《风力发电原理》课复习思考题

风力发电原理风力发电原理 课复习思考题课复习思考题 1 1 性能参数性能参数 风能利用系数 尖速比 升力系数 阻力系数 机械效率 发电机风能利用系数 尖速比 升力系数 阻力系数 机械效率 发电机 效率 效率 2 2 贝茨理论的假设条件 推导过程 结论 贝茨理论的假设条件 推导过程 结论 3 并网型风电机组的主要技术指标设计 并网型风电机组的主要技术指标设计 4 定浆距与变浆距风电机组的机械与电气系统的区别 定浆距与变浆距风电机组的机械与电气系统的区别 5 风电机组的发电机的类型主要有几种 区别是什么 风电机组的发电机的类型主要有几种 区别是什么 6 风电机组的并网要求是什么 如何实现 风电机组的并网要求是什么 如何实现 7 叶轮与发电机如何匹配 叶轮与发电机如何匹配 8 目前风电机组存在的主要技术问题是什么 目前风电机组存在的主要技术问题是什么 9 你对国际风电技术发展有何建议 你对国际风电技术发展有何建议 10 你对中国风电技术发展有何建议 你对中国风电技术发展有何建议 11 你认为哪方面风电技术最重要 你认为哪方面风电技术最重要 12 风力发电原理风力发电原理 课复习思考题课复习思考题 1 1 性能参数 性能参数 风能利用系数 尖速比 升力系数 阻力系数 机械效率 发电机风能利用系数 尖速比 升力系数 阻力系数 机械效率 发电机 效率 效率 风能利用系数 风能利用系数 风轮从风中吸收部分气流功率 这个功率除以一个和风轮同样大小的 圆盘上通过的未扰动的空气的功率 叫做风轮的功率因子 即风轮的风能利用系数 用 表示 式中 风轮输出功率 W P C 3 2 1 VACP P P 风能利用系数 59 3 P C 风轮扫掠过的面积 m2 A 空气密度 kg m3 风速 m s V 尖速比尖速比 表示风力机性能的数值称为 T S R Tip Speed Ratio 它定义为风力机叶片叶尖速 度和风速的比值 称为叶尖速度比 或高速性能系数 简称尖速比 表示为 V R V nR 60 2 式中 旋转角速度 rad s R 叶轮的半径 m n 叶轮转速 r min V 风速 m s 升力系数阻力系数升力系数阻力系数 翼型所受的力是作用在上下表面的分布力之合力 表面力有两种 一种是法向力 即压力 另一种是切向力 即摩擦阻力 这里定义和远前方来流相垂直的合力为升力 而 与远方来流方向相一致的合力为阻力 升力和阻力通常表示为量纲为一的升力系数 和阻 力系数 二者的定义如下 其中的 L 和 D 分别代表升力和阻力 单位为 N 来流的动压头为 单位是 C 是弦长 单位是 m 机械效率 发电机效率 机械效率 发电机效率 决定于风力机的额定功率 还与风力机运行地区的海拔高度 风轮功率系数 传动系统及 32 12 1 8 rP PVD C 发电机效率等因素有关 风力机设计时 首先通过计算选定一个风轮直径 其中 P 风力机输出功率 空气密度 一般取 1 225kg m3 风力机额定风速 D 风轮直径 CP 风轮功率系数 一般取 0 43 0 45 1 传动系统效率 一般取 0 92 2 发电机效率 一般取 0 95 2 2 贝茨理论的假设条件 推导过程 结论 贝茨理论的假设条件 推导过程 结论 3 3 并网型风电机组的主要技术指标设计 并网型风电机组的主要技术指标设计 风力机几何参数风力机几何参数 叶片几何参数叶片几何参数 风轮几何参数风轮几何参数 风力机空气动力设计参数风力机空气动力设计参数 风力机翼型风力机翼型 风力机叶片气动外形设计风力机叶片气动外形设计 结构设计结构设计 控制系统设计等控制系统设计等 风力机工程设计方法风力机工程设计方法 1 设计参数 设计参数 风力机型式 上风向或下风向 定桨距或变桨距 风力机型式 上风向或下风向 定桨距或变桨距 叶片数 额定风速 额定功率 切入风速 切出风速 风轮转速 叶片数 额定风速 额定功率 切入风速 切出风速 风轮转速 风轮直径 风轮倾角 叶片锥角 风轮旋转方向 轮毂直径 轮毂风轮直径 风轮倾角 叶片锥角 风轮旋转方向 轮毂直径 轮毂 高度 轮毂与叶片连接处至轮毂中心的距离 风轮功率系数 发电高度 轮毂与叶片连接处至轮毂中心的距离 风轮功率系数 发电 机效率 传动系统效率等 机效率 传动系统效率等 2 风力机工程设计方法 风力机工程设计方法 在风力机工程设计中要用到以下公式 在风力机工程设计中要用到以下公式 风力机功率 风轮半径 叶尖速比 叶尖速比 风力机转速 风力机转速 空气密度可由不同海拔高度的空气密度表查得 空气密度可由不同海拔高度的空气密度表查得 4 4 定浆距与变浆距风电机组的机械与电气系统的区别 定浆距与变浆距风电机组的机械与电气系统的区别 定桨距失速控制 风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性 这种机组的输出功率 随风速的变化而变化 从风能利用系数 Cp的关系看 难以保证在额定风速之前使 Cp最大 特别是在低风速段 这种机组通常设计有两个不同功率 不同极对数的异步发动机 大功 率高转速的发动机工作于高风速区 小功率低转速的发动机工作于低风速区 由此来调节 尖速比 追求最佳 Cp 当风速超过额定风速时 通过叶片的失速或偏航控制降低 Cp 从而维持功率恒定 装有叶尖扰流器 作为空气动力刹车 叶轮与轮毂固定 根据当地风资源情况 确定 浆距角 4 4 定桨距失速控制风力机整机机构简单 部件少 造价低 并具有较高的安全系统 利 于市场竞争 但失速型叶片本身结构复杂 成型工艺难度也较大 随着功率增加 叶片加 长 所承受的气动推力增大 叶片的失速动态特性不易控制 使制造更大机组受到限制 变桨距控制 为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳 风力 机将进行桨距调整 在定桨距基础上加装桨距调节环节 成为变桨距风力发电机组 变桨 距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性 它要依靠与叶片相匹配的叶片攻 角改变来进行调节 在额定风速以下时攻角处于零度附近 此时 叶片角度受控制环节精 度的影响 变化范围很小 可看作等同于定桨距风力发电机组 在额定风速以上时 变桨 距机构发挥作用 调整叶片攻角 保证发电机的输出功率在允许范围以内 变桨距风力发 电机组的起动风速较定桨距风力发电机组低 停机时传动机械的冲击应力相对缓和 变桨距风力机能使叶片的安装角随风速而变化 从而使风力机在各种工况下 起动 正常 运转 停机 按最佳参数运行 它可以使发动机在额定风速以下的工作区段有较高的发电 量 而在额定风速以上高风速区段不超载 不需要过载能力大的发电机等 当然它的缺点 是需要有一套比较复杂的变桨调节机构 现在这两种功率调节方案在技术上都比过去的有 很大改进 5 5 风电机组的发电机的类型主要有几种 区别是什么 风电机组的发电机的类型主要有几种 区别是什么 1 恒速恒频系统的同步发电机或异步发电机 恒速恒频系统的同步发电机或异步发电机 通过稳定风力机的转速来保持发电机频率恒定 不论发电机的转矩 对叶轮讲即为阻 转矩 如何变化 发电机的转速恒定不变 这要求风力机有很好的调速机构 或采用其他 方式维持风力发电机转子转速不变 以便维持发电机的频率与电网的频率相同 否则 发 电机将与电网解裂 恒速恒频系统缺点是风能利用系数低 减少了机组的年发电量 2 变速恒频发电系统 变速恒频发电系统 双馈异步发电机双馈异步发电机 新型风力发电系统 其特点是发电机的转速和负荷可以在很大范围内变化而不影响其 输出电压和频率的恒定 无刷双馈发电机由两台绕线式异步电机组成 两转子的同轴连接省去了滑环和电刷 无刷双馈发电机可在转子转速变化的条件下 通过控制励磁机的励磁电流频率来确保发电 机输出电频率保持在 50Hz 不变 因此 无刷双馈发电机可实现变速恒频发电 无刷双馈 发电机结构简单 坚固可靠 比较适合风力发电等运行环境比较恶劣的发电系统使用 3 低速交流发电机 低速交流发电机 直驱式风力发电机组 采用可低转速运行的发电机直接与风力机匹配 省去齿轮箱和 高速传动装置 在提高几个百分点效率的同时 可减轻系统重量 降低噪声高速机械磨损 其低成本和维修少的优点 4 高压同步发电机 高压同步发电机 将同步发电机的输出端电压提高到 10 20kV 以上 发电机的定子绕组输出电压高 可以不用升压变压器而直接与电网连接 即兼有发电机和变压器的功能 是一种综合发电 设备 高压发电机与风力机转子叶轮直接连接 不用齿轮箱 高压发电机采用深槽形定子铁芯 转子采用永磁材料 极数多 6 6 风电机组的并网要求是什么 如何实现 风电机组的并网要求是什么 如何实现 把风力发电机联接到电网上必须满足四个条件 1 发电机的频率与电网的频率相等 2 发电机的电压 幅值 与电网电压 幅值 相等 3 发电机的电压相序与电网电压相序相同 4 并联合闸时发电机的电压相角与电网的电压相角一致 为了实现风力发电机组并网对叶轮和发电机技术有较高的要求 如上叙述发电机和叶 轮的技术 传统的控制模式需要首先建立一个有效的系统模型 而由于空气动力学的不确 定性和电力电子模型的复杂性 系统模型的不易确定 所有基于某些有效系统模型的控制 也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期 由现代控制技术发展 模糊逻辑和神经网 络的智能控制被引入风力发电机组控制领域 用模糊逻辑控制进行电压和功率调节 用神 经网络控制桨距调节及预测风力气动特性 前风力发电机组的普遍采用的并网方法是软并网技术 采用双向晶闸管的软切入法 使异 步发电机并网 同步发电机并网近年得到了发展 通过在同步发电机与电网之间采用变频 装置 转速和电网频率之间的耦合问题得以解决 该发电机在变速风力发电机组中应用 7 7 叶轮与发电机如何匹配 叶轮与发电机如何匹配 8 8 目前风电机组存在的主要技术问题是什么 目前风电机组存在的主要技术问题是什么 电网冲击 功率调节 风能利用率 维修不方便 9 9 你对国际风电技术发展有何建议 你对国际风电技术发展有何建议 增加寿命 提高设备可利用率 抗台风 低温 沙尘暴等极端天气情况 降低设备成本 从而降低风力发电成本 与普通能源具备竞争性 增加单机容量 减轻重量 提高转换效率 增加可靠性 主要发展趋势是 更大的规模 高度优化的叶片空气动力学和结构 更多的变速类型 海上风场市场份额增加 直驱和混合传动系统 向更加智能化系统方向发展 特别是系统载荷和振动的主动控制 1010 你对中国风电技术发展有何建议 你对中国风电技术发展有何建议 政策扶持 政策扶持 发展压缩空气储能技术 在保证低风速时和无风时系统正常发电的前提下 将目前国际上 尚不能利用的风能采用压缩压缩空气储能技术储存 明显改善风能利用中存在的密度低 不稳定和间歇性等缺