以便确保所需的电能输出能够满足使用需求。
总之，风力发电机组的工作原理主要包括风能捕捉、传动装置和发电机转换三个方面。通过风轮将风能转化为机械能，再通过传动装置将机械能传递给发电机进行电能转换。风力发电机组的工作原理简单明了，但其实际应用过程中还需要考虑风速、风向、系统控制和安全等多个因素，以确保风力发电机组的稳定运行和高效发电。
风力发电的原理
风力发电的原理
风力发电是一种利用风能转化为电能的可再生能源发电方式。风力发电的原理是基于风能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能的过程。接下来将详细介绍风力发电的原理和工作过程。
风力发电的原理
1. 风能转化为机械能
风力发电机是利用风的动能来带动叶轮旋转，在叶轮上安装了许多叶片，利用气流的动能使叶片转动。当风力作用在叶片上时，叶片受到推力，转动带动叶轮旋转。风能转化为叶片旋转的机械能。
2. 机械能转化为电能
风力发电机内部有一台发电机，当叶轮转动时，通过传动装置将机械能转化为发电机的转动，发电机转动时可产生感应电动势，从而生成电能。这些电能经过电缆输送到电网供给社会使用。
3. 风力发电系统
风力发电系统不仅包括风力发电机，还包括塔架、控制系统、逆变器等设备。塔架通常是用来支撑叶轮的，控制系统用来监控风速和发电机转速，逆变器用来将发电机产生的电能转换成交流电并输送到电网。
风力发电的工作过程
1.风力发电机根据环境中的风速自动启动，叶片开始转动。
2.风力作用在叶片上，带动叶轮旋转，机械能得以产生。
3.机械能通过传动系统转化为发电机的转速。
4.发电机内部产生感应电动势，生成电能输出。
5.逆变器将发电机产生的直流电转换为交流电，输送到电网供电。
风力发电是一种清洁、环保的能源，在全球范围内得到了广泛应用。随着技术的发展，风力发电将成为未来可再生能源领域的主要发展方向。
以上就是关于风力发电的原理和工作过程的详细介绍，希望能够帮助读者更好地理解风力发电的工作原理。
风力发电机的工作原理
风力发电机的工作原理
风力发电机是一种利用风能转化为电能的装置。它的主要工作原理是利用风的动能驱动发电机转动，将机械能转化为电能。
风力发电机通常由风轮、发电机和塔架组成。风轮是发电机的核心部件，它由数个叶片组成，可以根据风速的大小旋转。当风速增大时，风轮的转速也相应增加。
当风轮旋转时，风轮上的叶片与空气碰撞，这样风力就会转化为机械能。机械能经过传动系统传递到发电机上，使发电机转动。发电机内部的磁场和线圈之间的相互作用，产生了感应电动势，进而将机械能转化为电能。
发电机产生的电能会通过电缆输送到电网中，供人们使用。通常情况下，风力发电机不会直接将电能存储，而是即时地将其注入电网。
为确保风力发电机能始终正常工作，需要有风速传感器和控制系统进行监测和控制。当风速过大或过小时，系统会自动调节叶片的角度，以保证风力发电机的工作效率和稳定性。
总之，风力发电机利用风的动能转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能。这种以风为动力的可再生能源技术，具有环保、可持续等优点，并且已经在全球范围内广泛应用。
风力发电工作原理
风力发电工作原理
风力发电是一种利用风能将其转化为电能的可再生能源技术。它是
一种环保、清洁、可持续的能源解决方案。风力发电工作原理是基于
风能驱动风车叶片旋转，通过转子与发电机的联动，将机械能转化为
电能。本文将详细介绍风力发电的工作原理和发电过程。
一、风力发电机组结构
风力发电机组主要由风轮、变速器、发电机和控制系统等组成。其中，风轮是实现风能转化的关键部件，它由数个风车叶片组成，并通
过轴连接转子。变速器的作用是调节转子旋转速度，使其与发电机匹配。发电机将旋转的机械能转化为电能，并输出给电力系统。控制系
统对风力发电机组的运行进行监测和控制，确保其正常、高效地发电。
二、风力发电的工作原理是通过风轮叶片的旋转将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。具体而言，风轮受到风的作用，风轮叶片随之旋转。当风速较小时，叶片旋转相对较慢，风速较
大时，叶片旋转速度较快。这时，通过风轮轴，风轮叶片上的转子带
动转子转动。转子与发电机的转子相连，机械能通过转子传递给发电机。
发电机是由的永磁体和线圈组成的。当转子旋转时，通过磁力作用，转子上的磁场将永磁体上的磁场感应出电流。这样，旋转的机械能转
化为电能，经过发电机的输出，最终供应给电力系统。
在实际的风力发电系统中，为了提高系统效率，常常采用变速器调
节发电机转速。当风速较小时，通过变速器将转子转速调低，使得其
与发电机之间转速匹配。同样地，当风速较大时，通过变速器将转速
调高，确保系统的安全运行。
风力发电工作原理简而言之，就是将风能转化为机械能，再将机械
能转化为电能。而实际工作过程中，还需要通过变速器和控制系统的
风力发电的原理
风力发电的原理
在如今这个追求清洁能源的时代，风力发电作为一种重要的可再生能源技术，正逐渐走进我们的生活。你可能在广袤的平原上、起伏的山脉间或是辽阔的海岸边见过那一排排高耸的风力发电机，它们像巨大的白色风车，优雅地转动着，将风的力量转化为电能。那么，你是否好奇风力发电背后的原理究竟是什么呢？
要理解风力发电的原理，首先得从风的形成说起。简单来说，风是由于太阳照射地球表面不均匀，导致不同地区的温度差异，从而引起大气的流动。当风流动时，它就携带着能量。
风力发电的核心设备就是风力发电机。风力发电机主要由叶片、轮毂、机舱、塔筒和基础等部分组成。其中，叶片是最为关键的部件之一。
叶片的设计就像是飞机的机翼，但形状和功能略有不同。当风吹过叶片时，由于叶片特殊的形状和角度，会在叶片的上下表面产生压力差。就好比飞机机翼上表面的气流速度快，压力小；下表面的气流速度慢，压力大，从而产生升力。在风力发电机的叶片上，这种压力差会产生推动叶片旋转的力，这就是所谓的升力。
随着叶片的旋转，这个旋转的机械能通过轮毂传递到机舱内部的增速齿轮箱。增速齿轮箱的作用是将叶片相对较慢的旋转速度提高，以达到发电机所需的转速。
接下来就是发电机发挥作用的时候了。发电机通常是基于电磁感应
原理工作的。当导体在磁场中做切割磁感线运动时，就会在导体中产
生感应电动势。在发电机中，通过旋转的磁场和固定的导体，或者旋
转的导体和固定的磁场相互作用，从而产生电能。
为了让整个风力发电系统稳定运行，还需要一系列的控制系统和辅
助设备。比如，风向传感器会检测风向，然后通过偏航系统调整风力
风力发电原理(控制)
第一章 绪 论
一、机组的总体结构
风轮 增速器 发电机
电网
主继电器
风
主开关
熔断器
变压器
转速
晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统
无功补偿
•定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 •变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 •设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。 •采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 •含微处理器的控制系统。
North China Electric Power University
第二章 风力机控制 一、1、风力机能量转换过程
气流动能为
E
1 2 mv 2
m 空气质量，v 气流速度
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E
1 Sv 3 2
第三章 定桨距风力发电机组 一、定桨距风力发电机组的特点
1、风轮结构 主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。 脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度， 2、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角β不变，风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分 功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。 3、叶尖扰流器 叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时 液压控制指令将扰流器释放并旋转80o~90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。 空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。 4、双速发电机
风力发电原理(控制)教学课件
风力发电系统的并网技术
1 2 3
并网方式
风力发电系统可以通过多种方式并入电网，如直 接并网、降压运行、准同期并网等。
并网设备
风力发电系统需要配备相应的并网设备，如并网 开关、无功补偿装置等，以确保并网过程的稳定 性和安全性。
并网控制策略
为了实现风力发电系统的稳定并网，需要制定相 应的控制策略，如电压控制、频率控制、无功功 率控制等。
现代控制技术的应用
01
现代控制技术广泛应用于工业、农业、军事、航空航天等领域
。
控制系统的发展趋势
02
随着科技的不断进步，控制系统正朝着智能化、网络化、自适
应和鲁棒性等方向发展。
控制系统的未来展望
03
未来，控制系统将更加注重环保、节能和可持续发展，为人类
创造更加美好的生活和工作环境。
04
CATALOGUE
利用风能和太阳能的互补性，合理配置风光发电机组，提高能源 利用效率和可靠性。
多能互补
结合风能、太阳能、水能等多种可再生能源，构建多能互补发电 系统，实现能源的多元化和稳定性。
区域能源互联
加强区域内的能源互联互通，优化能源资源配置，提高可再生能 源的消纳能力和能源利用效率。
06
CATALOGUE
风力发电的未来展望与研究方向
电能产生
风力发电机组的工作原理及主要组成部分
风力发电机组的工作原理及主要组成部分
风力发电机组的工作原理是利用风能驱动风轮旋转，然后通过传动装置将旋转的能量转化为电能。主要组成部分主要包括风轮、发电机、传动装置和控制系统。
1. 风轮：风力发电机组的核心部件，通常由多个叶片组成。风轮受到风力的作用而旋转，将风能转换为机械能。
2. 发电机：将风轮转动产生的机械能转化为电能。风力发电机组通常采用同步发电机或异步发电机来发电。这些发电机通过转子磁场的旋转产生感应电动势，然后将其输出为交流电。
3. 传动装置：将风轮转动的机械能传递给发电机。通常会采用齿轮或链条传动来实现转速的传递和适应风速的变化。
4. 控制系统：监控风力发电机组的运行状态和风速变化，并根据实际情况调整发电机的负载和转速。控制系统还包括机舱内的传感器、仪表和自动控制装置，用于确保风力发电机组的安全和高效运行。
风力发电机组的工作原理是通过将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的过程，利用的是自然界的可再生能源，具有环保和可持续发展的特点。
风力发电组成及原理
风力发电组成及原理
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1. 前言
本文将介绍风力发电的组成和原理。风力发电是一种可再生能源的发电方式，利用风能转化为电能。它具有环保、可持续和减少碳排放的优点，因此在能源领域得到越来越广泛的应用。
2. 风力发电组成
风力发电主要由以下几个组成部分构成：
2.1 风机
风机是风力发电系统的核心部件，通常由风轮、主轴、发电机和控制系统组成。它的主要功能是将风能转化为机械能。
2.2 塔筒
塔筒是支撑风机的结构，通常由混凝土或钢材制成。它的高度
往往决定着风机所能捕捉到的风能的多少。
2.3 基础
基础是承载整个风力发电系统的结构，既可以是混凝土基础，
也可以是钢材基础。它的稳固性对整个系统的安全运行至关重要。
2.4 控制系统
控制系统是风力发电系统的大脑，负责监测和控制风机的运行。它可以根据风速的变化调整风机的转速，并将机械能转化为电能。
3. 风力发电原理
风力发电是利用风能将风机旋转，进而驱动发电机产生电能的
过程。其原理如下：
- 当风吹过风机的风轮时，风轮受到风力的作用开始旋转。
- 风轮的旋转通过主轴传递给发电机，并带动发电机转动。
- 发电机内部的磁场与线圈之间的相互作用产生电压和电流。
- 电压和电流通过变压器进行升压处理后，输入电网，供应给
用户使用。
4. 结论
风力发电系统是由风机、塔筒、基础和控制系统等组成的。利
用风力转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。风力发
电是一种环保、可持续和有效的发电方式，将在未来的能源领域发
挥重要作用。
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请注意，以上内容仅供参考，详细的风力发电原理和组成可能
有所变化。在实际应用中，请参考相关可靠资料和专业人士的建议。
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v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ，代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27
Pmax 16 0.593 E 27
North China Electric Power University
1 Cl w2 dS 2 1 dD Cd w 2 dS 2 dL
轴向推力dFa=dLcosI+dDsinI 旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI) 驱动功率dPw=ωdT
风输入的总气动功率P=vΣFa
旋转轴得到的功率Pu=Tω 风轮效率η=Pu/P
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功率 大发电机功率曲线 如6极200kW和4极750kW P1 切换点 P2 风速
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小发电机功率曲线
第三章 定桨距风力发电机组 一、定桨距风力发电机组的特点
5、功率输出 功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度ρ=1.225kg/m3测出 的，一般温度变化±10oC，空气密度变化±4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。 750kW机组可能会出现30~50kW的偏差， 6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响 •由于机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的，使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。 •额定转速低的机组，低风速下有较高的功率系数；额定转速高的机组，高风速下有较高的功率 系数。即为双速电机依据。 •设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。定桨 距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。
习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。
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第一章 绪 论
四、风力发电机组的控制特性
风能
风轮 动态特性
风轮转矩×转速
传动链 动态特性
发电机转矩×转速
发电机 动态特性 功率 变送器
电功率
变距位置 伺服 执行器
变距指令
控制器
功率信号
与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：max
第二章 风力机控制 一、2、风力机的主要特性系数
1、风能利用系数 C P ： 1 PS v13 SC P 风力机的实际功率 2 其中CP为风能利用系数，它小于0.593 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，称叶尖速比
1 Cd Sv 2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数 2
B
Fd
i
v
Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。
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第二章 风力机控制 二、2、升力和阻力的变化曲线
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
Sv1
Sv
Sv2
理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： E Sv (v12 v2 ) 令两式相等，得 v
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第二章 风力机控制 三、旋转桨叶的气动力（叶素分析）
风向
i
-u
I 倾斜角 dD气流阻力
安装角（桨距角、节距角）： 回转平面与桨叶截面弦长的夹角
I
相对 速度
I
运动旋转方向 u
R 2Rn
w
v
dL气流升力
dF气流W产生的气动力
第二章 风力机控制 五、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）
有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。 实际风力机曲线如下图所示：
Cp
Betz极限 理想的Cp曲线 型阻损失
失速损失
实际的Cp曲线
0
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第三章 定桨距风力发电机组 二、定桨距风力发电机组的基本运行过程
3、风轮对风 偏航角度通过风向测定仪测定。10分钟调整一次，调整中释放偏航刹车。 4、制动解除 启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流 器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到扰流器回收信号后，压力油进入机械盘 式制动器液压缸，松开盘式制动器。 5、风力发电机组的并网 当转速接近同步转速时，三相主电路上的晶闸管被触发开始导通，导通角随与同 步转速的接近而增大，发电机转速的加速度减少；当发电机达到同步转速时晶闸管 完全导通，转速超过同步转速进入发电状态；1秒后旁路接触器闭合，电流被旁路， 如一切正常晶闸管停止触发。
0.8 0.6 0.4 0.2
Cl
Cd
•升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶 的升力增加，但当增加到某个角度后升力 开始下降；阻力系数开始上升。出现最大 升力的点叫失速点。
-30o
-20o -10o 0o Cl min -0.2
10o
iM
20o
30o
40o
i
•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位 置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与 阻力系数。 •对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造 成阻力增加，
• •
图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。 运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。
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第一章 绪 论
五、风力发电机组的控制系统结构
用户界面
•输入用户指令，变更参数 •显示系统运行状态、数据及 故障状况
1000 功率输出/kW 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18
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800 600
400 200
Cp
0
风速/（m/s)
功率/kW
第三章 定桨距风力发电机组 二、定桨距风力发电机组的基本运行过程
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第二章 风力机控制 一、1、风力机能量转换过程
气流动能为
E
1 2 mv 2
m 空气质量，v 气流速度
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E
1 Sv 3 2
2Rn v
Cp
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 9° 10° 13° 15°
额定风速 恒定功率
切出风速 切入风速
0
2
4
6
8
10
12
14
16源自文库
18
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第二章 风力机控制 二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性
第一章 绪 论
一、机组的总体结构
风轮 增速器 发电机
电网
主继电器
风
主开关
熔断器
变压器
转速
晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统
无功补偿
•定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 •变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 •设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。 •采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 •含微处理器的控制系统。
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第一章 绪 论
二、风力发电机组的主要类型与控制要求
•定桨距失速型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •全桨叶变距型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括： 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技 术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能 （功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。
1、待机状态 风速v＞3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出，没有并网的自由转动状态。 •控制系统做好切入电网的准备； •机械刹车已松开； •叶尖阻尼板已收回； •风轮处于迎风状态； •液压系统压力保持在设定值； •风况、电网和机组的所有状态参数检测正常，一旦风速增大，转速升高，即可并网。 2、风力发电机组的自启动及启动条件 机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为： •电网：连续10分钟没有出现过电压、低电压；0.1秒内电压跌落小于设定值；电网 频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。 •风况：连续10分钟风速在机组运行范围内（3.0m/s~25m/s) •机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围以内；液压系统各部位压力在设定值 以内；液压油位和齿轮润滑油位正常；制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；控制系 统DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护 开关在运行位置。
发电机控制 •软并网 •变频器励磁调节
主控制器 •运行监控，机组起/停 •电网、风况监测
无功补偿 •根据无功功率信号分组 切入或切出补偿电容
变距系统 •转速控制 •功率控制
液压系统 •刹车机构压力保持 •变距机构压力保持
制动系统 •机械刹车机构 •气动刹车机构
调向系统 •偏航 •自动解除电缆缠绕
习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？
第三章 定桨距风力发电机组 一、定桨距风力发电机组的特点
1、风轮结构 主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。 脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度， 2、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角β不变，风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分 功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。 3、叶尖扰流器 叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时 液压控制指令将扰流器释放并旋转80o~90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。 空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。 4、双速发电机
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第一章 绪 论
三、风力发电机组的控制技术
•定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题，采用了软并网 技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。 固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统 。 •全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。 •基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保 证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质 地向电网供电。
风力发电机组检测与控制
—— 华北电力大学控制科学与工程学院 吕跃刚
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第一章 绪 论
旋转罩 轮毂 机舱 油冷却器 热交换器 齿轮箱 旋转接头 控制箱
低速轴
变桨驱动 支撑轴承
偏航驱动
发电机
通风
隔离减震
机舱座
风力发电机组结构图
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1、桨叶的翼型
0 零升力角
升力角 风向
弦长
攻角：来流方向与弦线的夹角 零升力角：弦线与零升力线夹角 升力角：来流方向与零升力线夹角
v
i 功角
l
2、桨叶上的气动力
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2