风力发电原理第六章
风电机课程设计
风电机课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解风能的基本概念，掌握风力发电的原理和过程。
2. 学生能够描述风电机组的主要构成部件及其作用。
3. 学生能够解释风电机的运行特性及影响因素。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识分析风力发电的优缺点，并提出改进措施。
2. 学生能够设计简单风电机模型，并展示其工作原理。
3. 学生能够通过实际操作，学会使用相关工具和仪器进行风力发电实验。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到风能作为一种清洁、可再生能源的重要性，培养环保意识。
2. 学生能够积极参与风力发电技术的学习和实践，形成探究精神和团队合作意识。
3. 学生能够关注风力发电行业的发展趋势，激发对新能源事业的热爱和责任感。
课程性质：本课程为自然科学领域的探究性课程，结合理论知识与实践操作，培养学生对风力发电技术的认识和理解。
学生特点：六年级学生具备一定的科学知识基础和动手操作能力，对新能源题材感兴趣，善于合作与分享。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的科学素养和创新能力，培养其环保意识和责任感。
通过分解课程目标为具体学习成果，为教学设计和评估提供明确方向。
二、教学内容1. 引言：介绍风能作为一种可再生能源的重要性和风力发电的概况。
- 教材章节：第一章《新能源概述》2. 风能基本概念：讲解风的产生、风能的转换和风力发电的原理。
- 教材章节：第二章《风能及其利用》3. 风电机组结构：分析风电机组的主要组成部分，包括叶片、塔架、发电机等。
- 教材章节：第三章《风力发电机组》4. 风电机工作原理：阐述风电机如何将风能转换为电能的过程。
- 教材章节：第四章《风力发电原理》5. 风电机运行特性及影响因素：探讨风速、风向等因素对风电机运行的影响。
- 教材章节：第五章《风力发电运行与管理》6. 风力发电优缺点及改进措施：分析风力发电的优势和局限性，并提出相应的改进方法。
- 教材章节：第六章《风力发电的挑战与未来》7. 实践操作：设计并制作简单风电机模型，进行风力发电实验。
风力发电原理 作者 徐大平 风力发电原理
1.2 中国风能资源与开发
• 1.2.1 风能特点
– 风能蕴藏量大、分布广。 – 风能是可再生能源。 – 风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。 – 风能的能量密度低。 – 不同地区风能差异大。 – 风能具有不稳定性。
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1.2.2 我国风能资源
我国风能密度分布图
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1.2.2 我国风能资源（续）
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1.2.3 风电发展概况（续）
我国规划的大型（千万千瓦、百万千瓦级）风电基地分布图
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1.3 风力发电技术与发展
• 1.3.1 机组类型
– 微型、小型、中型及大型风电机组 – 离网型风电机组和并网型风电机组 – 水平轴风电机组、垂直轴风电机组
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微型、小型、中型及大型风电机组
• 按照额定功率的大小，可以将风电机组分为： • 1）微型风力发电机组：额定功率小于1KW。 • 2）小型风力发电机组：额定功率1KW～
• 就目前生产技术水平，可大规模开发利用的清洁可再生能源主要有： 风能、太阳能和生物质能。
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1.1 风能利用及风力发电历史
• 人类利用风能有资料记载的有几千年历史。早期主要是以 风做为动力——风帆、风车。
a) 帆船
b) 风车
人类早期风能利用示例
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1.1 风能利用及风力发电历史（续）
• 十九世纪晚期开始出现风力发电。 – 1887——美国人Charles F. Brush研制出世界上第一台12kW直
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能源
• 能够直接或经转换提供能量的资源称为能源。 • 按被利用程度分:
– 常规能源：开发利用时间长，技术相对成熟、能大量生产利用。 – 新能源：开发和利用尚在研究和推广使用。
• 按取得方式分：
风力发电原理
风力发电机组结构组成
• • • • • • • • • • • • • • • •
转子叶片 轮毂 变桨系统 主轴 齿轮箱系统 联轴器 机械刹车装置 发电机 冷却系统 控制系统 监测及保护装置 测风系统 机舱 偏航系统 塔筒 地基
基本原理
风力机 风能 机械能 发电机 电能
风力发电机组的发电原理， 是通过风力机将 风能转换成机械能，然后通过发电机将机械能转 化为电能，这就是风力发电基本原理。随着风力 发电技术的迅速发展，风力发电机组可利用的有 效风速大约为3—25 m／s，这样便大大提高了 风力发电机组的效率。
风力发电技术原理图
风力发电技术原理图
常见的风力发电机组
直驱式风力发电机组
常见的风力发电机组
常规风力发you!
风力发电机组的 发电原理介绍
大规模发展风力发电的背景
在21世纪的今天，能源、环境已成为人类 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 了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发 利用受到世界各国的高度重视。 日前风能是具有大规模开发利用前景的可再 生能源之一。从全球范围来看，风力发电已经从 试验研究阶段迅速发展为一项成熟技术。现代风 电技术面临的挑战主要包括进一步提高可靠性、 提高效率和降低成本。
第六章 风力发电机组的运行调节
•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。
机组的基本控制要求
四、机组的基本控制要求 控制系统的基本功能
✓根据风速信号自动进行启动、并网或从电网切出。 ✓根据风向信号自动对风。 ✓根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。 ✓脱网时保证机组安全停机。 ✓运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录， 异常情况判断及处理。
机组的基本控制要求
在低风速区，不同的桨叶节距角所对应的功率曲线几乎是重合的；在高 风速区，节距角的变化，对其最大输出功率的影响是十分明显的。
定桨距风力发电机组的功率控制
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
5、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响
➢由于机组的叶片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。
• 1、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，随后失速增
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。
定桨距风力发电机组的功率控制
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
P2
风速
如6极200kW和4极750kW
定桨距风力发电机组的功率控制
二、定桨距风力发电机组的功率控制方法
• 4、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。
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清洁能源技术。
风力发电原理主要是通
过风轮机转动带动发电机发电。
风力发电是一种可再生能源，具有环保、可持续等优点，受到越来越多的关注和应用。
首先，风力发电的原理是基于风能的转化。
风是地球上大气运动的结果，它是
由于地球的不均匀受热和自转而产生的。
当风吹过风轮机时，风的动能转化为机械能，驱动风轮机旋转。
风轮机是风力发电的核心部件，它将风的动能转化为机械能，为发电机提供动力。
其次，风力发电的原理是基于发电机的工作原理。
风轮机带动发电机旋转，发
电机内部的导体在磁场的作用下产生感应电动势，从而实现电能的转化。
发电机的工作原理是利用磁场和导体的相对运动产生感应电动势，将机械能转化为电能。
通过电力系统的调节和传输，最终将风能转化为可供人们使用的电能。
最后，风力发电的原理是基于电力系统的运行。
风力发电装置通过电力系统将
发电机产生的电能输送到电网中，供给用户使用。
电力系统包括输电线路、变电站等设备，它们将分布在各地的风力发电装置产生的电能集中起来，然后输送到用户所在地。
这样，风力发电就成为了一种可靠的电力资源，为人们的生产生活提供了稳定的电力支持。
总的来说，风力发电的原理是基于风能的转化、发电机的工作原理和电力系统
的运行。
风力发电技术的发展为人类提供了一种清洁、可持续的能源选择，对于减少化石能源的使用、改善环境质量具有重要意义。
随着科技的进步和风力发电技术的不断完善，相信风力发电将在未来发挥更加重要的作用，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
风力发电机工作原理及原理图
风力发电机工作原理及原理图风力发电机工作原理及原理图风力发电机工作原理及原理图现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电.最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机.最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值.为了解决这些问题,现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等.齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分).同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电压输出.偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向.要知道,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度.风机是有许多转动部件的,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距.对变桨矩风机,组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转,以便适应不同的风况而变桨距.在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车.早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距.就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13米/秒左右发出额定功率.然后,随着风速的增加,一直控制在额定功率附近发电,直到风速达到25米/秒时自动停机.现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏.理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒.风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时*齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元.风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。
风力发电原理——绪论2
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1.4 风电相关标准（续）
国际电工委员会（IEC）标准
《风力发电系统-第一部分：设计要求》 《海上风电机组设计要求》
国外主要风电标准
德国 《风能转换系统的认证准则 》 丹麦 《风机的载荷和安全标准 》 挪威 《海上风电机组结构设计标准》
华北电力大学控制与计算机工程学院
风力发电原理
课程简介
第一章：绪论 第二章：风能及其转换原理 第三章：风力发电机组结构 第四章：风力发电机 第五章：风力发电机组的控制技术 第六章：垂直轴风力发电机组 第七章：离网风力发电系统
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基本要求
了解风能及其利用 掌握大型并网风力发电机组的基本结构 掌握各部件的基本原理 了解风力发电技术发展
我国风力发电始于20世纪70年代，80年代后研制并网机组。 8
1.1 风能利用及风力发电历史（续）
a) Brush的风电机组 b) Poul la Cour的风电机组 c) Smith-Putnam的风电机组
早期的风电机组
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1.1 风能利用及风力发电历史（续）
a) 德国人Huetter建造的风电机组W-34 b) 丹麦人Johannes Juul建造风电机组Gedser 现代风电机组的先驱
能源
能够直接或经转换提供能量的资源称为能源。 按被利用程度分:
常规能源：开发利用时间长，技术相对成熟、能大量生产利用。 新能源：开发和利用尚在研究和推广使用。
按取得方式分：
一次能源：自然存在，可直接利用。 二次能源：经转换或加工生产的。
按短期内能否重复取得分：
可再生能源 非可再生能源
风力发电原理
风力发电原理风力发电机工作原理是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能．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。
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。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。
小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个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。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。
目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。
功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。
在内地，小的风力发电机会比大的更合适。
因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。
当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。
使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。
风力发电机组及应用：第六章变桨距系统
变桨系统分布结构
变桨电机1
90度限位开关 0度接近开关
旋转编码器 电磁刹车 动力电源线
变桨柜1
滑环
连接器
变桨电机2
90度限位开关 0度接近开关
旋转编码器 电磁刹车 动力电源线
变桨柜1
变桨电机3
90度限位开关 0度接近开关
旋转编码器 电磁刹车 动力电源线
变桨柜1
变桨系统驱动原理
状态 自动/手动切换
编 码 电机 器
机械部分
减速比 减速机
回转支承 及小齿
叶片 齿数比
回转支承内齿圈
变桨距系统
电动变桨距伺服系统
电动变桨距系统就是可以允许三个叶片独立实现变桨，它
提供给风力发电机组功率输出和足够的支承刹外圈车制动能力，这样可
以避免过载对风机的破坏。
传感器
内齿圈
放大器
内
齿
实现对叶片 的节距角的
位置1：变桨限位撞块与变桨轴承连接时定位导向 螺钉孔。
位置2：顺桨接近撞块安装螺栓孔，与变桨限位撞 块连接。
位置3：变桨限位撞块安装螺栓孔，与变桨轴承连 接。
极限工作位置撞块和限位开关
变桨超级电容
❖ 型号：4-BMOD2600-6 ❖ 额定电压：60VDC ❖ 总容量：125F ❖ 总存储能量：150kJ ❖ 四组串联 ❖ 单组电容电压：16VDC ❖ 单组电容容量：500F
第六章 变桨系统
变桨系统
液压驱动 变桨系统
电动驱动 变桨系统
变桨控制器
变桨系统维护
变桨距系统
变桨距系统是对叶片的桨距角进行调解以控制风轮对风 能吸收的装置。
作用：
❖当风机启动时，可以通过变桨距来获得足够的启动转 矩；
3_风力发电技术课本知识点总结
第一章风及风能资源一、风的形成及影响因素1.风的产生：是由地球外表大气层由于太阳的辐射而引起的空气流动，大气压差是风产生的根本原因2.特性：周期性、多样性、复杂性3.风的分类：季风、山谷风、海陆风、台风、龙卷风二、风的测量1.风的测量包括风向和风速两种2.风向测量：风向测量是指测量风的来向风向测量装置：1)风向标：是测量风向最通用的装置，有单翼型、双翼型、流线型2)风向杆（安装方位指向正南）、风速仪（可测风向和风速，一般安装在离地面10米的高度）3.风向表示法：风向一般用16个方位表示，静风记为C。
4.风能密度:单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以W/m2表示。
三、风资源分布1.我国风资分布可划分为：风能丰富区、风能较丰富区、风能可利用区、风能贫乏区1)风能丰富区:有效风能密度＞200W/m2。
2)风能较丰富区：有效风能密度为150~200W/m2，3~20m/s风速出现的全年累计时间为4000~5000h。
3)风能可利用区：有效风能密度在50~150W/m2之间，3~20m/s风速出现时数约在2000~4000h之间。
4)风能贫乏区：该区风能密度低于50W/m2，全年时间低于2000h第二章风力机的理论基础一、贝兹理论二、翼型的几何参数三、风车理论四、叶素理论气动效率五、葛劳渥漩涡理论六、葛劳渥轴线推力和扭矩计算有限长的叶片，叶片的下游存在尾迹涡，主要有两个漩涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。
漩涡诱导速度可看成以下三个漩涡系叠加的合速:①中心涡，集中在转轴上②每个叶片的边界涡③每个叶片尖部形成的螺旋涡七、风力机的相似特性相似准则：所谓模型与风力机实物相似是指风轮与空气的能量传递过程以及空气在风轮内向流动过程相似，或者说它们在任一对应点的同名物理量之比保持常数。
流过风力机的气流属于不可压缩流体，理论上应满足几何相似、运动相似和雷诺数相等。
对风力机而言，后一个条件实际做不到，故一般仅以前两个条件作为模型和风力机实物的相似准则，并计及雷诺数。
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转换成电能的可再生能源发电方式。
它的工作原理主要是通过风轮转动驱动发电机发电。
下面我们将详细介绍风力发电的工作原理。
首先，风力发电的核心部件是风力发电机组，它由风轮、发电机、塔架和控制系统等组成。
当风力发电机组安装在合适的地理环境中，当风速达到一定的程度时，风力发电机组就会开始工作。
风力发电机组的风轮是通过风的能量驱动旋转，而风轮的旋转则会带动发电机转子的旋转。
发电机转子的旋转产生感应电动势，最终输出交流电。
其次，风力发电的工作原理基于气流动能的转化。
当气流通过风轮时，风轮受到气流的冲击而旋转，这就是风力发电的基本原理。
风力发电机组利用风能的转化过程中，通过控制系统调整叶片的角度和风轮的转速，使得风力发电机组在不同风速下都能够稳定工作，最大限度地转化风能为电能。
另外，风力发电的工作原理还涉及到风能的捕捉与转换。
风力发电机组的叶片设计得非常精巧，能够充分捕捉风能。
在风力发电机组内部，通过传动装置将风轮的旋转运动转换成发电机的旋转运动，最终产生电能。
而风力发电机组的塔架设计得非常坚固，能够确保发电机组在恶劣天气下依然能够安全运行。
最后，风力发电的工作原理基于风能资源的利用。
风力发电机组的选择和布局需要根据当地的气候条件和地理环境来确定，以充分利用当地的风能资源。
同时，风力发电的工作原理也需要考虑到发电机组的运行效率和稳定性，以确保风力发电系统能够持续稳定地发电。
总的来说，风力发电的工作原理是基于风能的转化和利用，通过风力发电机组的设计和运行，将风能转化成电能。
风力发电作为一种清洁、可再生能源，具有广阔的发展前景，将在未来发电领域发挥重要作用。
风力发电原理第六章分析
下图反映了由于剪切风风轮廓和沿风向变化的不对 称气流轮廓，而引起的叶片根部的弯曲应力。
在风轮旋转中，叶片空气动力学载荷的变化也代表了风 轮整体载荷的变化。对于非铰链连接的两叶片风轮，变桨和 偏航中的交变应力，造成偏航传动部件中相当大的疲劳载荷 。基于此原因，大型两叶片风力机通常设计有摇摆轮毂，可 或多或少补偿了这些变化的载荷。
因塔架尾流引起的扰动持续时间很长，足够使风轮 叶片产生一个阻尼效应。因此，塔架尾流也是一个气动 弹性问题，即叶片的动态响应。图为给出塔架尾流对下 风风轮的弯曲应力和力矩输出的影响。
下风式风轮的电力输出是表明塔影影响力的指标。在 极端条件下，测量得出的电力损失是平均输出的30%40%，如图示。
塔影对风力机噪声产生重要影响。目前风力机采用 上风式结构，因此而产生的噪声完全消失。
重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转及地震引起的静 态和动态载荷。
操作载荷：在风电机组运行和控制过程中产生的载荷， 如发电机负荷控制、偏航、变桨距以及机械刹车结构设计要求分类：
最大极限载荷：风电机组可能承受的最大载荷，需要 根据载荷的波动情况，考虑相应的安全系数。
左图为叶片切线方向的载荷分布，其载荷导致叶片产生 了切向的弯曲应力；右图为拍向的风载荷分布，反映了轴向 推力导致叶片在拍向的弯曲应力。从两图可以看出，由于叶 片的扭曲，从起动风速到切出风速，叶片载荷分布轮廓明显 不同。
在切向分布，随着风速的提高，叶片切向承受的风载荷 增大，且为均匀分布；但在切出风速24m／s时，叶片根部 承受的载荷最大，且从叶根向叶尖移动，载荷逐渐在减小 。
在整个叶片长度上对载荷进行积分，便可得出整个叶片的 载荷和力矩。切向载荷提供了风轮旋转力矩，推力载荷分布 提供了整个风轮推力，如图示。这两个参数本质上决定了整 个风力机的静态载荷水平。
南京工业大学风力发电原理 第六章
一、控制技术
直驱发电机：控制全功率变流器完成并网。首先起动网侧变 流器调制单元给直流母线预充电，接着起动电机侧变流器调制 单元并检测机组转速，跟踪电网电压、电流波形与相位。电机 达到一定转速，全功率变流器控制功率模块和变流器网侧电抗 器、电容器使系统输出电压、频率等于电网电压和频率，检测 电网电压与变流器网侧电压相位差，相等时并网。
二、风力机控制
1、空气动力学原理
C pmax对应唯一的 opt 风速变化，叶尖速比变化，功率系数变化，
最大风能捕获控制：风速变化，发电机功率<额定功率，调 节风轮转速和桨距角，追踪最佳功率曲线，获得最大风能系数 恒功率控制：风速增加到额定风速，发电机的输出功率达到 额定功率附近，风速机械增加，通过增大桨距角减小发电机输 出功率，维持额定功率附近
控制系统基本要求
① 发电机并网与脱网，并网时对电网和机组的冲击最小，平稳并 网，脱网时机组不能超速、安全停机 ② 实时对风，解缆 ③ 各部件温度控制 ④ 故障报警和停机 ⑤ 安全链系统
一、控制技术
控制系统基本功能
① 根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除 ② 根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制 ③ 根据风向信号自动对风 ④ 根据电网和输出功率要求自动进行功率因素调整 ⑤ 当发电机脱网时，能确保机组安全停机 ⑥ 实时监测和记录，并自行判断和采取保护措施 ⑦ 风电场运行具有远程通信功能 ⑧ 抗干扰和防雷保护措施
三、发电机控制技术
1、发电机控制要求
发电机形式：普通异步发电机、双馈式发电机、直驱发电机 控制要求： 与变桨距控制系统协调，风力发电机组处于最佳运行状态 风速<额定风速：风能最大捕获 风速>额定风速：额定功率 并网控制限制发电机并网时的瞬变电流，保证机组安全 发电机频率=电网频率 发电机电压幅值=电网电压幅值，波形一致 发电机电压相序=电网电压相序 同期条件 发电机电压相位=电网电压相位
第六章 变速恒频风力发电机组
1.串联超前校正
2.串联滞后校正
(四)查表法 风力发电机组的额定运行点附近，由于选择了使输出功率最大
化的最优桨距角，气动转矩对桨距角的敏感性很小，与风速超
过额定风速时相比，这时需要更高的控制器增益。在风速超过 额定风速时，桨距角的很小变化就会对转矩产生很大的影响， 通常情况下，转矩随桨距角变化的敏感性呈线性变化。因此， 可以通过改变控制器的总体增益使其与桨距角成反比的关系来 补偿转矩的波动。这种根据运行点对控制器增益进行修正的规 则称为增益规则表。但气动推力对桨距角的变化的敏感性则是
(3)闭环系统的极点位置。 (4)闭环阶跃响应。 (5)闭环系统的频率特性。
(1)开环频率响应。 通过开环频率响应计算增益和相角裕度，可以给出闭环系统的 稳定性指标。如果裕度太小，系统会趋于不稳定。当开环系统 对于达到单位增益时具有180°的相位滞后，则系统会变得不 稳定，相角裕度给出了实际系统的开环增益在单位增益时的相 角和180°之间的差值。尽管没有标准的规定，通常推荐45° 的相角裕度。类似地，增益裕度表示当开环相角穿越-180°时 的开环增益，通常推荐至少有几分贝的增益裕度。
确，生成报告文件。
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-9
定义数据分项
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-10
叶型数据
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-2 叶轮
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-3 叶片
表6-4
轮毂
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-5 变桨系统
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-1 风力发电机组在切出风速25m/s下的耦合模态分析
《风力发电原理》课件
风力发电机的组成部分
风轮
风轮是风力发电机最重要的 组成部分，它通过叶片的旋 转捕捉风能。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ风轮轴
风轮轴与风轮相连，将风能 转化为旋转能，提供给发电 机产生电能。
转向装置
转向装置用于调整风轮的朝 向，使其始终面向风的方向， 高效地捕捉风能。
发电机
发电机将风轮转动产生的旋转能转化为电能， 供电网络使用。
风力发电是一种可再生的、零排放的电力源。风力发电原理基于风轮叶片的旋转，将风能转化为电能。风力发 电在中国已迅速发展，成为世界最大的风电市场之一。
控制系统
控制系统用于监测和控制风力发电机的运行， 确保安全和高效的发电。
风力发电的优缺点
优点
• 可再生 • 零排放 • 易维护
缺点
• 受到天气的影响 • 稳定性差
风力发电在中国
• 截至2021年，中国风力发电已成为世界最大的风电市场。 • 2020年，中国风电装机容量已达254,000 MW。
总结
《风力发电原理》PPT课件
风力发电原理是利用风能转化为电能的过程。本课件将介绍风力发电的原理、 组成部分、优缺点以及在中国的发展情况。
什么是风力发电？
风力发电是利用风力发电机将风能转化为电能的过程。
风力发电原理是什么？
风力发电原理基于风轮叶片的旋转，将风能转化为旋转能，再通过发电机将 旋转能转化为电能。
第六章 制动器
第六章: 制动系统风力发电机组是一种重型装备,工作在极其恶劣的条件下，因此对它安全性有着极高的要求。
除风力变化的不可预测性外，机件常年重载工作随时有损坏的可能性，在这些情况下风力发电机必须紧急停车，避免对风力发电机造成损害或故障扩大。
在进行正常维修时，也要求能进行停机检修。
风力发电机必须设计有制动系统，以实现对风力发电机进行保护。
制动系统是一种具有制止运动作用功能的零部件的总称。
风力发电机组的制动系统应符合GB/T18451.1风力发电机组安全要求相关条款的规定。
风力发电机组的制动系统应设计为独立的机构，当风力发电机组及零部件出现故障时制动系统能独立进行工作。
6.1 风力发电机的制动系统一、制动器的工作原理制动器俗称刹车或闸，是使机械中的运动部件停止或减速的机械零件。
制动器的工作原理是，利用与机架相连的非旋转元件和与传动轴相连的旋转元件之间的相互摩擦，来阻止轮轴的转动或转动的趋势。
使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。
制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。
制动器上所用摩擦材料（制动件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。
摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。
摩擦材料分金属和非金属两类。
前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。
制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等构成。
有些制动器还装有制动件间隙的自动调整装置。
为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全性要求较高的定浆距风力发电机,则应装在靠近风轮的低速轴上。
多数制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。
一般制动器都是通过其中的固定元件对旋转元件施加制动力矩，使后者的旋转角速度降低，凡利用固定元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器都称为摩擦制动器。
摩擦制动器最常用的是鼓刹和盘刹，鼓刹因其外形像鼓而得名，盘刹因其外形是圆盘形而得名。
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在圆柱形塔架前，风速由于受到塔架的阻碍作用，而逐 渐降低。其中几乎在1倍塔柱直径时风速开始降速，而在0.5 倍塔柱直径时风速发生明显降低的现象。因此，只要设计风 轮叶片和塔架的间隙保持在一个塔架直径的距离，就可以将 塔柱对风轮载荷的影响减到最小；否则，如果风轮转速在塔 架的自振频率范围内，那么塔坝效应有可能激起塔架振动。
当叶片经过塔架尾流时，风速减小是一个重要因素。 减小的风速导致有效空气动力学攻角减小。这两点都导致 风轮叶片的升力突然减小。影响着空气动力载荷和力矩产 生。这意味着瞬间的塔影效应起到了作用，即如攻角暂时 的梯度变化对气动力和力矩产生重要的影响。
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因塔架尾流引起的扰动持续时间很长，足够使风轮 叶片产生一个阻尼效应。因此，塔架尾流也是一个气动 弹性问题，即叶片的动态响应。图为给出塔架尾流对下 风风轮的弯曲应力和力矩输出的影响。
第六章
风力机载荷和结构应力
风力机在运行的过程中承受着多种应力和载荷。载荷 是设备结构设计的依据，其分析计算在设计过程非常关键 。载荷分析不准确，可能导致结构强度设计问题，过于保 守则造成风电机组的总体设计成本增加。 载荷设计时应考虑以下条件: 首先，保证部件能够承受极限载荷，必须能够承受可 能遇到的最大风速。 其次，保证风力机20～30年的使用寿命。然而，极限 载荷产生的应力相对容易估计，而疲劳寿命问题则是相对 较为困难。 第三，注意部件的刚度，这与其振动和临界变形有很 大关系。如果风力机所有部件的刚度参数能够很好地满足 ，那么风力机的振动性能就能够很好地控制。因而，刚度 也是决定部件尺寸的主要参数之一。
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如果风轮安装在塔架的下风位臵，在塔架的下风侧，速 度减小比较明显，风轮叶片在每旋转一周都必然经过塔架的 阴影区域。
综上所述，即使是在上风安装的风轮，塔架的空气动力 学的影响也必须考虑。由于目前几乎所有风力机塔架均为圆 形截面，所以仅需考虑圆柱体周围的流场即可。
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随机载荷：由湍流风引起的气动载荷。
瞬变载荷：由于阵风、起停机和变桨距等操作、冲击载荷 等引起的载荷。 共振激励载荷：与结构动态特性有关的载荷。
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下图用两个坐标图来表明风轮所受的载荷
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在叶片局部断面所在的旋转坐标轴系统中，作用于风轮 叶片的力和力矩被分解为沿弦向和拍向两个分量。在机翼弦长 方向，获得弦向分量；在垂直于弦长方向，为拍向分量。在风 轮旋转平面内，作用于风轮的力被分解为旋转面的切向力和垂 直于旋转平面的推力分量。这个二维系统表达了以载荷的形式 作用于风轮上的全部受力和力矩。 P45-7 能源动力与机械工程学院
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按结构设计要求分类：
最大极限载荷：风电机组可能承受的最大载荷，需要 根据载荷的波动情况，考虑相应的安全系数。 疲劳载荷：风电机组构件的寿命设计要考虑的主要因 素，与构件所承受交变循环载荷的循环次数对应。
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按载荷时变特征分类：
平稳载荷：指均匀风速、叶片的离心力、作用在塔架上的 风电机组重量引起的载荷，包括静载荷。 循环载荷：指由于风剪切、偏航系统的误差以及误操作、 重力等引起的周期性载荷。
在整个叶片长度上对载荷进行积分，便可得出整个叶片 的载荷和力矩。切向载荷提供了风轮旋转力矩，推力载荷分 布提供了整个风轮推力，如图示。这两个参数本质上决定了 整个风力机的静态载荷水平。
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在变桨距控制风轮中，风轮力矩和推力增加到某一值 后下降，使得风轮控制系统将捕获的风能控制在额定功率附 近。因此，在额定功率点风轮推力是最大的，然后下降。 在没有变桨距控制的风轮中，靠气动失速来限制功率 输出，因此风轮在到达额定功率后，推力继续增加，或者保 持在一个恒定的水平。正因为如此，无变桨控制的风轮承受 着更高的空气动力载荷。
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下风式风轮的电力输出是表明塔影影响力的指标。 在极端条件下，测量得出的电力损失是平均输出的30%40%，如图示。
塔影对风力机噪声产生重要影响。目前风力机采用 上风式结构，因此而产生的噪声完全消失。
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塔架的主要载荷
对于静态，我们论述与塔架强度计算有关的两种载荷，作用到风轮上最 大的气动推力和塔架本身所承受的最大风压。 为了确保在台风或暴风袭击时，塔架仍不会倾倒，在强度计算时，不 管是变距调节还是失速控制的风力机，风轮的气动推力和塔架所受的风压 均要按暴风工况考虑。 风轮上最大的气动推力
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将百年中的最大阵风作为风力机的最大静载荷， 此时叶片迎风且静止，叶片安装角达90°。设CD为叶 片垂直于风向的阻力系数。作用在[r，r+dr]叶素上的 力为
1 2 dF C Dtu dr 2
计算和经验表明，某些大型风力机，在风轮迎风 静止状态下，叶片经得起60m／s左右的大风。
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二、垂直剪切风和横风
只要风不对称地吹扫风轮，就产生不稳定的、循环变 化载荷。受地表粗糙度的影响，风速随高度增加而增加， 不可避免地造成风的不均匀性。为此，风轮在每旋转一圈 中，叶片在上部的旋转部位，比离地面近的部位承受的风 载荷更高。由于横风风向的快速变化，也引起了风轮的循 环变化的载荷。 垂直剪切风和横风导致在叶片上循环地增加和降低气 动载荷。与稳定而均匀风产生的基本载荷相比，产生了极 大的变化。
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左图为叶片切线方向的载荷分布，其载荷导致叶片产 生了切向的弯曲应力；右图为拍向的风载荷分布，反映了 轴向推力导致叶片在拍向的弯曲应力。从两图可以看出， 由于叶片的扭曲，从起动风速到切出风速，叶片载荷分布 轮廓明显不同。
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在切向分布，随着风速的提高，叶片切向承受的风载 荷增大，且为均匀分布；但在切出风速24m／s时，叶片根 部承受的载荷最大，且从叶根向叶尖移动，载荷逐渐在减 小。
F Ct V
1 2
2 s
A B
b
丹麦风电专家彼得森推荐
F
t
风轮气动推力
Ab
风轮扫掠面积 桨叶数 空气动力系数，当系统 自振频率〉2HZ时取1
C 推力系数1.6
B
Vs
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暴风风速
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塔架所受的风压
2 F1 V s Af 2
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三、风力机塔架影响
在许多情况下，因风轮和塔架之间的距离太小，而导 致塔架周围的空气动力学流场会影响叶片的运行。 当以传统的上风式安装风轮时，塔架周围的流场对风 轮的影响最小。上风位臵的风轮仅受到塔架前的延迟气流 的影响，这就是所谓的塔坝效应。塔坝效应对老式风车及 风车房产生重要的影响，但对现在风力机组的影响相对较 小。
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在拍向方向，随着风速的增加，叶片整体的载荷在增大， 且叶尖比叶片根部承受着更大的载荷。但当风速为切出风速时 ，叶片根部拍向承受着最大风载荷，叶尖载荷几乎最小。 扭角是在额定风速经优化得到的，因而只有在额定风速下 的气动载荷才接近于理论最佳值。在其他风速，特别是较额定 风速更高的风速，会在接近于轮毂的部分产生气流分离，这导 致气动载荷发生巨大改变。 P45-11 能源动力与机械工程学院
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风力机载荷类型
风力机所处的环境不同，其载荷也有所不同，图示了 风力机组所承受的各种载荷。
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按载荷源分类
空气动力载荷：由于空气流动及其与风电机组动、静部件 相互作用所产生的载荷，是风电机组主要的外部载荷之 一，取决于作用于风轮的风况条件、风电机组气动特性 、结构特性和运行条件等因素。 重力和惯性载荷：由重力、振动、旋转及地震引起的静 态和动态载荷。 操作载荷：在风电机组运行和控制过程中产生的载荷， 如发电机负荷控制、偏航、变桨距以及机械刹车过程产 生的载荷。 其他载荷：尾流载荷、冲击载荷和覆冰载荷等。
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3．跨临界区域 在超临界雷诺数上，为跨临界区域，在这里尾流区域 又变得较宽。在跨临界区域，阻力系数又上升到0.5。卡 门涡街再一次周期性地产生，但是较微弱。
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从大型风力机塔架周围流体的简单估计显示，当塔架 直径为几米，风速为5-25m/s时，雷诺数太高，所以始终存 在湍流。在这一区域，尾流中的最大风速减小值可以从下 面的公式得出，即 max 1 1 CD w
空气密度
Af
塔架投影面积 空气动力系数，圆形封闭塔架取0.7 桁架塔架取1.4
鉴于计算桁架构件的实际投影面积比较麻烦，工作量也比较大，通 常可用塔架轮廓包围面积的30％计算(不能低于此值)。
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四、阵风
当功率输出和能量产出受平均风速的长期变化而决定 时，风力机上非循环的载荷波动将由短期的风速波动、风 扰动和阵风来决定。 在载荷计算中，通常采用湍流谱模型，其假设风速在 轴向为一维湍流波动。在风力机载荷假设中，假设理想化 的阵风形式，用来作为结构设计一定发生概率的载荷。相 关的信息包括发生概率、时间长度和空间范围。 这些离散阵风在载荷计算中的重要性主要在于确定极 限载荷。
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流动介质的内摩擦和表面摩擦导致柱体后产生了气流分 离域，即所谓的尾流域。圆柱体后的尾流域的湍流面积逐 渐增大，平均风速在逐渐降低。另一个典型特征是，圆形 柱体后在两边以定义的频率交替出现旋涡，即卡门涡街。 P45-21 依靠流体雷诺数，可以得到3个特征区域。 能源动力与机械工程学院