风力发电实验指导详解

大型风机风轮的转速最高为每分几十转，采用直驱方式，发出的交流电频率远低于电网交流电频率。
为满足并网要求，永磁风力发电机组采用交流-直流-交流的全功率变流模式，即风电机组发出的交流电
整流成直流，再变频为与电网同频同相的交流电输入电网。全功率变流模式的缺点是对换流器的容量要
1
P
1 2
mV12
1 2
SV13
(1)
空气的动能与风速的立方成正比。
（1）式中为空气密度，由气体状态方程，密度与气压 p，绝对温度 T 的关系为：
Mp 3.49 103 p
(2)
RT
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（2）式中 M 是气体的摩尔质量，R 为普适气体常数。气压会随海拔高度 h 变化，代入 0C 时反映
气压随高度变化的恒温气压公式：
与其它能源相比，风力，风向随时都在变动中。为适应这种变动，最大限度地利用风能，近年来在 风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面，都进行 了大量的研究，取得重大进展，为风力发电的飞速发展奠定了基础。
风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会，普及风电知识，在高等院校培养相关专门人才已 成当务之急。
风力发电常用的发电机有以下 3 种。
1. 永磁同步直驱发电机
2
永磁同步电机的转子采用永磁材料制造，省去了转子励磁绕组和相应的励磁电路，无需励磁电源，
转子结构比较简单，效率高，是今后电机发展的主流机型之一。
永磁发电机通常由风轮直接驱动发电，没有齿轮箱等中间部件，提高了机组的可靠性，减少了传动
损耗，提高了发电效率，在低风速环境下运行效率比其它发电机更高。
风力发电实验
风能是一种清洁的可再生能源，蕴量巨大。全球的风能约为 2.7×10 8 万千瓦，其中可利用的风能为 2×10 6 万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大 10 倍。随着全球经济的发展，对能源的需求日益 增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。
大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。发展风 电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。近几年，随着我国的 风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。
电网电能同频率，同相位，并满足电网安全运行的诸多要求。大型风电机组大都采用并网运行方式。
发电机由静止的定子和可以旋转的转子两
大部分组成，定子和转子一般由铁芯和绕组组
成，铁芯的功能是靠铁磁材料提供磁的通路， 以约束磁场的分布，绕组是由表面绝缘的铜线 缠绕的金属线圈。
发电机原理可用图 1 说明。转子励磁线圈
2、发电方式与发电机选择
风力发电有离网运行与并网运行 2 种发电方式。
离网运行是风力发电机与用户组成独立的供电网络。由于风电的不稳定性，为解决无风时的供电，
必需配有储能装置，或能与其它电源切换，互补。中小型风电机组大多采用离网运行方式。
并网运行是将风电输送到大电网中，由电网统一调配，输送给用户。此时风电机组输出的电能必需与
据 2011 年 4 月《国家电网公司促进风电发展白皮书》。截至 2010 年底，全国风电并网容量 2956 万千瓦，“十一五”期间年均增速接近 100%。2010 年，全国风电机组平均利用小时数 2097 小时。蒙东、 蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到 21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，风电利 用已达到较高水平。预计到 2015 年，我国风电规模将超过 9000 万千瓦，2020 年将达到 1.5 亿千瓦以上。
实验原理
1、风能与风速测量 风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。设计规程规定一般应收集有关气 象站风速风向 30 年的系列资料，发电场场址实测资料一年以上。在现有技术及成本条件下，在年平均 风速 6 米以上的场址建风力发电站，可以获得良好的经济效应。风力发电机组的额定风速，也要参考年 平均风速设计。 设风速为 V1，单位时间通过垂直于气流方向，面积为 S 的截面的气流动能为：
p
Mg h
p0e RT
p0 (1
Mg RT
h)
1.013 105 (1 1.25 104 h (3)
（3）式在 h 小于 2km 时比较准确。将（3）式代入（2）式：
3.53 102 1 1.25 104 h
(4)
T
（4）式中 h 的单位为米，在标准大气压下（T=273K，h=0），空气密度值为 1.293kg/m3。 （4）式表明海拔高度和温度是影响空气密度的主要因素，它是一种近似计算公式，实际上，即使 在同一地点，同一温度，气压与湿度的变化也会影响空气密度值。在不同的书籍中，经常可看到不同的 近似公式。
测量风速有多种方式，目前用得较多的是旋转式风速计及热线（片）式风速计。 旋转式风速计是利用风杯或螺旋桨的转速与风速成线性关系的特性，测量风杯或螺旋桨转速，再将 其转换成风速显示。旋转式风速计的最佳测量范围是 5～40m/s。 热 线 （ 片 ） 式 风 速 计 有 一 根 被 电 流 加 热 的 金 属 丝 （ 片 ）， 流 动 的 空 气 使 它 散 热 ， 利 用 散 热 速 率和风速之间的关系，即可制成热线（片）风速计。在小风速（5m/s 以下）时，热线（片）式 风速计精度高于旋转式风速计。
实验一 风电模型系统实验
实验内容
1）风速，螺旋桨转速（也是发电机转速），发电机感应电动势之间关系测量 2）测量扭曲型可变浆距 3 叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数 CP 关系 3）切入风速到额定风速区间功率调节实验 4）额定风速到切出风速区间功率调节实验 － 变浆距调节 5）风帆型 3 叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数 CP 关系的测量 6）平板型 4 叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数 CP 关系的测量
定子
n
N
转子
通电产生磁场，风轮带动转子转动，定子绕组
切割磁力线，感应出电动势，感应电动势的大
S
小与导体与磁场的相对运动速度有关。
风力发电机都是 3 相电机，图 1 中定子绕 组只画了 1 相中的 1 组，对应于一对磁极，若
图 1 发电机原理示意图
电机中每相定子绕组由空间均匀分布的 P 组串联的铁芯和绕组组成，则会形成 P 对磁极。