风力发电技术-课件-第1章-风力发电概述

第一章风力发电概述2风能的利用§1.1风力发电能量转换过程3风力发电机：将风的动能通过风轮转换为机械能，再带动发电机，将机械能转换成电能。一、风电机组工作过程§1.1风力发电能量转换过程4§1.1风力发电能量转换过程51、能量转换

气体的动能：m

—气体的质量；

v

—气体的速度。设单位时间内气流流过截面积为A的气体的体积为V，则：V=Av

该体积的空气质量为：m=ρV=ρAvt时间内，气体的动能为：风功率为：§1.1风力发电能量转换过程6风轮输出功率：§1.1风力发电能量转换过程7§1.1风力发电能量转换过程8发电系统输出功率：§1.1风力发电能量转换过程92、能量转换控制10二、风电机组的主要参数1、风轮直径D(或风轮扫掠面积)风轮直径：风轮在旋转平面上的投影圆的直径；风轮扫掠面积：风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积，即风力机截留风能的面积，称为风轮的扫掠面积。§1.1风力发电能量转换过程112、额定功率：在正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出的电功率。图1-2风功率曲线图二、风电机组的主要参数§1.1风力发电能量转换过程123、风能利用系数Cp：风轮所接收的能量与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值。表示风力机从自然风能中吸

收能量的程度，即能量转换效率。二、风电机组的主要参数§1.1风力发电能量转换过程§1.1风力发电能量转换过程13二、风电机组的主要参数水平轴风力机的Cp=0.2-0.5；垂直轴风力机的Cp=0.3-0.4；144、实度σ：指叶片在风轮旋转平面上投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值，实度大小取决于尖速比，是风力机的一个参考数据。σ=BS/πR2

σ=BC/2πR二、风电机组的主要参数§1.1风力发电能量转换过程5、尖速比λ：风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。15阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至8。图3：Cp和λ的关系特性曲线Ⅰ-低速风轮Ⅱ-高速风轮§1.1风力发电能量转换过程166、桨距角(安装角)β：叶片径向位置叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角；7、叶片攻角α：相对风速与叶片弦线之间的夹角。§1.1风力发电能量转换过程178、与风力机运行相关的风速1)起动风速：风力机由静止开始转动并能连续运转的最小风速。2)切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出时的最小风速。3)切出风速：由于调节器作用，使风力机对额定负载停止功率输出时的风速。4)安全风速：风力机在人工或自动保护时不致破坏的最大允许风速。5)有效风速：从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。6)额定风速V1：又称为风轮设计风速，风电机组达到额定功率输出时，轮毂高度设计风速。9、额定转速：空气在标准状态下，对应于机组额定风速时的风轮转速。§1.1风力发电能量转换过程1.2风电机组的分类1.2.1按照转轴布置方式18水平轴风力机垂直轴风力机水平轴风力机191.2风电机组的分类垂直轴风力机201.2风电机组的分类21水平轴风力机上风向型：叶轮正面迎着风向(即在塔架的前面迎风旋转)。一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。

下风向型：叶轮背顺着风向。风机则能够自动对准风向，可免除调向装置。

1.2风电机组的分类1.2.2按照风力机功率调节方式22定桨距风力机：叶片与轮毂的连接是固定的具有失速特性叶尖扰流器1.2风电机组的分类带有叶尖扰流器的叶片变桨距风力机叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片桨叶角在0～90度范围内调节变化，其性能比定桨距型提高许多，但结构也趋于复杂，现多用于大型机组上。231.2风电机组的分类主动失速型风力机

在桨距调节过程中，叶片后缘转向迎风方向，因此称为主动失速变桨。桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节；在低风速肘，将桨距角调节到可获取最大功率位置，优化机组功率的输出；当风力机超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出；制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹车；在临界失速点，通过桨距调节跨越失速不稳定区。241.2风电机组的分类1.2.3按转速变化分25恒速风力发电机组：设计简单可靠，造价低，维护量少，低风速时效率低。采用两台电机双速运行解决风速变化时风力发电机效率问题。

变速风力发电机组：通过控制发电机转速实现变速运行，需要有一套控制系统用来限制功率和转速，使风力机在大风或故障过载荷时得到保护。1.2风电机组的分类按有无齿轮箱分类双馈式风力发电机：发电机转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗。直驱型风力发电机：没有齿轮箱，具有低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。261.2风电机组的分类1.3.1定桨距风电机组271、失速特性1.3风电机组的运行特征1.3.1定桨距风电机组28定桨距机组优点：利用被动失速控制功率，控制简单。定桨距机组缺点是：①功率曲线由叶片的失速特性决定，功率输出不确定；②阻尼较低，振动幅度较大，叶片易疲劳损坏；③高风速时气动载荷较大，叶片及塔架等受载荷较大；④在安装点需要试运行，优化安装角；⑤低风速段风轮转速较低时的功率输出较高。1.3.1定桨距风电机组2、定桨距风力机的风功率特性291-10定桨距风力发电机组功率曲线1-11

定桨距风力发电机组的功率曲线与风能利用系数1.3.1定桨距风电机组30图1-12桨距角对输出功率的影响低风速区，不同的桨距角所对应的功率曲线几乎是重合的。高风速区，桨距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。2、定桨距风力机的风功率特性1.3.2变桨距风电机组311、变桨调节原理1.3.2变桨距风电机组32图1-14变桨距调节当风速增加时，通过改变桨距角度(增加桨距角)，仍然可以使风力机保持较高的功率输出。当遇到大风或需要气动刹车时，变桨系统将桨距角调整到90°，这个过程称为顺桨。1、变桨调节原理1.3.2变桨距风电机组332、变桨距风力机的风功率特性图1-15变桨距风力发电机组功率曲线

图1-16风力发电机组的功率曲线比较1.3.3变速风电机组34安全运行区：OAdcC恒速运行工作点：直线XY变速运行工作点：

a-b：变速运行范围

b:转速极限

b-c：转速恒定区

c:功率限制点

c-d:最大功率

图1-17不同风速下的转矩-速度特性1.4风力发电系统类型351.4.1离网型风力发电系统图1-18离网混合型：小型发电直流混合系统1.4风力发电系统类型361.4.1离网型风力发电系统图1-18离网混合型：小型发电交流混合系统1.4风力发电系统类型371.4.2并网型风力发电系统1.4风力发电系统类型381.4.3定速恒频风力发电系统图1-19同步发电机定速恒频发电机系统图1-20

笼型异步发电机定速恒频系统定速恒频发电系统特点：结构简单；风能利用系数较低；现在大型风力发电机组中已经较少采用。1.4风力发电系统类型391.4.4变速恒频风力发电系统图1-21鼠笼式异步感应发电机变速恒频风力发电系统图1-22双馈式变速