風(fēng)力發(fā)電原理

1、風(fēng)力發(fā)電原理風(fēng)力發(fā)電原理主講：王老師主講：王老師n風(fēng)力發(fā)電的原理：是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。簡單的說風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能進而將機械能再轉(zhuǎn)換為電能的過程。n 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機采用空氣動力學(xué)原 理 ，就像飛機的機翼一樣。風(fēng)并非 推 動風(fēng)輪葉片，而是吹過葉片形成葉 片正反面的壓差，這種壓差會產(chǎn)生升力，令風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流 。n依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微風(fēng)的程度），便可以開始發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，為風(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。（一）風(fēng)力發(fā)電設(shè)備組成：風(fēng)力發(fā)電機組包括兩大部分； 一

2、部分是風(fēng)力機，由它將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能； 另一部分是發(fā)電機，由它將機械能轉(zhuǎn)換為電能。分類：1）根據(jù)它收集風(fēng)能的結(jié)構(gòu)形式及在空間的布置，可分為水平軸式或垂直軸式。2）從塔架位置上，分為上風(fēng)式和下風(fēng)式；3）還可以按槳葉數(shù)量，分為單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片和多葉片式。4）從槳葉和形式上分，有螺旋槳式、H型、S型等；5）按槳葉的工作原理分，則有升力型和阻力型的區(qū)別。6）以風(fēng)力機的容量分，則有微型(1kW以下)、小型(110kW)、中型(10100kW)和大型(100kw以上)機。1、風(fēng)力機的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)風(fēng)輪直徑，通常風(fēng)力機的功率越大，直徑越大；葉片數(shù)目，高速發(fā)電用風(fēng)力機為24片，低速風(fēng)力機大干4

3、片；葉片材料，現(xiàn)代常采用高強度低密度的復(fù)合材料；風(fēng)能利用系數(shù)，一般為0.150.5之間；啟動風(fēng)速，一般為35m/s;停機風(fēng)速，通常為1535ms;輸出功率，現(xiàn)代風(fēng)力機一般為幾百干瓦幾兆瓦；發(fā)電機，分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機；另外還有塔架高度等等。2、水平軸力風(fēng)機特點：風(fēng)力機的風(fēng)輪軸與地面呈水平狀態(tài)，稱水平軸風(fēng)力機。組成：它一般內(nèi)風(fēng)輪增速器、調(diào)速器、調(diào)向裝置、發(fā)電機和塔架等部件組成，大中型風(fēng)力機還有自動控制系統(tǒng)。應(yīng)用：這種風(fēng)力機的功率從幾十千瓦到數(shù)兆瓦，是日前最具有實際開發(fā)價值的風(fēng)力機：n類型：有傳統(tǒng)風(fēng)車、低速風(fēng)力機及高速風(fēng)力機水平軸力風(fēng)機圖3、垂直軸風(fēng)力機特點：凡風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸與地面呈垂直狀態(tài)的風(fēng)力

4、機叫垂直抽風(fēng)力機。形式有：如s型、H型、型等。應(yīng)用：雖然目前垂直軸風(fēng)力機尚未大量商品化，但是它有許多特點，如不需大型塔架、發(fā)電機可安裝在地面上、維修方便及葉片制造簡便等，研究日趨增多，各種形式不斷出現(xiàn)。各種形式的垂直軸風(fēng)力機。 型風(fēng)力機圖（二）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)n從外部看，整個風(fēng)力發(fā)電機組看上去只有三個主要部分：風(fēng)輪、機艙和塔架。n發(fā)電機、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都集成在機艙內(nèi)。n機艙除了承擔(dān)容納所有機械部件的功能，還起到承受所有外力（ 包括靜負載及動負載）的作用。n機艙底盤和塔架之間有回轉(zhuǎn)體，使機艙可水平轉(zhuǎn)動。機組的總體結(jié)構(gòu)機組的總體結(jié)構(gòu)圖：控 制 系 統(tǒng)風(fēng)輪增速器發(fā)電機主繼電器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘

5、管電網(wǎng)風(fēng)變槳風(fēng)速轉(zhuǎn)速并網(wǎng)功率無功補償風(fēng)（三）風(fēng)力發(fā)電機主要組成部分介紹 1、風(fēng)輪 風(fēng)力機區(qū)別于其他機械的最主要特征就是風(fēng)輪。風(fēng)輪一般由23個葉片和輪轂所組成，其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。 由于風(fēng)力發(fā)電機的理論基礎(chǔ)也是空氣動力學(xué)，故其葉片形狀與機翼很相似。風(fēng)經(jīng)過水平軸風(fēng)力發(fā)電機的葉片時由于葉片與風(fēng)有一個夾角，風(fēng)在葉片上形成升力，風(fēng)力發(fā)電機就是依靠葉片上的升力把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能，從而帶動發(fā)電機進行發(fā)電的。2、塔架n風(fēng)力機的塔架除了要支撐風(fēng)力機的重量，還要承受吹向風(fēng)力機和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機運行中的動載荷。它的剛度和風(fēng)力機的振動有密切關(guān)系。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。

6、n一般圓柱形塔架對風(fēng)的阻力較小，特別是對于下風(fēng)向風(fēng)力機，產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機上，其優(yōu)點是造價不高，運輸也方便。但這種塔架會使下風(fēng)向風(fēng)力機的葉片產(chǎn)生很大的紊流。管柱型和桁架型如圖：3、機艙4、齒輪箱n對于容量較大的風(fēng)電機組，因風(fēng)輪轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電的要求，往往通過齒輪箱的增速作用來實現(xiàn)。而并網(wǎng)運行的發(fā)電機必須要求再同步轉(zhuǎn)速左右才能運行，故風(fēng)力發(fā)電機組一般都在主軸與發(fā)電機之間安裝有增速傳動機構(gòu)。風(fēng)力機的傳動機構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動器等。 風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱也稱為增速箱。n 齒輪箱的主要功能就是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動

7、力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速。齒輪箱 對于大型風(fēng)力發(fā)電機，由于限制其轉(zhuǎn)速，傳動裝置的增速比一般為4050。 這樣，可以降低發(fā)電機重量，從而降低成本。5、偏航系統(tǒng) 用來調(diào)整風(fēng)力機的風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平而與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)。因為當(dāng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，也即是迎著風(fēng)向時，風(fēng)力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風(fēng)力機的輸出功率最大，所以調(diào)向機構(gòu)又稱為迎風(fēng)機構(gòu)(通稱偏航系統(tǒng))。整個偏航系統(tǒng)由電動機及減速機構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)和扭纜保護裝置等部分組成。偏導(dǎo)航系統(tǒng)的作用n偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個： 1) 與風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)發(fā)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提

8、高風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電效率； 2) 提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行。（四）發(fā)電機n 發(fā)電機的作用，是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象把由風(fēng)輪輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。n 發(fā)電機有基本類型： 普通異步風(fēng)力發(fā)電機組 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組 直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機組（含永磁發(fā)電機和直流勵磁發(fā)電機） 混合式風(fēng)力發(fā)電機組 1、普通異步風(fēng)力發(fā)電機組普通異步風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)特點：1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，需要齒輪箱增速，轉(zhuǎn)子繞組短路，結(jié)構(gòu)一般為鼠籠結(jié)構(gòu)；2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速固定，風(fēng)能利用率低，其轉(zhuǎn)速由齒輪箱傳動比和發(fā)電機極對數(shù)決定；3、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速高于同步速運行；4、發(fā)電機定子直接與電網(wǎng)連接，

9、啟動時產(chǎn)生很大啟動電流，其配置啟動裝置。5、從系統(tǒng)吸收大量無功，需配置無功補償裝置。結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。2、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)特點：1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，需要齒輪箱增速；2、轉(zhuǎn)子繞組通過電滑環(huán)或采用繞線結(jié)構(gòu)與電力電子換流裝置連接；3、通過電力電子換流裝置的控制作用，可以調(diào)節(jié)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速的變化而改變，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能捕獲效率，風(fēng)能利用率高；4、在低風(fēng)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子低于同步速運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組通過換流器向發(fā)電機饋入勵磁功率；在高風(fēng)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子高于同步速運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組向換流器輸出勵磁功率；5

10、、直接與電網(wǎng)連接，由于轉(zhuǎn)子電流可控，因此可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機平滑并網(wǎng)。3、直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機組直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機組 技術(shù)特點：1）葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組通過增加極對數(shù)來降低同步轉(zhuǎn)速，從而避免了齒輪箱損耗；2）同步電機勵磁系統(tǒng)可采用直流電勵磁或永磁體勵磁方式，由于轉(zhuǎn)子極對數(shù)較多，電機外尺寸較大且較重，不方便運輸和吊裝。3）對于直流電勵磁方式的同步電機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以通過控制勵磁電流的大小來控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能捕獲效率；對于永磁同步電機，可以通過調(diào)節(jié)直流電壓的方式來控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能捕獲效率，風(fēng)能利用率高；4）對于直流勵磁

11、方式的同步電機，勵磁損耗較小；對于永磁同步電機，則存在永磁材料的消磁現(xiàn)象。5）通過電力電子換流器與電網(wǎng)連接，吸收或輸出功率可調(diào)，因此可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機平滑并網(wǎng)。6）電網(wǎng)側(cè)換流器采用空間矢量控制技術(shù)，可以實現(xiàn)發(fā)電機有功功率和無功功率的解藕控制，能夠獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機向系統(tǒng)吸收或發(fā)出無功。結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)復(fù)雜。 以上風(fēng)電機組優(yōu)缺點比較表以上風(fēng)電機組優(yōu)缺點比較表 雙饋、永磁和直流勵磁 風(fēng)力發(fā)電機外觀圖雙饋風(fēng)力發(fā)電機外觀特點：機艙細長直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機外觀特點：機艙短粗直流勵磁風(fēng)力發(fā)電機外觀特點：機艙臃腫（四）控制系統(tǒng)主要功能1）按預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速值(一般為34ms)自動啟動風(fēng)力發(fā)電機組，并通過軟啟動裝置將異

12、步發(fā)電機并人電網(wǎng)。2）借助各種傳感器自動檢測風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)及狀態(tài)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機溫升、發(fā)電機輸出功率、功率因數(shù)、電壓、電流等以從齒輪箱軸承的油溫、液壓系統(tǒng)的油壓等。3）當(dāng)風(fēng)速大干最大運行速度(一般設(shè)定為25ms)時實現(xiàn)自動停機。4）故障保護。5）通過光纜或電話線互相連接。 風(fēng)機控制方式及內(nèi)容n一個完整的風(fēng)力發(fā)電機組通常由風(fēng)輪、增速齒輪箱、風(fēng)力發(fā)電機、機座、塔架、調(diào)速器、調(diào)向器、停車制動器、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，為使風(fēng)力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進行有效的控制?？紤]到風(fēng)力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1）風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2

13、）運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負載變化作用下具有魯棒性；3）控制代價小，即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時間等； 4）最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率達到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量； 5）風(fēng)力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。n風(fēng)力發(fā)電機組控制目標(biāo)有很多項，控制方法多種多樣，按控制對象劃分大致可分為偏航系統(tǒng)、發(fā)電機并網(wǎng)控制系統(tǒng)、發(fā)電機功率控制系統(tǒng)、電容器控制系統(tǒng)等等，其中兩個核心問題是：風(fēng)能的最大捕獲以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題。由風(fēng)力機最大風(fēng)能捕獲的運行原理可知，

14、若風(fēng)速越高，則與之相對應(yīng)的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速越高。但受風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速極限、功率極限等限制，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不可能太高。n因此，為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機有三種典型的運行狀態(tài)： 低風(fēng)速段實行變速運行，可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)Cp值，根據(jù)風(fēng)速變化控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比不變，直到轉(zhuǎn)速達到極限； 轉(zhuǎn)速達到極限后，風(fēng)速進一步加大時，按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機運行，直到輸出最大功率，此時的風(fēng)能Cp不一定是最大值； 超過額定風(fēng)速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機。（五）風(fēng)的能量與測量產(chǎn)生能量的基本要素： 風(fēng)具有一定的質(zhì)量和速度。風(fēng)能的一些主要特性參數(shù)：如風(fēng)能、風(fēng)能密度、風(fēng)速與風(fēng)級、風(fēng)向與風(fēng)頻以及風(fēng)的測量等。1）

15、風(fēng)能：空氣運動產(chǎn)生的動能稱為“風(fēng)能”。2）風(fēng)能密度：單位時間內(nèi)通過單位截面積的風(fēng)能。3）風(fēng)速與風(fēng)級：風(fēng)速就是空氣在單位時間內(nèi)移動的距離，國際上的單位是米秒(m/s)或千米小時(kmh)。分13級4）風(fēng)向與風(fēng)頻：通常把風(fēng)吹來的地平方向定為風(fēng)的方向，即風(fēng)向。風(fēng)頻是指風(fēng)向的頻率，即在一定時間內(nèi)某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占各風(fēng)向出現(xiàn)總次數(shù)的百分比，5）風(fēng)的測量：風(fēng)的測量儀器主要有風(fēng)向器、杯形風(fēng)速器和三杯輕便風(fēng)向風(fēng)速表等。1、風(fēng)中的能量風(fēng)中蘊含的能量是動能，故P=1/2AV3n可用風(fēng)能與風(fēng)速的立方成正比，風(fēng)速的輕微增加會導(dǎo)致功率的顯著增加n風(fēng)力與海平面1.225kg/m3處的空氣比重成正比n風(fēng)能還受氣壓及溫度的影

16、響（大約10-15%）n風(fēng)能還與葉輪掃略面積成正比2、風(fēng)力機的主要特性系數(shù)風(fēng)力機的主要特性系數(shù)1）功率系數(shù)（Cp）描述風(fēng)機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的效率2）葉尖速比為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風(fēng)速比來衡量，稱葉尖速比vRn2其中：R 葉輪的半徑，n 葉輪的機械轉(zhuǎn)的圈數(shù)，V 作用于風(fēng)力機的迎面風(fēng)速。輸入的風(fēng)能可能提取的風(fēng)能pC風(fēng)中的能量無法全部被風(fēng)機轉(zhuǎn)換，其理論最高限度Cp（max）=0.593，通常被稱為貝茨因數(shù)。3、葉尖速比的影響n風(fēng)能利用系數(shù)Cp與風(fēng)力機葉尖速比的對應(yīng)關(guān)系：4、風(fēng)輪的功率輸出n風(fēng)力機采集風(fēng)能的基本計算公式P=(Cpv3A)/2其中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)（Powe

17、r Coefficient），表示風(fēng)機捕獲風(fēng)能的能力， Cp = Pcapture / Pwind為空氣密度(kg/m3)，與海拔、水汽壓（即濕度）v為風(fēng)速(m/s)，通常按輪轂高度處風(fēng)速計算A為葉輪掃風(fēng)面積(m2)，5、風(fēng)力機的頻率和電壓控制n交流發(fā)電機中的繞組通過交變磁極產(chǎn)生交流電。交流電的頻率由發(fā)電機轉(zhuǎn)速決定：其中p 發(fā)電機的磁極對數(shù)，n 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，f 交流電的頻率。（六）風(fēng)力發(fā)電機組分為定槳距與變槳距機組。n 定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性。這種機組的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，通過葉片的失速或偏航控制降低風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp，從而維持功率恒定

18、。n 變槳距變速調(diào)節(jié)型變槳距機組為了盡可能提高風(fēng)力機風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)力機可由輪轂艙內(nèi)葉片根部的液壓裝置或電動機構(gòu)進行槳距調(diào)整。變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，它要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進行調(diào)節(jié)。 1、定槳距失速調(diào)節(jié)型機組n一般用同步電機或者鼠籠式異步電機 通過定槳距失速控制的風(fēng)輪機使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持在恒定的數(shù)值。n繼而使風(fēng)電機并網(wǎng)后定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率等于電網(wǎng)頻率 轉(zhuǎn)子、葉輪的變化范圍小，捕獲風(fēng)能的效率低。2、變槳距變速調(diào)節(jié)型機組n一般采用雙饋電機或者永磁同步電機 通過調(diào)速器和變槳距控制相結(jié)合的方法使葉輪轉(zhuǎn) 速可以跟隨風(fēng)速的變化在很寬的范圍內(nèi)變化，保持最佳葉尖速比運行，從而使風(fēng)能利用系數(shù)在很大的風(fēng)速變化范圍內(nèi)均能保持最大值，能量捕獲效率最大。n 發(fā)電機發(fā)出的電能通過變流器調(diào)節(jié)，變成與電網(wǎng) 同頻、同相、同幅的電能輸送到電網(wǎng)。3、變槳變速風(fēng)電機組的動力驅(qū)動n目前流行的變速變槳風(fēng)電機組的動力驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種方案： 1）升速齒輪箱繞線式異步電