风力发电的基本原理

引言风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球外表不均衡加热而引起的“空气流淌象组织〔WMO〕和中国气象局气象科学争论院分析，地球上可利用的风能资源为20010m2.533，50m10m2倍，风能资源格外丰富。论述。温度、大气压力和空气密度度。 352.99 h 〔1〕(273t)101325式中的是空气密度，H，T〔单位是摄氏度。从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。风能的计算公式V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为〔本论文公式中的物理量除特别状况说明外均承受国际单位〕1p mv2 〔2〕2其中：单位时间质量流量m=ρAV1 1P AV V2 AV3 〔3〕2 2而风能发电机实际转换的有用功率是：12P C2w

p m

AV3 〔4〕PW

W，C 是叶轮的风能利用系数， 是齿轮箱和传动系统的机械效率一般为0.80—0.95，P m1.0，e

0.70—0.98A是风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，V是风速。贝茨〔Betz〕理论第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根争论所的A·贝茨于1926年建立的。风轮轴线的。通过分析一个放置在移动空气中的“抱负”风轮得出风轮所能产生的最大功率为8Pmax

27AV3 〔5〕Pmax

是风轮所能产生的最大功率，ρA是风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，V是风速。掠面上是均匀的。将(5)式除以气流通过扫掠面A8max

1 maxPAV3P2 1

AV327 11AV32 1

16 0.593 〔6〕27〔Betz〕理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失局部可以解释为留在尾流中的旋转动能。风力机的实际风能利用系数Cp<0.593。风力机的主要组成小型风力发电机1~3个叶片组成的。在风力发电机中，已承受的发电机有3种，即直流发电机、同步沟通发电机和异步沟通发电机。小电。塔架用于支撑发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架电，以满足沟通电气设备用电的要求。大型风力发电机〔无增速齿轮箱〕。风力发电的功率曲线在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。当到达切入风速时〔3到4米〕，风轮开头旋转并牵引发电机开头发电。随著风力越来越强，输出功率会增加。当风速到达额定风速时，风电时机输出其额定功率。之後输出功率大致会保持不变。当风速进一步增加，到达切出风速的时候,风电时机剎车，不再输出功率，为免受损.速下〔切入风速到切出风速〕风力发电机的额定输出功率立方成正比,因此，风力发电机的功率随风速变化会很大。同样构造和风轮直径一样〔配较大型发电机〕还是弱风地带〔配较小型发电机〕而定。图1V52-850千瓦风力发电机功率曲线风力发电的过程以及原理风力发电机的工作过程及原理〔微风的程度〕，便可以开头发电。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个2各局部功能为：叶片用来承受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头敏捷地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故13～25V机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成220V现代风力发电机的设计符合空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。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。风力发电机的风轮并不能提取风的全部功率。依据Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%。大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。风力发电机主要包含三局部∶风轮、机舱和塔杆。大型与电网接驳的风力发电机的最常见的构造是横轴式三叶风风能叶片转动机头产生充电器整流蓄电瓶充电逆变器转化为沟通尾翼使叶片始着风使机头敏捷动2风力发电机的工作流程图片风轮，并安装在直立管状塔杆上。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。比较简洁的风力发电机是承受固定速度的。通常承受两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的沟通电。比较型的设计一般是可变〔公司的转速为每分钟14转到每分钟31.4转。利用可变速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风状况下噪音更低。因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢送。机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面对来风。风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机〔假设没有齿轮变速箱则直接传送到发电机〕。在风电工业中，配有变速箱的风力发电机是很普遍的。不过，为风电机而设计的多极直接驱动式发电机，也有显著的进展。设于塔底的变压器〔或者有些设于机舱内〕可提升发电机的电压到配电网电压。全部风力发电机的功率输出是随著风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法〔从而限制风轮所承受压力〕是失速调整和斜角调整。使用失速调整的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调整的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速不同而转变，从而转变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面对来风，从而令风轮剎车。叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流引导到地下去。图3风力发电机 图4VestasV52-850力发电机机舱内的组成部份风力发电机组的掌握系统的工作过程及原理3和保护。掌握系统对风力发电机组实现掌握功能的过程为(如图5所示)：① 启动掌握无故障时，掌握系统发出释放制动器命令，机组由待风状态进入低风速起动；② 并/脱网掌握4m/s③ 偏航与解缆系统还具有解缆功能；④ 限速及刹车制动系统动作，抱闸刹车，使桨叶停顿转动，调向系统将机舱整体偏转90o整个塔架实施保护。依据功率因数自动投入〔或切出〕相应的补偿电容；机组运行过程中，对电网、风况对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。运行过程中，掌握系统需要监测的主要参数包括以下几个方面：①电力参数———电网三相电压、发电机输组状态参数———转速〔〕、温度〔〔〕；及脱网后的转速降落信号。风速的平均值到达风速的平均值到达切入风速发电机转速到达同步转速启动并网风速低于切入风速脱网转速超越上限发生飞车系统自检无故障 偏航与解缆5风力发电机组的掌握系统对风力发电机组掌握的示意图风力发电机组的并网小发电机先并网；当风速连续上升到7～8m/s，发电机将被切换到大发电机运行。假设8～20m/s，则直接从大发电机并网。发电机的并网过程，是通过三相旁路接触器的开与关，都是在晶闸管关断前进展的。大小发电机的软并网程序发电机转速已到达预置的切人点，该点的设定应低于发电机同步转速。电机转速的加速度减小。电状态。旁路接触器输送给电网的，由于它比晶闸管电路的电阻小得多。并网过程中，电流一般被限制在大发电机额定电流以下，如超出额定电流时间持30～40ms。因此无需依据电流反响调整导通角。晶闸管依据0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，180°导通角依次变化，可保证起动电流在额定电流以下。晶闸管导通角由0°大到180°完全导通，时间一般不超过6s，否则被认为故障。晶闸管完全导1s1s风力发电机组进入正常运行。从小发电机向大发电机的切换作，高风速时，大发电机工作。小发电机为6极绕组，同步转速为1000r/min，大发41500r/min。小发电机向大发电机切换的掌握，一般以平NEGMicon750kW10min发电机晶闸管发电机晶闸管转速达开始导到达同导通角到切入通步转速完全打点开转速超过同步转速转速超过同步转速发电大局部电流送给电网晶闸管导通角连续完全导通低风速低风速时小发电机工作功率值全断开小断开旁器执行大小发网程序大发电机工作脱网7从小发电机向大发电机的切换过程示意图P1

4min平均功率到达预置值P2

为切换依据。承受瞬时功率参数时，一般以5minP1

，或lmin内的功率全部大P2

值作为切换的依据。1500r/min四周时，再次执行大小发电机的软并网程序〔7〕。大发电机向小发电机的切换10min内低于预置值时，将执行大发电机向小发电机的切换。

P3时,或10min内平均功率低于预置值P4状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。由于存在过速保护和计算发电机软并网。高风速时由于风力机是一个巨大的惯性体,当它转速降低时要释放出巨大的能量，这些能高风速时大发电发电机断开大断开旁机工作功率低发电机路接触于预置值接触器器执行大小小发电发电机发电机的机工作脱网软并网程序8从大发电机向小发电机的切换过程示意图为了使切换过程得以安全、顺当地进展，可以考虑在大发电机切出电网的同时释放叶尖扰流器，使转速下降到小发电机并网预置点以下，再由液压系统收回叶尖扰流器。稍后，发电机转速上升，重切人电网。国产FD23—200/40kW切换的。电动机起动电动机起动是指风力发电机组在静止状态时，把发电机用作电动机将机组起动到程序。由于气动性能良好的桨叶在风速v>4m／s的条件下即可使机组顺当地自起动至超过额定电流的10倍)，将持续一段时间(由静止至同步转速之前)，因而发电机起60s，起动电流小于小发电机额定电流的3倍。小型风力发电机的独立运行与并网发电9小型风力发电机的非并网独立运行应用4〔我们〕传输，中间并上蓄电池组储存电能以便在风力状况不佳的状况下用。入计量器以计量用户所消费电量。风力发电机进展方向在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调整技电的核心技术。下面简洁介绍这两方面的状况。风力机的变浆距调整风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。变距调整10小型风力发电机的并网传输速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。由于变浆距调整风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多，可削减材料使用失速调整型风力机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。风力机发电量。可以减轻此现象。变速恒频风力发电机它却具有异步机和同步机的某些特性。作用。沟通励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点:械应力。同时使机组掌握更加敏捷、便利，提高了机组运行效率。降低，投资削减。出的有功功率。应用矢量掌握可实现有、无功功率的独立调整。结论展现了风力发电机组的并网过程，解决了一些并网带来的问题。1社.1999宫靖远,风电场工程设计手册.北京：机械工业出版社，2023.［J］．能源工程，1999〔4〕：18—19．王锡凡，电力工程根底［M．西安：西安交通大学出版社，1998．社.2023社.2023尹炼,刘文洲,风力发电.中国电力出版社.2023.白惠珍,王宝珠张惠娟，电路理论根底.中国科学技术出版社.2023.赵茂泰,智能仪器原理及应用.电子工业出版社.2023.邱关源,电路.高等教育出版社.2023.业出版社,1987:31~33.叶杭冶.风力发电机组的掌握技术[M].北京:机械工业出版社,2023:11~13.[M].上海:上海科学技术出版社,1990:1—11,48—51.欧洲风能协会,国际绿色和平(著),中国资源综合利用协会可再生能源专业202312%的蓝图.“:///index.php?id=45“:///index.php?id=45，2023.11.5.[J].太阳能学报.2023.22(2):167～179.TheEuropeanWindEnergyAsso