风力发电基础知识PPT课件
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A
i
v
F
1 2
Cr
Sv2
总的气动力，S
— 桨叶面积，Cr
— 总气动系数
Fl
1 2
ClSv2
升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数
C压力中心
Fd
1 2
CdS
v2
阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系 数
B
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。
.
20
四 、风力发电机组的空气动力基础知识 升力和阻力的变化曲线
E ex 2 1A1 3v 2 11v v3 11v v3 12
风能
最大风能利用系数 cp
P风电机组功率=(1/2) ρ V3 A Cp
当V1=3V3时，Cp达到最大值： Cp=1/2*(1+1/3)*(1-(1/3)^2)=16/27≈59.3%
.
15
三、风力发电机组的理论基础 推力: T m (v 1 v 3 )2 1 A (v 1 v 3 )v ( 1 v 3 )
0.8
Cl
0.6
0.4
Cd
0.2
-30o -20o -10o 0o Cl min -0.2
i 10o iM 20o 30o 40o
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
•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。
•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。
假设: 空气流是均匀的，空气密度是常量 密度、速度和面积的乘积是不变的
v 1 A 1 v 2 A 2 v 3 A 3
.
13
三、风力发电机组的理论基础
吸收功率 = 上风向能量 – 下风向能量 吸收的风能: Eex21m(12 vv32)
吸收功率: E ex21.m (v12v32)
14
三、风力发电机组的理论基础 吸收的风能
风轮旋转角速度,rad/s。
.
17
三、风力发电机组的理论基础
功率P可表示成风轮获得的总转矩M和风轮角速度
的乘积，由＝ V ，得
R
Cp (, )
0.5
0.4
3
C p
2M SV 2R
C p max
0.3 0.2
5 7 9
并定义
0.1
11
0
0
5
10
15
20
M
Cp
2M
.
4
一 、风力发电机组的分类
风力发电系统的分类——按功率调节方式
定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自 动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。 变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过 额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。 主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控 制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功 率增加。
.
6
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——按发电机形式（基本类型）
Grid
Gear box
Ps IG
Compensation
(a) 固定转速的异步发电机组
Ps DFIG
Gear box
sPs
AC DC
sPs
DC AC
Converter
(b) 双馈异步发电机组
Ps
PMSG
AC DC
DC AC
推力T
TcT 2 1v1 2 AwitcT h9 80.89
CT为推力系数,当V1=V3时,C. T达到最大.
16
三、风力发电机组的理论基础
叶尖速比
为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与
来流风速之比来描述，称为叶尖速比 ＝2RnR
VV 式中 n风轮转速，r/min; R叶尖的半径，m; V－上游风速，m/s;
为无因次数，正比于转矩。
SV 2R
Pmax kww3
kw1 2
SR
opt
3
Cpmax
T0 kww2
风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线
构成风轮机空气动力特性曲线
.
18
三、风力发电机组的理论基础
Cp (, )
0.5
C p max C p max
0.4
3
0.3
5
7 0.2
9
风力发电基础知识
.
1
课程目录
一 、风力发电机组的分类 二 、风力发电机组的功能原理 三 、风力发电机组的理论基础 四 、风力发电机组的空气动力基础知识 五、 风力发电机组设计风区分类
.
2
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——风轮轴向
垂直轴
.
水平轴
3
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——叶片数量
.
5
一 、风力发电机组的分类
风力发电系统的分类——按传动形式
高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过 齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。 直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱， 让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的 噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。 中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中 传动比高传动风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步 风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。
.
690 V
8
二、风力发电机组的功能原理
.
9
二 、风力发电机组的功能原理
风力发电机组主要组成 驱动链
机舱罩
叶轮
轮毂
控制系统 发电机 偏航系统
变电系统
.
10
三 、风力发电机组的理论基础
Ewind
源自文库1mv2 2
m AdxAv dt
.
11
三、风力发电机组的理论基础 扫风面积：A
.
12
三、风力发电机组的理论基础
Converter
(c) 永磁直驱同步发电机组
.
Grid Filter
Filter
Grid
7
二、风力发电机组的功能原理
风力发电机组的功能原理：
基本功能原理是风能转换 成电能，这需要两个阶段来 完成。
风能→机械能→电能
风力发电机组 变电站（升压站） 变压器
110 - 220 kV
10 – 35 kV
0.1
11
0
0
5
10
15
0.5
20
Cp (, )
0.4
0.3
0.2
0.1
.
0
0
5
10
19
15
20
四 、风力发电机组的空气动力基础知识
1、桨叶的翼型
升力角
风向
v
0 零升力角
i功角
弦长
l
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
2、桨叶上的气动力
i
v
F
1 2
Cr
Sv2
总的气动力，S
— 桨叶面积，Cr
— 总气动系数
Fl
1 2
ClSv2
升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数
C压力中心
Fd
1 2
CdS
v2
阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系 数
B
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。
.
20
四 、风力发电机组的空气动力基础知识 升力和阻力的变化曲线
E ex 2 1A1 3v 2 11v v3 11v v3 12
风能
最大风能利用系数 cp
P风电机组功率=(1/2) ρ V3 A Cp
当V1=3V3时，Cp达到最大值： Cp=1/2*(1+1/3)*(1-(1/3)^2)=16/27≈59.3%
.
15
三、风力发电机组的理论基础 推力: T m (v 1 v 3 )2 1 A (v 1 v 3 )v ( 1 v 3 )
0.8
Cl
0.6
0.4
Cd
0.2
-30o -20o -10o 0o Cl min -0.2
i 10o iM 20o 30o 40o
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
•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。
•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。
假设: 空气流是均匀的，空气密度是常量 密度、速度和面积的乘积是不变的
v 1 A 1 v 2 A 2 v 3 A 3
.
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三、风力发电机组的理论基础
吸收功率 = 上风向能量 – 下风向能量 吸收的风能: Eex21m(12 vv32)
吸收功率: E ex21.m (v12v32)
14
三、风力发电机组的理论基础 吸收的风能
风轮旋转角速度,rad/s。
.
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三、风力发电机组的理论基础
功率P可表示成风轮获得的总转矩M和风轮角速度
的乘积，由＝ V ，得
R
Cp (, )
0.5
0.4
3
C p
2M SV 2R
C p max
0.3 0.2
5 7 9
并定义
0.1
11
0
0
5
10
15
20
M
Cp
2M
.
4
一 、风力发电机组的分类
风力发电系统的分类——按功率调节方式
定桨距风机：桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自 动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。 变桨距调节：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过 额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。 主动失速调节：风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控 制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功 率增加。
.
6
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——按发电机形式（基本类型）
Grid
Gear box
Ps IG
Compensation
(a) 固定转速的异步发电机组
Ps DFIG
Gear box
sPs
AC DC
sPs
DC AC
Converter
(b) 双馈异步发电机组
Ps
PMSG
AC DC
DC AC
推力T
TcT 2 1v1 2 AwitcT h9 80.89
CT为推力系数,当V1=V3时,C. T达到最大.
16
三、风力发电机组的理论基础
叶尖速比
为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与
来流风速之比来描述，称为叶尖速比 ＝2RnR
VV 式中 n风轮转速，r/min; R叶尖的半径，m; V－上游风速，m/s;
为无因次数，正比于转矩。
SV 2R
Pmax kww3
kw1 2
SR
opt
3
Cpmax
T0 kww2
风能利用系数和无因次数随叶尖速比变化的曲线
构成风轮机空气动力特性曲线
.
18
三、风力发电机组的理论基础
Cp (, )
0.5
C p max C p max
0.4
3
0.3
5
7 0.2
9
风力发电基础知识
.
1
课程目录
一 、风力发电机组的分类 二 、风力发电机组的功能原理 三 、风力发电机组的理论基础 四 、风力发电机组的空气动力基础知识 五、 风力发电机组设计风区分类
.
2
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——风轮轴向
垂直轴
.
水平轴
3
一 、风力发电机组的分类 风力发电系统的分类——叶片数量
.
5
一 、风力发电机组的分类
风力发电系统的分类——按传动形式
高传动比齿轮箱型：风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过 齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。 直接驱动型：应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱， 让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的 噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。 中传动比齿轮箱（半直驱）型：这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中 传动比高传动风力机减少了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步 风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。
.
690 V
8
二、风力发电机组的功能原理
.
9
二 、风力发电机组的功能原理
风力发电机组主要组成 驱动链
机舱罩
叶轮
轮毂
控制系统 发电机 偏航系统
变电系统
.
10
三 、风力发电机组的理论基础
Ewind
源自文库1mv2 2
m AdxAv dt
.
11
三、风力发电机组的理论基础 扫风面积：A
.
12
三、风力发电机组的理论基础
Converter
(c) 永磁直驱同步发电机组
.
Grid Filter
Filter
Grid
7
二、风力发电机组的功能原理
风力发电机组的功能原理：
基本功能原理是风能转换 成电能，这需要两个阶段来 完成。
风能→机械能→电能
风力发电机组 变电站（升压站） 变压器
110 - 220 kV
10 – 35 kV
0.1
11
0
0
5
10
15
0.5
20
Cp (, )
0.4
0.3
0.2
0.1
.
0
0
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15
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四 、风力发电机组的空气动力基础知识
1、桨叶的翼型
升力角
风向
v
0 零升力角
i功角
弦长
l
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
2、桨叶上的气动力