風力發(fā)電原理演示教學

風力(fēnglì)發(fā)電原理主講(zhǔjiǎng)：王老師第一頁，共50頁。風力發(fā)電的原理：是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使(cùshǐ)發(fā)電機發(fā)電。簡單的說風力發(fā)電就是將風能轉(zhuǎn)換為機械能進而將機械能再轉(zhuǎn)換為電能的過程。現(xiàn)代風力發(fā)電機采用空氣動力學原理，就像飛機的機翼一樣。第二頁，共50頁。

風并非"推"動風輪(fēnɡlún)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，令風輪(fēnɡlún)旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風流。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成(xíngchéng)一股熱潮，為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。第三頁，共50頁。（一）風力(fēnglì)發(fā)電設(shè)備組成：風力發(fā)電機組包括兩大部分；一部分是風力機，由它將風能(fēnɡnénɡ)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)它收集風能(fēnɡnénɡ)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，分為上風式和下風式；第四頁，共50頁。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）以風力機的容量(róngliàng)分，則有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)機。第五頁，共50頁。1、風力機的主要(zhǔyào)技術(shù)指標參數(shù)風輪直徑，通常風力機的功率越大，直徑越大；葉片數(shù)目，高速發(fā)電用風力機為2—4片，低速(dīsù)風力機大干4片；葉片材料，現(xiàn)代常采用高強度低密度的復合材料；風能利用系數(shù)，一般為0.15—0.5之間；第六頁，共50頁。啟動風速，一般為3—5m/s;停機風速，通常為15—35m／s;輸出功率，現(xiàn)代風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(jiāoliú)發(fā)電機；另外還有塔架高度等等。第七頁，共50頁。2、水平(shuǐpíng)軸力風機特點：風力機的風輪軸與地面呈水平狀態(tài)，稱水平軸風力機。組成：它一般內(nèi)風輪增速器、調(diào)速器、調(diào)向裝置(zhuāngzhì)、發(fā)電機和塔架等部件組成，大中型風力機還有自動控制系統(tǒng)。應用：這種風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)價值的風力機：類型：有傳統(tǒng)風車、低速風力機及高速風力機第八頁，共50頁。水平(shuǐpíng)軸力風機圖第九頁，共50頁。第十頁，共50頁。3、垂直軸風力機特點：凡風輪轉(zhuǎn)軸與地面呈垂直狀態(tài)的風力機叫垂直抽風力機。形式有：如s型、H型、Ф型等。應用：雖然目前垂直軸風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(yánjiū)日趨增多，各種形式不斷出現(xiàn)。各種形式的垂直軸風力機。第十一頁，共50頁。

Ф型風力機圖第十二頁，共50頁。第十三頁，共50頁。（二）風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)從外部看，整個風力發(fā)電機組看上去只有三個主要部分：風輪、機艙和塔架。發(fā)電機、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都集成在機艙內(nèi)。機艙除了承擔容納所有機械部件的功能(gōngnéng)，還起到承受所有外力（包括靜負載及動負載）的作用。機艙底盤和塔架之間有回轉(zhuǎn)體，使機艙可水平轉(zhuǎn)動。第十四頁，共50頁。第十五頁，共50頁。機組的總體(zǒngtǐ)結(jié)構(gòu)機組(jīzǔ)的總體結(jié)構(gòu)圖：控制系統(tǒng)風輪增速器發(fā)電機主繼電器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘管電網(wǎng)風變槳風速轉(zhuǎn)速并網(wǎng)功率無功補償風第十六頁，共50頁。（三）風力發(fā)電機主要組成部分(zǔchénɡbùfèn)介紹

1、風輪風力機區(qū)別于其他機械的最主要特征就是風輪。風輪一般由2～3個葉片和輪轂所組成，其功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能。由于風力發(fā)電機的理論基礎(chǔ)也是空氣動力學，故其葉片形狀與機翼(jīyì)很相似。風經(jīng)過水平軸風力發(fā)電機的葉片時由于葉片與風有一個夾角，風在葉片上形成升力，風力發(fā)電機就是依靠葉片上的升力把風能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能，從而帶動發(fā)電機進行發(fā)電的。第十七頁，共50頁。2、塔架風力機的塔架除了(chúle)要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切關(guān)系。水平軸風力發(fā)電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。一般圓柱形塔架對風的阻力較小，特別是對于下風向風力機，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向風力機的葉片產(chǎn)生很大的紊流。第十八頁，共50頁。管柱型和桁架(héngjià)型如圖：

第十九頁，共50頁。3、機艙(jīcāng)第二十頁，共50頁。第二十一頁，共50頁。4、齒輪箱對于容量較大的風電機組，因風輪轉(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。風力發(fā)電機組中的齒輪箱也稱為增速箱。齒輪箱的主要功能就是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到(dédào)相應轉(zhuǎn)速。齒輪箱對于大型風力發(fā)電機，由于限制其轉(zhuǎn)速，傳動裝置的增速比一般為40—50。這樣，可以降低發(fā)電機重量，從而降低成本。第二十二頁，共50頁。5、偏航(piānhánɡ)系統(tǒng)用來調(diào)整風力機的風輪葉片旋轉(zhuǎn)平而與空氣流動方向相對位置的機構(gòu)。因為當風輪葉片旋轉(zhuǎn)平面與氣流方向垂直時，也即是迎著風向時，風力機從流動的空氣中獲取的能量最大，因而風力機的輸出功率最大，所以調(diào)向機構(gòu)又稱為迎風機構(gòu)(通稱偏航系統(tǒng)(xìtǒng))。整個偏航系統(tǒng)(xìtǒng)由電動機及減速機構(gòu)、偏航調(diào)節(jié)系統(tǒng)(xìtǒng)和扭纜保護裝置等部分組成。第二十三頁，共50頁。偏導航系統(tǒng)的作用(zuòyòng)偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個：1)與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風發(fā)電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率(xiàolǜ)；2)提供必要的鎖緊力矩，以保障風力發(fā)電機組的安全運行。第二十四頁，共50頁。（四）發(fā)電機發(fā)電機的作用，是利用電磁感應現(xiàn)象把由風輪輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。發(fā)電機有基本類型：普通異步風力發(fā)電機組雙饋異步風力發(fā)電機組直驅(qū)式同步(tóngbù)風力發(fā)電機組（含永磁發(fā)電機和直流勵磁發(fā)電機）混合式風力發(fā)電機組

第二十五頁，共50頁。1、普通(pǔtōng)異步風力發(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(juédìng)；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，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。第二十六頁，共50頁。2、雙饋式異步風力(fēnglì)發(fā)電機組技術(shù)特點：1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般(yībān)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；第二十七頁，共50頁。3、通過電力電子換流裝置的控制(kòngzhì)作用，可以調(diào)節(jié)控制(kòngzhì)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可隨風速的變化而改變，使風力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風能捕獲效率，風能利用率高；4、在低風速時，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、直接與電網(wǎng)連接，由于轉(zhuǎn)子電流可控，因此可以實現(xiàn)風力發(fā)電機平滑并網(wǎng)。第二十八頁，共50頁。3、直驅(qū)式同步(tóngbù)風力發(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(yóuyú)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。第二十九頁，共50頁。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，從而使風力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風能捕獲(bǔhuò)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，從而使風力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風能捕獲(bǔhuò)效率，風能利用率高；4）對于直流勵磁方式的同步電機，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)復雜。第三十頁，共50頁。以上風電(fēnɡdiàn)機組優(yōu)缺點比較表風電機組類型優(yōu)點缺點普通異步風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單，控制方便1、采用齒輪箱，故障率高，維護困難；2、風能利用率低；3、啟動電流大，需配置啟動裝置；4、消耗大量無功，需要從電網(wǎng)輸入無功；雙饋異步風力發(fā)電機組1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功；1、采用齒輪箱，故障率高，維護困難；2、有勵磁功率損耗；3、結(jié)構(gòu)復雜，控制系統(tǒng)復雜；永磁同步風力發(fā)電機組1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功；4、無勵磁功率損耗；1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設(shè)備，價格稍貴；3、結(jié)構(gòu)復雜，控制系統(tǒng)復雜；4、永磁體有消磁現(xiàn)象直流勵磁同步風力發(fā)電機組1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設(shè)備，價格稍貴；3、有勵磁功率損耗；4、結(jié)構(gòu)復雜，控制系統(tǒng)復雜；第三十一頁，共50頁。雙饋、永磁和直流勵磁(lìcí)

風力發(fā)電機外觀圖雙饋風力(fēnglì)發(fā)電機外觀特點：機艙細長直驅(qū)永磁風力發(fā)電機外觀特點：機艙(jīcāng)短粗直流勵磁風力發(fā)電機外觀特點：機艙臃腫第三十二頁，共50頁。（四）控制系統(tǒng)主要(zhǔyào)功能1）按預先設(shè)定的風速值(一般為3—4m／s)自動啟動風力發(fā)電機組，并通過軟啟動裝置將異步發(fā)電機并人電網(wǎng)。2）借助各種傳感器自動檢測風力發(fā)電機組的運行參數(shù)(cānshù)及狀態(tài)，包括風速、風向、風力機風輪轉(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）當風速大干最大運行速度(一般設(shè)定為25m／s)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。第三十三頁，共50頁。風機控制(kòngzhì)方式及內(nèi)容一個完整的風力發(fā)電機組通常由風輪、增速齒輪箱、風力發(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，為使風力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進行有效的控制?？紤]到風力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下(yǐxià)要求：1）風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2）運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、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；第三十四頁，共50頁。4）最大限度地將風能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風速以下，可能使發(fā)電機在每一種風速時，輸出(shūchū)的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出(shūchū)電功率為常量；

5）風力發(fā)電機輸出(shūchū)的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。風力發(fā)電機組控制目標有很多項，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：風能的最大捕獲(bǔhuò)以提高風能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題。由風力機最大風能捕獲(bǔhuò)的運行原理可知，若風速越高，則與之相對應的風力機轉(zhuǎn)速越高。但受風電機組轉(zhuǎn)速極限、功率極限等限制，風力機轉(zhuǎn)速不可能太高。第三十五頁，共50頁。因此，為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機有三種典型的運行狀態(tài)：①低風速段實行變速運行，可保持(bǎochí)一個恒定的風能利用系數(shù)Cp值，根據(jù)風速變化控制風力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比λ不變，直到轉(zhuǎn)速達到極限；②轉(zhuǎn)速達到極限后，風速進一步加大時，按恒定轉(zhuǎn)速控制風力機運行，直到輸出最大功率，此時的風能Cp不一定是最大值；③超過額定風速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風力機。第三十六頁，共50頁。（五）風的能量(néngliàng)與測量產(chǎn)生能量的基本要素：風具有一定的質(zhì)量和速度。風能的一些主要特性參數(shù)：如風能、風能密度(mìdù)、風速與風級、風向與風頻以及風的測量等。1）風能：空氣運動產(chǎn)生的動能稱為“風能”。2）風能密度(mìdù)：單位時間內(nèi)通過單位截面積的風能。第三十七頁，共50頁。3）風速與風級：風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(km／h)。分13級4）風向與風頻：通常把風吹來的地平方向定為風的方向，即風向。風頻是指風向的頻率，即在一定時間內(nèi)某風向出現(xiàn)(chūxiàn)的次數(shù)占各風向出現(xiàn)(chūxiàn)總次數(shù)的百分比，5）風的測量：風的測量儀器主要有風向器、杯形風速器和三杯輕便風向風速表等。第三十八頁，共50頁。1、風中的能量(néngliàng)風中蘊含的能量是動能，故P=1/2ρAV3可用風能與風速的立方成正比，風速的輕微增加會導致功率的顯著增加風力與海平面1.225kg/m3處的空氣比重成正比風能還受氣壓及溫度(wēndù)的影響（大約10-15%）風能還與葉輪掃略面積成正比第三十九頁，共50頁。2、風力機的主要特性(tèxìng)系數(shù)1）功率系數(shù)（Cp）描述風機將風能轉(zhuǎn)換為機械能的效率(xiàolǜ)2）葉尖速比為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風速比來衡量，稱葉尖速比其中：R葉輪的半徑(bànjìng)，n葉輪的機械轉(zhuǎn)的圈數(shù)，V作用于風力機的迎面風速。風中的能量無法全部被風機轉(zhuǎn)換，其理論最高限度Cp（max）=0.593，通常被稱為貝茨因數(shù)。第四十頁，共50頁。3、葉尖速比(sùbǐ)的影響風能(fēnɡnénɡ)利用系數(shù)Cp與風力機葉尖速比λ的對應關(guān)系：第四十一頁，共50頁。4、風輪(fēnɡlún)的功率輸出風力機采集風能的基本計算公式P=(Cp×ρ×v3×A)/2其中，Cp為風能利用系數(shù)（PowerCoefficient），表示風機捕獲風能的能力，Cp=Pcapture/Pwindρ為空氣密度(kg/m3)，與海拔、水汽壓（即濕度）v為風速(m/s)，通常(tōngcháng)按輪轂高度處風速計算A為葉輪掃風面積(m2)，第四十二頁，共50頁。5、風力機的頻率和電壓(diànyā)控制交流發(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(zhuànsù)決定：其中p發(fā)電機的磁極(cíjí)對數(shù)，n發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，f交流電的頻率。第四十三頁，共50頁。（六）

風力(fēnglì)發(fā)電機組分為定槳距與變槳距機組。定槳距風力發(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速的變化而變化，當風速超過額定(édìng)風速時，通過葉片的失速或偏航控制降低風能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp，從而維持功率恒定。變槳距變速調(diào)節(jié)型變槳距機組為了盡可能提高風力機風能轉(zhuǎn)換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn)，風力機可由輪轂艙內(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)。

第四十四頁，共50頁。1、定槳距失速(shīsù)調(diào)節(jié)型機組一般用同步電機或者鼠籠式異步電機通過(tōngguò)定