风力发电机组原理应用课件第1章
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(1)海陆分布对我国季风的作用 海洋的热容量比陆地大得多，冬季 陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋，气压梯度力自大陆指向海洋， 风从大陆吹向海洋；夏季则相反，陆地很快变暖，海洋相对较冷， 陆地气压低于海洋气压，气压梯度力由海洋指向大陆，风从海洋吹 向大陆，如图1-3所示。
一、风的形成
图1-3 海陆热力差异引起的季风示意图 a)冬季 b)夏季
三、分类
图1-14 水平轴与垂直轴风力发电机组 a)水平轴 b)垂直轴
三、分类
图1-15 风力机与风向 a)上风向 b)下风向
三、分类
2)垂直轴：垂直轴机组是风轮轴垂直于风向的风力发电机组，如图1 -14b所示。 (3)按额定功率调节方式分 1)定桨距：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变。 2)变桨距：这种机组当风速过高时，通过叶片安装角度的变化，改 变获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。 3)主动失速：这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。 2.按发电机的角度分 (1)按转速分 1)高速型：风力发电机组应用高速发电机，由于风轮的转速较低， 通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱的增速作用来实现。
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
2.风速与风级的关系
1.测风系统
三、风的测量
三、风的测量
2.风向测量
图1-6 标式风向传感器
三、风的测量
(1)风向标 风向标是测量风向的最通用的装置，有单翼型、双翼型 和流线型等。 (2)风向表示 风向一般用16个方位表示，即北东北(NNE)、东北(N E)、东东北(ENE)、东(E)、东东南(ESE)、东南(SE)、南东南(SSE)、 南(S)、南西南(SSW)、西南(SW)、西西南(WSW)、西(W)、西西北 (WNW)、西北(NW)、北西北(NNW)、北(N)。 3.风速测量 (1)风速计 1)旋转式风速计：它的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组 件，常用的有风杯和螺旋桨叶片两种类型。
一、风的形成
(2)行星风带位置季节转换对我国季风的作用 地球上存在着5个风 带。 (3)青藏高原对我国季风的作用 青藏高原占我国陆地的1/4，平均海 拔在4000m以上，对应于周围地区具有热力作用。 3.局地环流 (1)海陆风 海陆风的形成与季风相同，也是由大陆与海洋之间的温 度差异的转变引起的。
二、常见机型
二、常见机型
图1-23 多级齿轮箱全功率变流机组 a)采用笼型感应发电机 b)采用永磁同步发电机
二、常见机型
图1-24 直驱型全功率变流机组 a)采用多极电励磁同步发电机 b)采用多极永磁同步发电机
二、常见机型
图1-25 永磁直驱风力发电机组内部结构
7.中速发电机(“半直驱”)式
二、常见机型
三、分类源自文库
2)低速(直驱)型：风力发电机组应用多极同步发电机，让风力机直接 拖动发电机转子运转在低速状态，可以去掉齿轮箱，提高了机组的 可靠性。 3)中速(“半直驱”)型：这种风力发电机组的工作原理是以上两种型 式的折中。 (2)按转速变化分 1)恒速：发电机在与电网频率相对应的恒定转速下工作，风力机也 在恒定不变的转速下运行，称为恒速恒频运行方式。 2)多态恒速：机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可 以有不同大小和数量的发电机投入运行，使风力机在两个或两个以 上的速度下工作，从而提高效率。
一、风的形成
(2)山谷风
图1-4 海陆风形成示意图 a)夜间 b)白天
山谷风的形成原理跟海陆风是类似的。
一、风的形成
图1-5 山谷风形成示意图 a)白天 b)夜间
1.风级的划分
二、风力等级
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
四、风的数学描述
表1-3 海平面空气密度表
五、风能可利用区的划分
1)风资源丰富区：年有效风功率密度大于200W/m2，3～20m/s风速的 年累积小时数大于5000h，年平均风速大于6m/s； 2)风资源次丰富区：年有效风功率密度为200～150W/m2，3～20m/s 风速的年累积小时数为5000～4000h，年平均风速在5.5m/s左右；
三、分类
3)变速：采用变速发电机，可以使风力机的转速随风速连续变化， 更有效地捕获风能。
第三节 并网供电风力发电机组
一、工作原理 二、常见机型
一、工作原理
1.能量流
图1-16 并网风力发电机组总体结构
一、工作原理
2.信息流
图1-17 风力发电机组的工作原理
1.恒速式
二、常见机型
二、常见机型
三、风的测量
图1-7 风向16方位图
三、风的测量
图1-8 旋转杯形风速计
三、风的测量
2)声学风速计：又称超声波风速计(见图1-9)，是利用声波在大气中 传播速度与风速间的函数关系来测量风速。
三、风的测量
图1-9 超声波风速计
三、风的测量
3)激光风速计：可以检测空气分子反射的相干光波，从而辨别气流 速度。 (2)风速记录 1)机械式：当风速感应器旋转时，通过蜗杆带动蜗轮转动，再通过 齿轮系统带动指针旋转，从刻度盘上直接读出风的行程，除以时间 得到平均风速； 2)电接式：由风杯驱动的蜗杆，通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮 上，风杯旋转一定圈数，凸轮使相当于开关作用的两个接点闭合或 打开，完成一次接触，表示一定的风行程； 3)电机式：风速感应器驱动一个小型发电机中的转子，输出与风速 感应器转速成正比的交变电流，输送到风速的指示系统；
4)风资源贫乏区：年有效风功率密度小于100W/m2，3～20m/s风速的 年累积小时数小于2000h，年平均风速小于4.5m/s；
第二节 风力发电机组概述
一、总体结构 二、基本参数 三、分类
一、总体结构
二、基本参数
三、分类
1.按风力机的角度分 (1)按捕获风能多少分 1)小型：10kW以下，主要用于离网发电的场合，一般采用尾翼自动 对风； 2)中型：10～600kW，主要用于微网发电的场合； 3)大型：大于600kW，主要用于并入大型公共电网发电的场合。 (2)按驱动原理分 1)升力型：风轮旋转是由叶片所受的升力作用引起的； 2)阻力型：风轮旋转是由叶片对风的阻力作用引起的。 (3)按风轮轴方向分 1)水平轴：水平轴机组是风轮轴基本上平行于风向的风力发电机组， 如图1-14a所示。
第一章 绪论
第一节 风 第二节 风力发电机组概述 第三节 并网供电风力发电机组
第一节 风
一、风的形成 二、风力等级 三、风的测量 四、风的数学描述 五、风能可利用区的划分
1.大气环流
一、风的形成
一、风的形成
2.季风环流
图1-1 三圈环流示意图
一、风的形成
图1-2 季风的地理分布
一、风的形成
图1-26 “半直驱”型机组
二、常见机型
图1-27 中速发电机(“半直驱”)机组内部结构
图1-18 笼型感应发电机恒速机组
二、常见机型
2.多态恒速式
图1-19 恒速恒频风力发电机组
3.优化转差式
二、常见机型
二、常见机型
4.双馈式
图1-20 优化转差式机组
二、常见机型
图1-21 双馈式机组
二、常见机型
图1-22 双馈式风力发电机组的内部结构
5.多级齿轮箱全功率变流器式
6.直驱式
三、风的测量
4)光电式：风速旋转轴上装有一圆盘，盘上有等距的孔，孔上面有 一红外光源，正下方有一光电半导体，风杯带动圆盘旋转时，由于 孔的不连续性，形成光脉冲信号，经光电半导体器件接收放大后变 成电脉冲信号输出，每一个脉冲信号表示一定的风行程。
1.风廓线
四、风的数学描述
四、风的数学描述
图1-10 不同粗糙度长度的风廓线
四、风的数学描述
表1-2
α值
四、风的数学描述
图1-11 风玫瑰图 a) 风向玫瑰图 b) 风能玫瑰图
四、风的数学描述
2.风频特性 (1)风向频率 在一定时间内各种风向出现的次数占所观测总次数的 百分比，叫风向频率。 (2)风速频率 风速频率反映风的重复性，指在一个月或一年的周期 中发生相同风速的时数占这段时间刮风总时数的百分比。 (3) 风玫瑰图 参照图1-7将风向分为若干个方位，根据各方向风出 现的频率按相应的比例长度绘制在图上，就称风向玫瑰图，如图1-1 1a所示。 1)盛行风向：指根据当地多年观测资料绘制的年风向玫瑰图中，风 向频率较大方向。 2)风向旋转方向：指风向随着季节旋转。
四、风的数学描述
3)最小风向频率：指两个盛行风向对应轴大致垂直两侧风向频率最 小的方向。 3.风速频率的统计特性
四、风的数学描述
图1-12 威布尔分布双参数曲线
4.风功率及风功率密度
四、风的数学描述
(1)风功率及风功率密度定义 风功率是指单位时间内，以速度v垂直 流过截面A的气流所具有的动能。 (2)平均风功率密度 衡量某一地区风能大小，要视常年平均风能的 多少而定。 5.湍流 6.空气密度
五、风能可利用区的划分
表1-4 风功率密度等级表
2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面标准大 气压并符合瑞利风速频率分布的情况推算。 3)风资源可利用区：年有效风功率密度为150～100W/m2，3～20m/s 风速的年累积小时数为4000～2000h，年平均风速在5m/s左右；
五、风能可利用区的划分
一、风的形成
图1-3 海陆热力差异引起的季风示意图 a)冬季 b)夏季
三、分类
图1-14 水平轴与垂直轴风力发电机组 a)水平轴 b)垂直轴
三、分类
图1-15 风力机与风向 a)上风向 b)下风向
三、分类
2)垂直轴：垂直轴机组是风轮轴垂直于风向的风力发电机组，如图1 -14b所示。 (3)按额定功率调节方式分 1)定桨距：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变。 2)变桨距：这种机组当风速过高时，通过叶片安装角度的变化，改 变获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。 3)主动失速：这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。 2.按发电机的角度分 (1)按转速分 1)高速型：风力发电机组应用高速发电机，由于风轮的转速较低， 通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱的增速作用来实现。
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
2.风速与风级的关系
1.测风系统
三、风的测量
三、风的测量
2.风向测量
图1-6 标式风向传感器
三、风的测量
(1)风向标 风向标是测量风向的最通用的装置，有单翼型、双翼型 和流线型等。 (2)风向表示 风向一般用16个方位表示，即北东北(NNE)、东北(N E)、东东北(ENE)、东(E)、东东南(ESE)、东南(SE)、南东南(SSE)、 南(S)、南西南(SSW)、西南(SW)、西西南(WSW)、西(W)、西西北 (WNW)、西北(NW)、北西北(NNW)、北(N)。 3.风速测量 (1)风速计 1)旋转式风速计：它的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组 件，常用的有风杯和螺旋桨叶片两种类型。
一、风的形成
(2)行星风带位置季节转换对我国季风的作用 地球上存在着5个风 带。 (3)青藏高原对我国季风的作用 青藏高原占我国陆地的1/4，平均海 拔在4000m以上，对应于周围地区具有热力作用。 3.局地环流 (1)海陆风 海陆风的形成与季风相同，也是由大陆与海洋之间的温 度差异的转变引起的。
二、常见机型
二、常见机型
图1-23 多级齿轮箱全功率变流机组 a)采用笼型感应发电机 b)采用永磁同步发电机
二、常见机型
图1-24 直驱型全功率变流机组 a)采用多极电励磁同步发电机 b)采用多极永磁同步发电机
二、常见机型
图1-25 永磁直驱风力发电机组内部结构
7.中速发电机(“半直驱”)式
二、常见机型
三、分类源自文库
2)低速(直驱)型：风力发电机组应用多极同步发电机，让风力机直接 拖动发电机转子运转在低速状态，可以去掉齿轮箱，提高了机组的 可靠性。 3)中速(“半直驱”)型：这种风力发电机组的工作原理是以上两种型 式的折中。 (2)按转速变化分 1)恒速：发电机在与电网频率相对应的恒定转速下工作，风力机也 在恒定不变的转速下运行，称为恒速恒频运行方式。 2)多态恒速：机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可 以有不同大小和数量的发电机投入运行，使风力机在两个或两个以 上的速度下工作，从而提高效率。
一、风的形成
(2)山谷风
图1-4 海陆风形成示意图 a)夜间 b)白天
山谷风的形成原理跟海陆风是类似的。
一、风的形成
图1-5 山谷风形成示意图 a)白天 b)夜间
1.风级的划分
二、风力等级
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
二、风力等级
表1-1 蒲福(Beaufort)风力等级表
四、风的数学描述
表1-3 海平面空气密度表
五、风能可利用区的划分
1)风资源丰富区：年有效风功率密度大于200W/m2，3～20m/s风速的 年累积小时数大于5000h，年平均风速大于6m/s； 2)风资源次丰富区：年有效风功率密度为200～150W/m2，3～20m/s 风速的年累积小时数为5000～4000h，年平均风速在5.5m/s左右；
三、分类
3)变速：采用变速发电机，可以使风力机的转速随风速连续变化， 更有效地捕获风能。
第三节 并网供电风力发电机组
一、工作原理 二、常见机型
一、工作原理
1.能量流
图1-16 并网风力发电机组总体结构
一、工作原理
2.信息流
图1-17 风力发电机组的工作原理
1.恒速式
二、常见机型
二、常见机型
三、风的测量
图1-7 风向16方位图
三、风的测量
图1-8 旋转杯形风速计
三、风的测量
2)声学风速计：又称超声波风速计(见图1-9)，是利用声波在大气中 传播速度与风速间的函数关系来测量风速。
三、风的测量
图1-9 超声波风速计
三、风的测量
3)激光风速计：可以检测空气分子反射的相干光波，从而辨别气流 速度。 (2)风速记录 1)机械式：当风速感应器旋转时，通过蜗杆带动蜗轮转动，再通过 齿轮系统带动指针旋转，从刻度盘上直接读出风的行程，除以时间 得到平均风速； 2)电接式：由风杯驱动的蜗杆，通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮 上，风杯旋转一定圈数，凸轮使相当于开关作用的两个接点闭合或 打开，完成一次接触，表示一定的风行程； 3)电机式：风速感应器驱动一个小型发电机中的转子，输出与风速 感应器转速成正比的交变电流，输送到风速的指示系统；
4)风资源贫乏区：年有效风功率密度小于100W/m2，3～20m/s风速的 年累积小时数小于2000h，年平均风速小于4.5m/s；
第二节 风力发电机组概述
一、总体结构 二、基本参数 三、分类
一、总体结构
二、基本参数
三、分类
1.按风力机的角度分 (1)按捕获风能多少分 1)小型：10kW以下，主要用于离网发电的场合，一般采用尾翼自动 对风； 2)中型：10～600kW，主要用于微网发电的场合； 3)大型：大于600kW，主要用于并入大型公共电网发电的场合。 (2)按驱动原理分 1)升力型：风轮旋转是由叶片所受的升力作用引起的； 2)阻力型：风轮旋转是由叶片对风的阻力作用引起的。 (3)按风轮轴方向分 1)水平轴：水平轴机组是风轮轴基本上平行于风向的风力发电机组， 如图1-14a所示。
第一章 绪论
第一节 风 第二节 风力发电机组概述 第三节 并网供电风力发电机组
第一节 风
一、风的形成 二、风力等级 三、风的测量 四、风的数学描述 五、风能可利用区的划分
1.大气环流
一、风的形成
一、风的形成
2.季风环流
图1-1 三圈环流示意图
一、风的形成
图1-2 季风的地理分布
一、风的形成
图1-26 “半直驱”型机组
二、常见机型
图1-27 中速发电机(“半直驱”)机组内部结构
图1-18 笼型感应发电机恒速机组
二、常见机型
2.多态恒速式
图1-19 恒速恒频风力发电机组
3.优化转差式
二、常见机型
二、常见机型
4.双馈式
图1-20 优化转差式机组
二、常见机型
图1-21 双馈式机组
二、常见机型
图1-22 双馈式风力发电机组的内部结构
5.多级齿轮箱全功率变流器式
6.直驱式
三、风的测量
4)光电式：风速旋转轴上装有一圆盘，盘上有等距的孔，孔上面有 一红外光源，正下方有一光电半导体，风杯带动圆盘旋转时，由于 孔的不连续性，形成光脉冲信号，经光电半导体器件接收放大后变 成电脉冲信号输出，每一个脉冲信号表示一定的风行程。
1.风廓线
四、风的数学描述
四、风的数学描述
图1-10 不同粗糙度长度的风廓线
四、风的数学描述
表1-2
α值
四、风的数学描述
图1-11 风玫瑰图 a) 风向玫瑰图 b) 风能玫瑰图
四、风的数学描述
2.风频特性 (1)风向频率 在一定时间内各种风向出现的次数占所观测总次数的 百分比，叫风向频率。 (2)风速频率 风速频率反映风的重复性，指在一个月或一年的周期 中发生相同风速的时数占这段时间刮风总时数的百分比。 (3) 风玫瑰图 参照图1-7将风向分为若干个方位，根据各方向风出 现的频率按相应的比例长度绘制在图上，就称风向玫瑰图，如图1-1 1a所示。 1)盛行风向：指根据当地多年观测资料绘制的年风向玫瑰图中，风 向频率较大方向。 2)风向旋转方向：指风向随着季节旋转。
四、风的数学描述
3)最小风向频率：指两个盛行风向对应轴大致垂直两侧风向频率最 小的方向。 3.风速频率的统计特性
四、风的数学描述
图1-12 威布尔分布双参数曲线
4.风功率及风功率密度
四、风的数学描述
(1)风功率及风功率密度定义 风功率是指单位时间内，以速度v垂直 流过截面A的气流所具有的动能。 (2)平均风功率密度 衡量某一地区风能大小，要视常年平均风能的 多少而定。 5.湍流 6.空气密度
五、风能可利用区的划分
表1-4 风功率密度等级表
2.与风功率密度上限值对应的年平均风速参考值，按海平面标准大 气压并符合瑞利风速频率分布的情况推算。 3)风资源可利用区：年有效风功率密度为150～100W/m2，3～20m/s 风速的年累积小时数为4000～2000h，年平均风速在5m/s左右；
五、风能可利用区的划分