《風力發(fā)電技術(shù)》課件-第一章 風與風能

第一章風與風能1.風的形成及特點空氣的流動現(xiàn)象就是風。氣壓在水平方向分布的不均勻是形成風的直接原因?？諝獾倪\動遵循大氣動力學和熱力學的變化，故風受大氣環(huán)流、地形、水域等不同因素的綜合影響，表現(xiàn)形式多種多樣，如季風、地方性的海陸風、山谷風、焚風等。什么是風？自然風人造風風是怎么形成的？自然界中風的形成與氣溫有關(guān)。熱地方的空氣輕，壓力??；冷的地方空氣重，壓力大。當兩地冷熱溫度不同時，空氣壓力大小也就不同，壓力大的空氣會向壓力小的空氣方向流動，從而形成了風。實驗結(jié)論：蠟燭點燃后瓶內(nèi)的空氣變成熱空氣，熱空氣比冷空氣輕，會順著瓶口上升，冷空氣會從底部的小孔流進去補充，這樣形成了風。冷地方空氣重，壓力大；熱地方空氣輕，壓力小。當兩地冷熱不同時，空氣壓力大小也就不同。壓力大的空氣會向壓力小的空氣方向流動，從而形成風.風受太陽輻射、地球自轉(zhuǎn)、緯度、地形、水域等不同因素的綜合影響，從而形成了多種多樣形式的風，如季風、地方性的海陸風、山谷風、焚風等。結(jié)論1.季風：隨著季節(jié)不同有規(guī)律轉(zhuǎn)變風向的風，主要受海陸差異、大氣環(huán)流、行星風帶位置的季節(jié)轉(zhuǎn)換及地形因素影響。2.海陸風：海面和陸地的溫度差引起海岸線上的氣壓差形成的風，主要受大陸與海洋溫度差異轉(zhuǎn)變影響。

3.山谷風：山坡和山谷溫度差導致的氣壓差形成的風。4.焚風：山嶺兩側(cè)氣壓差形成的風。5.臺風與颶風：稱謂不同6.龍卷風：小范圍強烈天氣現(xiàn)象風的種類白天的風海洋陸地熱涼夜晚的風海洋陸地熱涼風速是指空氣在單位時間內(nèi)流動的水平距離。根據(jù)風對地上物體所引起的現(xiàn)象將風的大小分為13個等級，稱為風力等級，簡稱風級。以0～12等級數(shù)字記載。風的特性——風速風級和符號名稱風速（米）*陸地物象海面波浪浪高（米）0無風0.0-0.2煙直上平靜0.01軟風0.3-1.5煙示風向微波峰無飛沫0.12輕風1.6-3.3感覺有風小波峰未破碎0.23微風3.4-5.4旌旗展開小波峰頂破裂0.64和風5.5-7.9吹起塵土小浪白沫波峰1.05勁風8.0-10.7小樹搖擺中浪折沫峰群2.06強風10.8-13.8電線有聲大浪到個飛沫3.07疾風13.9-17.1步行困難破峰白沫成條4.08大風17.2-20.7折毀樹枝浪長高有浪花5.59烈風20.8-24.4小損房屋浪峰倒卷7.010狂風24.5-28.4拔起樹木海浪翻滾咆哮9.011暴風28.5-32.6損毀普遍波峰全呈飛沫11.512颶風32.7-摧毀巨大海浪滔天14.0輕風微風強風疾風大風狂風暴風臺風、颶風

風的特點

1.隨機性2.隨高度變化而變化3.風速與風級2.風的特性概念——描述大氣邊界層中近地層空氣運動的性質(zhì)。近地層是指距離地面約100m的高度層反映風特性的參數(shù)包括風速、脈動風速、極端風速和風向等，這些指標的觀測和計算是風力發(fā)電機組設計和風力發(fā)電投資開發(fā)中的重要參數(shù)。風的特性風的特性風不僅有大小還有方向，風的大小用風速來表示，風的方向以風向圖展示。

風速和風向均可通過儀器進行測量，他們描述風特性的重要參數(shù)，也是評價風力資源的重要指標。單位時間內(nèi)空氣移動的水平距離。描述風能資源的關(guān)鍵要素，決定著風力發(fā)電機組的輸出功率。風速——平均風速、最大風速和極大風速表示。風速

如：10min平均風速、小時平均風速、日平均風速、月平均風速和年平均風速等。平均風速某一點在給定時段（至少幾分鐘以上）內(nèi)風速的平均值在給定時段內(nèi)，10min的平均風速最大值。最大風速在給定時段內(nèi)瞬時風速的最大值瞬時風速——3s的平均風速極大風速

用于描述風速頻率的分布函數(shù)，能夠表征風能資源統(tǒng)計特性，一般由控制分布寬度的形狀參數(shù)和控制平均風速分布的尺度參數(shù)來表述，形狀參數(shù)越大，表明平均風速變化的范圍越小，風場比較均勻，有利于風電場工程開發(fā)。威布爾分布是一個連續(xù)性的概率分布。威布爾分布A是威布爾分布的尺度參數(shù)，表示風速的分布，取決于風速的時間特征和該分布與平均風速之間的關(guān)聯(lián)；k是威布爾分布的形狀參數(shù)，表示分布的形狀，通常在1和3之間變化，k值越大，說明年平均風速變化范圍越小，風速波動也越小。中國的部分地區(qū)，風速的分布基本都符合威布爾分布，但一些地形復雜和受臺風影響的地區(qū)，風速不符合威布爾分布。

u'=u-u

脈動風速在短時間內(nèi)由于空氣湍流運動產(chǎn)生的風速隨時間的變化。其值等于瞬時風速與平均風速的偏差。式中u'為脈動風速，u為風速表測得的瞬時風速，u為某一時段內(nèi)平均風速。脈動風速_——描述大氣湍流運動特性的最重要的特征量，它會影響風力發(fā)電機組的疲勞載荷。-多年一遇的最大風速和極大風速。極端風速

風電場風能資源評估中多用50年一遇最大的10min平均風速和3s的極大風速作為風電項目開發(fā)中機組選型和經(jīng)濟評估的一個關(guān)鍵指標。

極端風速也是機組設計時重要參數(shù)之一，決定風電機組極限載荷的關(guān)鍵指標。風的來向，一般用風向政瑰圖來描述風向的變化特征。風向

將風向劃分為16個扇區(qū)，每22.5°為一個扇形，計算給定時段內(nèi)16個扇區(qū)內(nèi)風向出現(xiàn)的頻率并以雷達圖表示，因為最終的圖形狀似玫瑰，所以稱為風向玫瑰圖。圖中風向相對頻率f分別為5%,10%,15%。根據(jù)風對地面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力強度等級來估計風速的大小。風級風級和符號名稱風速（米）*陸地物象海面波浪浪高（米）0無風0.0-0.2煙直上平靜0.01軟風0.3-1.5煙示風向微波峰無飛沫0.12輕風1.6-3.3感覺有風小波峰未破碎0.23微風3.4-5.4旌旗展開小波峰頂破裂0.64和風5.5-7.9吹起塵土小浪白沫波峰1.05勁風8.0-10.7小樹搖擺中浪折沫峰群2.06強風10.8-13.8電線有聲大浪到個飛沫3.07疾風13.9-17.1步行困難破峰白沫成條4.08大風17.2-20.7折毀樹枝浪長高有浪花5.59烈風20.8-24.4小損房屋浪峰倒卷7.010狂風24.5-28.4拔起樹木海浪翻滾咆哮9.011暴風28.5-32.6損毀普遍波峰全呈飛沫11.512颶風32.7-摧毀巨大海浪滔天14.0國際上采用蒲福風級，從靜風到颶風分為13個等級。風力歌

零級煙柱直沖天，

一級輕煙隨風偏。

二級輕風吹臉面，

三級葉動紅旗展。

四級枝搖飛紙片，

五級帶葉小樹搖。

六級舉傘步行難，

七級迎風走不便。

八級風吹樹枝斷，

九級屋頂飛瓦片。

十級拔樹又倒屋，

十一二級陸少見。影響風特性的參數(shù)都有哪些？思考3.風的測量風的形成——在地球的外表面包圍著一層空氣，由于地球引力的作用靠地面的空氣密度大壓力大、離地面遠些的空氣密度小壓力小。太陽照熱地面使地面的空氣密度減小上升、又由于各地表面對太陽的吸收與反射不同、地球不同緯度的溫度不同造成各地空氣密度不同、地球自轉(zhuǎn)使地面溫度晝夜交替變化等等都促成空氣的不停流動，同時由于地球的自轉(zhuǎn)也造成空氣的流動，這就是風的形成原因。流動的空氣具有的能量就是風能。知識點3——風力測量風的等級風力的測量

根據(jù)測量原理主要有以下幾類：機械式、超聲波式、聲振蕩、壓力式與熱線式等，在一般場合用得較多的是機械式與超聲波式，特別是在風力發(fā)電中使用廣泛。在風力發(fā)電中也稱這些儀器為風速與風向傳感器。風速測量儀器也叫風速傳感器，最簡單又常見的風速測量是三杯式風速儀。三杯式風速儀

三個風杯由于阻力差而旋轉(zhuǎn)，風力大則轉(zhuǎn)速高，儀器內(nèi)的轉(zhuǎn)速傳感器把風杯轉(zhuǎn)速變?yōu)殡娦盘栞敵?。風向傳感器原理——指向的角度由儀器內(nèi)的角度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥ｏL向傳感器風速風向傳感器

超聲波風速風向儀也叫超聲波風速風向傳感器，有多種測量計算方法，其中傳播時差法簡單也用得較多。

超聲波式風速風向儀時差法通過超聲波在空氣中的傳播速度來測量風速順風傳播速度快，逆風傳播速度慢，風速為零時雙向速度一樣。超聲波式風速風向儀超聲波風速風向儀也叫超聲波風速風向傳感器，有多種測量計算方法，其中傳播時差法簡單也用得較多。

時差法通過超聲波在空氣中的傳播速度來測量風速。順風傳播速度快，逆風傳播速度慢，風速為零時雙向速度一樣。一個超聲波風速風向儀，在上方有四個超聲波探頭，每個探頭即可發(fā)送超聲波也能接受超聲波，相對的兩個探頭是一組。每一組探頭可測出相對方向的風速，兩組探頭聯(lián)合則可測出具體的風速與風向。超聲波式風速風向儀機械式與超聲波式測風儀優(yōu)缺點1.機械式測風儀結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉；缺點是有旋轉(zhuǎn)件，存在磨損損耗，易被風沙磨損，冰凍雨雪會影響運行，需定期維護。2.超聲波式風速風向儀最大優(yōu)點是無機械摩損，缺點是尺寸大些，雨、雪、霜、霧、沙塵會影響測量，使輸出誤差加大。采用探頭加熱技術(shù)，可防止冰雪對傳感器造成的影響，以適合在惡劣天氣條件下使用。4.風切變電廠的煙囪為什么要建的那么高？

風切變是指平均風速在垂直于風向平面內(nèi)沿空間的變化。在風電工程中，通常指風輪平面內(nèi)水平平均風速沿垂直高度的變化，它是大氣邊界層流動受到地表摩擦應力作用的體現(xiàn)。知識點4——風切變

由于風切變的存在，風速在風輪平面內(nèi)沿高度按一定規(guī)律變化，風電機組輪轂以上的風速高于輪轂以下的風速，造成風輪所受的氣動力分布不均，風電機組實際出力低于均勻來流條件下的設計值。同時，葉片每旋轉(zhuǎn)一周，受到氣動力周期性波動的影響，因此風切變也會加速葉片的疲勞和傳動部件的磨損。平均風速沿高度變化的分布曲線稱為風切變冪律或風廓線。平坦地形、近中性大氣穩(wěn)定度條件下平均風速沿高度的分布可用風切變冪律或?qū)?shù)風切變律表示。在風電機組氣動設計時，一般是以輪轂髙度的年平均風速為依據(jù)，并假定風速在風輪平面內(nèi)均勻分布。工程上表征風切變大小的指標，反映的是風速隨高度變化的長期統(tǒng)計特性。風切變冪律

zau(z)=u(zr)（——)zr風切變冪指數(shù)用于機組選型，塔架高度的選擇和架空輸電線路的設計。假定平均風速隨高度按對數(shù)規(guī)律變化:對數(shù)風切變律

u*

z

u(z)=——ln(——)kz0基于普朗特邊界層理論得出，適用于平坦地形和中性大氣邊界層。假定平均風速隨高度按對數(shù)規(guī)律變化:對數(shù)風切變律

u*

z

u(z)=——ln(——)kz0基于普朗特邊界層理論得出，適用于平坦地形和中性大氣邊界層。影響因素風切變的大小主要與大氣穩(wěn)定度、地形等因素有關(guān)。風切變的影響因素浮力作用下，空氣微團沿垂直方向運動的穩(wěn)定性，即空中空氣微團由于與周圍空氣存在密度、溫度和流速等的強度差而產(chǎn)生的浮力，使其產(chǎn)生加速度而上升或下降的程度，也稱為溫度分層。大氣穩(wěn)定度分為中性大氣、穩(wěn)定大氣和不穩(wěn)定大氣三種情況。

地表與大氣邊界層沒有換熱的情況，此時一個空氣團可逆絕熱地上下移動，則其密度也始終保持與外界相同，可以穩(wěn)定地停留在新的位置。中性大氣地表溫度偏高，地表對大氣邊界層進行加熱，則形成不穩(wěn)定大氣不穩(wěn)定大氣

此時一個空氣團可逆絕熱地上下移動，則會受到一個進一步促進其移動的作用力，因此空氣的上下?lián)交斓玫皆鰪?，風切變冪指數(shù)a減小。復雜地形條件的風切變受到地形的影響，不同地點的風切變不同。地形同一地點，在不同風向上看到的地形也不同，因此不同方向的風切變也不同。

復雜地形風電場的風切變無法簡單估算，要獲得目標位置的風廓線，需要采用風電場流場數(shù)值計算軟件進行計算，或在目標位置設置測風塔來獲取。地形什么是風切變？影響因素都有哪些?在不同的大氣情況下，圖中的曲線如何變化？思考在10m和50m高度處的平均風速分別為6m/s和8m/s時，風切變冪律與對數(shù)風切變律的風廓線5.失速知識點4——失速阻力與升力都為零升力與阻力產(chǎn)生了側(cè)向作用力F，該力可分解為阻力FD與升力FL薄平板與氣流方向的夾角稱為攻角攻角

當攻角較小時，平板受到的阻力FD較??；此時平板受到的作用力主要是升力FL。當翼片運行較小迎角時，翼片處在正常升力狀態(tài)，翼片上方與下方的氣流都是平順的附著翼型表面流過，如果將翼片迎角變大，當超過某個臨界角度時，翼片上表面氣流會發(fā)生分離，不再附著翼型表面流過，翼型上方會產(chǎn)生渦流，導致阻力急劇上升而升力下降，這種情況稱為失速。失速迎角發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界角度稱之為臨界迎角或失速迎角，對于不同的翼型不同的氣流速度失速迎角也不同，對于薄平板來說失速迎角較小，且阻力略大，攻角稍大就會失速。失速迎角葉片升阻力系數(shù)與攻角的關(guān)系升力降低，阻力增大，葉片旋轉(zhuǎn)速度下降，軸向力增加。極曲線，每一個攻角，對應一個CL和Cd，連接一起就是極曲線。找出一個升阻比最大的點。埃菲爾極限風力機失速想象？思考6.風電機組控制策略

保證風電機組運行時，在一定風速范圍內(nèi)安全、高效地提供電能的控制方案及方法的集合。主要包括對風輪和發(fā)電機的控制。具體控制策略的選擇取決于被控對象的特性、風況和運行要求。知識點5——風電機組控制策略當風速大于切入風速而小于額定風速時，保證風輪吸收最多的風能；當風速大于額定風速后，限制風輪對風能的吸收，機組維持在額定功率輸出。風電機組運行的基本要求對風輪的控制主要通過控制葉片槳距角和利用葉片的氣動特性來實現(xiàn)。分為定槳距風電機組控制策略和變槳距風電機組控制策略。風輪控制策略葉片的槳距角固定的風電機組，稱為定槳距風電機組。定槳距風電機組控制策略

依靠葉片的初始安裝角度及氣動特性來保證在低于額定風速范圍內(nèi)具有較高的風能利用系數(shù)；在髙于額定風速時，靠葉片失速特性降低風能利用系數(shù)，達到限制輸出功率的目的。葉片失速指當攻角增大到一定程度時,葉片繞流流場發(fā)生變化，葉片升力急驟下降，能量提取效率也大幅降低的狀態(tài)。以失速功率控制調(diào)節(jié)為特征的水平軸風電機組，也稱為失速型風電機組。

葉片的槳距角可以自動調(diào)節(jié)的風電機組，稱為變槳距風電機組。變槳距風電機組控制策略（0—A段）并網(wǎng)前其通過控制槳距角升速率達到快速并網(wǎng)的目的，風電機組不輸出電功率。（A—

B段）并網(wǎng)時，控制機組輸出較少的功率，保證機組進入發(fā)電狀態(tài)。(B一C段）并網(wǎng)后低于額定風速時，由于機組達不到額定功率，槳距角控制在最大風能捕獲位置，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機來控制風輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最佳葉尖速比，使風輪具有最佳風能利用系數(shù)，提高風輪的效率。（C—D段）當風輪達到最高轉(zhuǎn)速時，穩(wěn)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速，進入恒轉(zhuǎn)速控制階段；高于額定風速時，通過調(diào)節(jié)槳距角減少風能捕獲，穩(wěn)定輸出功率在額定功率。變槳距風電機組控制策略對發(fā)電機控制的目標是使風電機組轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率（包括有功功率和無功功率）滿足運行要求。為使機組在低于額定風速范圍內(nèi)保持較高的效率，需要機組能夠變速運行。對于某一風速，通過控制機組的轉(zhuǎn)速可以使機組的效率達到最大。發(fā)電機控制策略對并網(wǎng)運行的普通異步發(fā)電機不進行控制，發(fā)電機轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)決定。普通異步發(fā)電機控制策略

在低于額定風速時，采用鼠籠型雙速異步發(fā)電機或轉(zhuǎn)子滑差可調(diào)異步發(fā)電機的機組能夠?qū)崿F(xiàn)變速運行。發(fā)電機的效率不如雙饋異步發(fā)電機雙饋異步發(fā)電機通過變流器控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流勵磁，實現(xiàn)對電機的控制。雙饋異步發(fā)電機控制策略

轉(zhuǎn)子交流電流的頻率、幅值與相位可調(diào)，以實現(xiàn)對風電機組的轉(zhuǎn)速、有功功率、無功功率進行調(diào)節(jié)。雙饋異步發(fā)電機相對于普通異步發(fā)電機的最大特點，是其在亞同步、同步、超同步轉(zhuǎn)速三種工況下都可以向電網(wǎng)高效輸出電能，其根本原因在于采用了可控的轉(zhuǎn)子交流勵磁技術(shù)。

通過矢量控制技術(shù)，即測量異步電動機定子電流矢量，將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的，從而實現(xiàn)定子輸出有功功率與無功功率的解耦控制。

同步發(fā)電機通常采用多級永磁同步發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后通過逆變器轉(zhuǎn)換為恒定頻率的交流電送入工頻電網(wǎng)。同步發(fā)電機控制策略

對同步發(fā)電機的控制是通過連接發(fā)電機定子和電網(wǎng)的全功率背靠背變流器實現(xiàn)的。多級永磁同步發(fā)電機與發(fā)電機相連的變流器可根據(jù)風速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率利用風能的功能；與電網(wǎng)相連的變流器可控制直流母線電壓和流向電網(wǎng)的無功功率，實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立解耦控制功能。7.拓展知識知識點6——擴展尾流效應是指風力機從風中獲取能量的同時在其下游形成風速下降的尾流區(qū)。尾流效應

若下游有風力機位于尾流區(qū)內(nèi)