风力发电原理

1、风力发电原理 风力发电原理风力发电原理 风力发电原理 n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。简单的说 风力发电就是将风能转 换为机械能进而将机械 能再转换为电能的过程。 n 现代风力发电机采用空 气动力学原 理 ，就像 飞机的机翼一样。 风力发电原理 风并非 推 动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶 片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转 并不断横切风流 。 n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。

2、 风力发电原理 （一）风力发电设备 组成：风力发电机组包括两大部分； 一部分是风力机，由它将风能转换为机械能； 另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。 分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置，可 分为水平轴式或垂直轴式。 2）从塔架位置上，分为上风式和下风式； 风力发电原理 3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式。 4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S 型等； 5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力 型的区别。 6）以风力机的容量分，则有微型(1kW以下)、 小型(110kW)、中型(10100kW)和大型 (100kw以上)机。 风力发电

3、原理 1、风力机的主要技术指标参数 n风轮直径，通常风力机的功率越大，直径 越大； n叶片数目，高速发电用风力机为24片， 低速风力机大干4片； n叶片材料，现代常采用高强度低密度的复 合材料； n风能利用系数，一般为0.150.5之间； 风力发电原理 n启动风速，一般为35m/s; n停机风速，通常为1535ms; n输出功率，现代风力机一般为几百干 瓦几兆瓦； n发电机，分为直流发电机和交流发电 机； n另外还有塔架高度等等。 风力发电原理 2、水平轴力风机 特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平 轴风力机。 组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、 发电机和塔架等部件组成，大中

4、型风力机还有自 动控制系统。 应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是 日前最具有实际开发价值的风力机： n类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机 风力发电原理 水平轴力风机图 风力发电原理 风力发电原理 3、垂直轴风力机 特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力 机叫垂直抽风力机。 形式有：如s型、H型、型等。 应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品 化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、 发电机可安装在地面上、维修方便及叶片 制造简便等，研究日趋增多，各种形式不 断出现。各种形式的垂直轴风力机。 风力发电原理 型风力机图 风力发电原理 风力发电原理 （二）风力发电系统 n从外部看，整个

5、风力发电机组 看上去只有三个主要部分：风 轮、机舱和塔架。 n发电机、传动系统、控制系统 等都集成在机舱内。 n机舱除了承担容纳所有机械部 件的功能，还起到承受所有外 力（ 包括静负载及动负载） 的作用。 n机舱底盘和塔架之间有回转体， 使机舱可水平转动。 风力发电原理 风力发电原理 机组的总体结构 机组的总体结构图： 控 制 系 统 风轮 增速器发电机 主继电器 主开关 熔断器 变压器 晶闸管 电网 风 变桨 风速 转速 并网 功率 无功补偿 风 风力发电原理 （三）风力发电机主要组成部分介绍 1、风轮 风力机区别于其他机械的最主 要特征就是风轮。风轮一般由 23个叶片和轮毂所组成，其 功能

6、是将风能转换为机械能。 由于风力发电机的理论基础也 是空气动力学，故其叶片形状 与机翼很相似。风经过水平轴 风力发电机的叶片时由于叶片 与风有一个夹角，风在叶片上 形成升力，风力发电机就是依 靠叶片上的升力把风能转换为 旋转的机械能，从而带动发电 机进行发电的。 风力发电原理 2、塔架 n风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承 受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中 的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。 水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁 架型两类。 n一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下 风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。 桁架式塔架常用于中小型风力机

7、上，其优点是造 价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风 力机的叶片产生很大的紊流。 风力发电原理 管柱型和桁架型如图： 风力发电原理 3、机舱 风力发电原理 风力发电原理 4、齿轮箱 n对于容量较大的风电机组，因风轮转速很低，远达 不到发电机发电的要求，往往通过齿轮箱的增速作 用来实现。而并网运行的发电机必须要求再同步转 速左右才能运行，故风力发电机组一般都在主轴与 发电机之间安装有增速传动机构。风力机的传动机 构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制 动器等。 风力发电机组中的齿轮箱也称为增速箱。 n 齿轮箱的主要功能就是将风轮在风力作用下所产 生的动力传递给发电机并使其得到相应转速

8、。齿轮 箱 对于大型风力发电机，由于限制其转速，传动 装置的增速比一般为4050。 这样，可以降低发 电机重量，从而降低成本。 风力发电原理 5、偏航系统 用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方 向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气 流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动 的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率 最大，所以调向机构又称为迎风机构(通称偏航系 统)。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调 节系统和扭缆保护装置等部分组成。 风力发电原理 偏导航系统的作用 n偏航系统的主要作用有两个： 1) 与风力发电机组的控制系统相互配合，使风发 电机组的风轮始终处于迎风

9、状态，充分利用风能， 提高风力发电机组的发电效率； 2) 提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安 全运行。 风力发电原理 （四）发电机 n 发电机的作用，是利用电磁感应现象把由风轮输 出的机械能转变为电能。 n 发电机有基本类型： 普通异步风力发电机组 双馈异步风力发电机组 直驱式同步风力发电机组（含永磁发电机和直流 励磁发电机） 混合式风力发电机组 风力发电原理 1、普通异步风力发电机组、普通异步风力发电机组 技术特点： 1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮 箱增速， 转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构； 2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱 传动比和发电机极对数决定；

10、 3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行； 4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启 动电流，其配置启动装置。 5、从系统吸收大量无功，需配置无功补偿装置。 结构简单，控制方便。 风力发电原理 2、双馈式异步风力发电机组、双馈式异步风力发电机组 技术特点： 1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转， 需要齿轮箱增速； 2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构 与电力电子换流装置连接； 风力发电原理 3、通过电力电子换流装置的控制作用，可以调节控 制发电机转子电流和电磁转矩，从而使转子转速 可随风速的变化而改变，使风力发电系统获得最 大风能捕获效率，风能利用率高； 4、在低风速时，发电机转

11、子低于同步速运行，发电 机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率； 在高风速时，发电机转子高于同步速运行，发电 机转子绕组向换流器输出励磁功率； 5、直接与电网连接，由于转子电流可控，因此可以 实现风力发电机平滑并网。 风力发电原理 3、直驱式同步风力发电机组、直驱式同步风力发电机组 技术特点： 1）叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转子 绕组通过增加极对数来降低同步转速，从而避 免了齿轮箱损耗； 2）同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永磁 体励磁方式，由于转子极对数较多，电机外尺 寸较大且较重，不方便运输和吊装。 风力发电原理 3）对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调 节可以通过控制励

12、磁电流的大小来控制电磁转矩， 从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率；对于 永磁同步电机，可以通过调节直流电压的方式来控 制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕 获效率，风能利用率高； 4）对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小； 对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。 5）通过电力电子换流器与电网连接，吸收或输出功 率可调，因此可以实现风力发电机平滑并网。 6）电网侧换流器采用空间矢量控制技术，可以实现 发电机有功功率和无功功率的解藕控制，能够独立 调节发电机向系统吸收或发出无功。结构、控制系 统复杂。 风力发电原理 以上风电机组优缺点比较表以上风电机组优缺点比较表 风电机组类

13、型 优点 缺点 普通异步风力 发电机组 结构简单，控制方便 1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难； 2、风能利用率低； 3、启动电流大，需配置启动装置； 4、消耗大量无功，需要从电网输入无功； 双馈异步风力 发电机组 1、可以实现变速运行，获得最大 风能利用率； 2、输出电流可控，无需启动装置； 3、可以吸收或发出无功； 1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难； 2、有励磁功率损耗； 3、结构复杂，控制系统复杂； 永磁同步风力 发电机组 1、可以实现变速运行，获得最大 风能利用率； 2、输出电流可控，无需启动装置； 3、可以吸收或发出无功； 4、无励磁功率损耗； 1、电机体积大、重量大 2、采用全功

14、率电力电子设备，价格稍贵； 3、结构复杂，控制系统复杂； 4、永磁体有消磁现象 直流励磁同步 风力发电机组 1、可以实现变速运行，获得最大 风能利用率； 2、输出电流可控，无需启动装置； 3、可以吸收或发出无功 1、电机体积大、重量大 2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵； 3、有励磁功率损耗； 4、结构复杂，控制系统复杂； 风力发电原理 双馈、永磁和直流励磁 风力发电机外观图 双馈风力发电机 外观特点：机舱细长 直驱永磁风力发电机 外观特点：机舱短粗 直流励磁风力发电机 外观特点：机舱臃肿 风力发电原理 （四）控制系统主要功能 1）按预先设定的风速值(一般为34ms)自动启动风力 发电机组，

15、并通过软启动装置将异步发电机并人电网。 2）借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及 状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转 速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、 电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。 3）当风速大干最大运行速度(一般设定为25ms)时实现 自动停机。 4）故障保护。 5）通过光缆或电话线互相连接。 风力发电原理 风机控制方式及内容 n一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮 箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、 停车制动器、控制系统等构成，为使风力机组能 够稳定运行，必须对其进行有效的控制。考虑到 风力发电机组的特殊性，按重要性的

16、顺序，控制 器应依次满足以下要求： 1）风能转换系统是稳定的； 2）运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、 剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性； 3）控制代价小，即对不同输入信号的幅值有一 定限制，如调向的时间等； 风力发电原理 4）最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以 下，可能使发电机在每一种风速时，输出的电功率达 到最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量； 5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高 的电能品质质量。 n风力发电机组控制目标有很多项，控制方法多种多 样，按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机 并网控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制 系统等等，其中两个核

17、心问题是：风能的最大捕获 以提高风能转换效率以及改善电能质量问题。由风 力机最大风能捕获的运行原理可知，若风速越高， 则与之相对应的风力机转速越高。但受风电机组转 速极限、功率极限等限制，风力机转速不可能太高。 风力发电原理 n因此，为实现最大风能捕获，风力机有三种典型 的运行状态： 低风速段实行变速运行，可保持 一个恒定的风能利用系数Cp值，根据风速变化控 制风力机转速，使叶尖速比不变，直到转速达到 极限； 转速达到极限后，风速进一步加大时， 按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率， 此时的风能Cp不一定是最大值； 超过额定风速 时，输出功率达到极限，按恒功率输出调节风力 机。 风力发电

18、原理 （五）风的能量与测量 产生能量的基本要素： 风具有一定的质 量和速度。 风能的一些主要特性参数：如风能、风能密 度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。 1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。 2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风 能。 风力发电原理 3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动 的距离，国际上的单位是米秒(m/s)或千米小 时(kmh)。分13级 4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风 的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一 定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数 的百分比， 5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形 风速器和三杯轻便风向风

19、速表等。 风力发电原理 1、风中的能量 风中蕴含的能量是动能，故 P=1/2AV3 n可用风能与风速的立方成正比，风速的轻微增加 会导致功率的显著增加 n风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比 n风能还受气压及温度的影响（大约10-15%） n风能还与叶轮扫略面积成正比 风力发电原理 2、风力机的主要特性系数、风力机的主要特性系数 1）功率系数（Cp） 描述风机将风能转 换为机械能的效率 2）叶尖速比 为了表示风轮在不同风 速中的状态，用叶片 圆周速度与风速比来 衡量，称叶尖速比 v Rn 2 其中：R 叶轮的半径， n 叶轮的机械转的圈数， V 作用于风力机的迎面风 速。 输入的

20、风能 可能提取的风能 p C 风中的能量无法全部被风机 转换，其理论最高限度Cp （max）=0.593，通常被称 为贝茨因数。 风力发电原理 3、叶尖速比的影响 n风能利用系数 Cp与风力机叶 尖速比的对应 关系： 风力发电原理 4、风轮的功率输出 n风力机采集风能的基本计算公式 P=(Cpv3A)/2 其中， Cp为风能利用系数（Power Coefficient），表示风 机捕获风能的能力， Cp = Pcapture / Pwind 为空气密度(kg/m3)，与海拔、水汽压（即湿度） v为风速(m/s)，通常按轮毂高度处风速计算 A为叶轮扫风面积(m2)， 风力发电原理 5、风力机的频率和电压控制 n交流发电机中