风力发电（课件）

风力发电

WindPower

Generation关于风力发电

在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。

风力发电首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。主要内容1风的特性及风能利用2风力发电机组类型3风力发电机组结构4风力发电机组基本工作原理5风力发电机组控制系统1风的特性及风能利用风的产生

风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。地球上风的运动1风的特性及风能利用风的特性与风能1、随机性2、风随高度的变化而变化

不同高度风速的表达式：式中：ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；

ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；

k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。

2025/12/17风的表示及应用

风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图风向方位图1、风向2025/12/17由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。

风力等级与风速的关系：式中：VN——N级风的平均风速(m/s)；

N——风的级数。2、风速3、风力

风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际采用的为蒲氏风级，从静风到飓风共分为13个等级。

2025/12/17（1）风能密度：空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：

（2）风能：空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。

表达式为：

（3）风能利用：风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。4、风能2风力发电机组类型按旋转轴分类按容量分类按功率调节方式按发电机类型

按转速分类

2风力发电机组类型按旋转轴分类水平轴式垂直轴式2风力发电机组类型按旋转轴分类水平轴式类型垂直轴式类型比较、发展趋势…小型(10kW)家庭农场远程应用中型(100-660kW)村庄能源混合系统分布式电源大型(1MW)分布式电源大规模并网风场按功率大小分类2风力发电机组类型按功率调节方式分类定桨距失速型变桨距型桨距角：叶片也风轮旋转平面夹角。

如图所示。失速特性：当风速超过额定风速，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低。2风力发电机组类型按发电机类型分类鼠笼型异步发电机双馈式异步发电机永磁直驱式同步发电机电励磁同步发电机2风力发电机组类型外形图按转速分类恒速恒频风力发电机普通鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电机双馈式异步发电机永磁直驱式同步发电机电励磁同步发电机2风力发电机组类型3风力发电机组结构水平轴式961324510873风力发电机组结构主要结构风轮传动轴系偏航系统变桨系统发电机及控制系统塔架风轮叶片轮毂3风力发电机组结构传动轴系低速轴齿轮箱高速轴3风力发电机组结构偏航系统

跟踪风向功能

自动解缆3风力发电机组结构组成：风向标

扭揽开关

偏航编码器

软启动器

偏航机构偏航电机变桨系统变桨电机变频器电源（开关电源/超级电容）编码器限位开关3风力发电机组结构发电机及控制系统3风力发电机组结构鼠笼型异步风力发电机发电机及控制系统3风力发电机组结构双馈式异步风力发电机发电机及控制系统3风力发电机组结构永磁直驱式风力发电机几种常用变流器拓扑结构…发电机及控制系统3风力发电机组结构直驱型PSMG风力发电机组变流器拓扑结构

塔架支撑作用

保持一定高度3风力发电机组结构风推力弯矩受力

偏心重量弯矩

风轮转动反力矩

风扰动弯矩格状筒状4风力发电机组基本工作原理风力机工作原理发电机工作原理

恒速恒频鼠笼型异步发电机

变速恒频双馈式异步发电机变速恒频永磁直驱式同步发电机变速恒频电励磁同步发电机风力机工作原理Betz理论

风力机：风能→机械能

转换效率风能利用系数

4风力发电机组基本工作原理风力机工作原理

叶尖速比：桨距角增大使减小4风力发电机组基本工作原理0.200.10.30.40.513°102415°68切出风速12141618l切入风速额定风速2°6°10°9°8°7°5°4°3°1°Cp风力机工作原理风力机输出功率：

：空气密度，：风速，R：叶片半径4风力发电机组基本工作原理风力机工作原理典型控制策略（MPPT）：当风速<额定风速：使

4风力发电机组基本工作原理最大功率点跟踪——MPPT4风力发电机组基本工作原理MPPT控制算法1、叶尖速比法缺点：1）风速测量精确性

2）不同风机不同算法不可移植。4风力发电机组基本工作原理MPPT控制算法2、功率曲线法缺点：不同风机特性不同

4风力发电机组基本工作原理MPPT控制算法3、爬山法特点：1）无需知道风机特性

2）控制灵活4风力发电机组基本工作原理MPPT控制算法4、智能控制法利用模糊控制、运用神经网络使控制系统不断学习，校正特性曲线，再利用功率闭环控制.4风力发电机组基本工作原理恒速恒频鼠笼型异步发电机nr<n1，s>0：电动机状态，电磁转矩为驱动转矩，转子转速将被电网拉至n1.nr>n1，s<0：发电机状态，电磁转矩为制动转矩，转子转速将被电网拖至n1.发电机处于接近同步转速n1状态，就像转速恒定不变——恒速恒频风力发电机。4风力发电机组基本工作原理恒速恒频鼠笼型异步发电机采用失速型功率调节方式：1）风速超过额定风速-失速特性-维持额定功率。2）风速较低-增加定子极对数-提高发电效率。电容器组：无功补偿，提高功率因数。4风力发电机组基本工作原理恒速恒频鼠笼型异步发电机等值电路4风力发电机组基本工作原理变速恒频双馈式异步发电机当转速变化时，改变转子电流频率（），使，即可在定子侧感应出工频电压。转差：，且，只需在转子绕组中通入频率为的转子电流即可保证定子侧感应出工频电压。

1、转子频率4风力发电机组基本工作原理变速恒频双馈式异步发电机根据转子转速不同有三种工作状态：1）同步状态：nr=n1，s=0，相当于同步发电机；2）次同步状态：nr<n1，s>0，转子电流旋转方向与转子转向相同，转

子从电网吸收有功。3）超同步状态：nr>n1，s<0，转子电流旋转方向与转子转向相反，转

子向电网馈送有功。

2、改变转子电流相位，控制定子侧输出有功功率。3、改变转子电流幅值，控制定子侧输出无功功率和电压。4风力发电机组基本工作原理变速恒频双馈式异步发电机等值电路

4风力发电机组基本工作原理变速恒频永磁直驱式同步发电机风力机通过传动轴直接与永磁同步发电机连接，无须齿轮箱，发电机定子侧接大功率的变流器。当风速变化，发电机转子相应变化，多极永磁同步发电机在定子侧感应出与转子同频率的端电压，该电压频率变化，不能并网，经全功率变换器控制输出工频电压并网。4风力发电机组基本工作原理变速恒频电励磁同步发电机结构和原理与永磁式相似4风力发电机组基本工作原理各风电机组优缺点比较表风电机组类型优点缺点普通异步风力发电机组结构简单可靠1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、风能利用率低；3、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、输出功率、电流可控；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、输出功率、电流可控；；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、永磁体有消磁现象电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、输出功率、电流可控；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；4风力发电机组基本工作原理5风力发电机组控制系统发电机控制软并网变流器励磁调节主控制器运行监控，机组起/停电网、风况监测无功补偿根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容变距系统转速控制功率控制液压系统刹车机构压力保持变距机构压力保持制动系统机械刹车机构气动刹车机构调向系统偏航自动解除电缆缠绕用户界面输入用户指令，变更参数显示系统运行状态、数据及故障状况主控系统

风机控制系统的主体，它实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。它对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统以及变频系统，它与监控系统接口完成风机实时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节。5风力发电机组控制系统变桨控制系统控制运行状态

1、启动、并网

，转速控制。2、恒定区3、n恒定区4、恒功率区5、停机

5风力发电机组控制系统变桨控制系统

5风力发电机组控制系统典型控制结构调向控制系统

5风力发电机组控制系统典型控制结构发