风力发电相关基础知识

风力发电相关内容第1页，共33页。能量转换风能电能更进一步风能电能机械能第2页，共33页。风力发电基本原理：

用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电。主要优点：

第一，费用低廉，建设周期短；第二，不需原料即可产生电力，除常规保养外，没有其他消耗；第三，风力是一种洁净的自然能源，没有环境污染问题。

第3页，共33页。风能发电的主要形式1、小型独立风力发电系统单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。风力发电机＋充电器＋数字逆变器。因风量不稳定，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

2、并网风力发电系统变桨距控制、失速控制变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。第4页，共33页。风机结构转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。发电机：感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。风力发动机本体和附件把风能转化为机械能的装置发电机及电气装置把机械能转化为电能第5页，共33页。第6页，共33页。贝兹理论中的假设

——叶轮是理想的；——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的；——气流始终沿着叶轮轴线；——叶轮处在单元流管模型中，如图。贝兹理论第7页，共33页。流体连续性条件：S1V1=SV=S2V2第8页，共33页。应用气流冲量原理叶轮所受的轴向推力：F=m(V1-V2)式中m=SV，为单位时间内的流量质量。叶轮单位时间内吸收的风能——叶轮吸收的功率为：P=FV=SV2(V1-V2)第9页，共33页。2.动能定理的应用基本公式：E=1/2mV2（m同上）单位时间内气流所做的功——功率：P’=1/2mV2==1/2SVV2在

叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量：

P’=1/2SV(V21_V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此：SV2(V1-V2)=1/2SV(V21_V22)整理得：V=1/2(V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。第10页，共33页。3.贝兹极限引入轴向干扰因子进一步讨论。令：V=V1(1-a)=V1–U则有：V2=V1(1-2a)其中：a——轴向干扰因子，又称入流因子。U=V1a——轴向诱导速度。当a=1/2时，V2=0，因此a<1/2。又V<V1，有1>a>0。a的范围：½>a>0第11页，共33页。——由于叶轮吸收的功率为P=P’=1/2SV(V21_V22)=2SV13a(1-a)2

令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax=16/27(1/2SV13)注意到1/2SV13是远前方单位时间内气流的动能——功率第12页，共33页。由空气动力学特性可知,通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用,可以定义出一个风能利用系数CP。于是最大风能利用系数Cpmax为：Cpmax=Pmax/(1/2SV13)=16/270.593此乃贝兹极限。第13页，共33页。叶素理论第14页，共33页。第15页，共33页。第16页，共33页。第17页，共33页。基本思想将叶片沿展向分成若干微段——叶片元素——叶素；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；作用在每个叶素上的力互不干扰；将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。第18页，共33页。还有另一个重要的参数叶尖速比λ,即叶轮的尖速度与风速之比:风轮与发电机匹配问题第19页，共33页。第20页，共33页。风能利用系数Cp不是一个常数,它随着风轮转速以及风轮叶片(攻角、桨距角等)变化不同风速下的风轮输出机械功率随风轮转速而变化。对于每一风速总存在一个最大输出功率点第21页，共33页。第22页，共33页。第23页，共33页。永磁同步发电机性能数学模型稀土永磁直流发电机功率和转矩可写为:第24页，共33页。第25页，共33页。第26页，共33页。从理论上讲,要想使风力机达到最佳的匹配,就应使配套发电机功率-转速曲线与曲线A重合,使转矩-转速曲线与曲线B重合。通过对发电机的结构和参数做出调整，使得两组曲线尽量匹配。调整方法：1、调整绕组：绕组匝数、线径等2、调节磁场：磁通量等第27页，共33页。风轮输出功率控制方式失速控制在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围内。失速定义由于气流冲角过大而造成压气机叶片背弧上附面层严重分离，以致压气机性能严重下降甚至丧失功能的现象。第28页，共33页。变桨距调节变速风机中，风轮转速可变，即叶尖速度可变。低于额定风速时保持桨距不变，和风速保持比例关系，即保持在最佳叶尖速比，数值在6~8之间，以获得最佳功率系数。高风速时，对叶片的桨距角控制以限制风轮的气动效率。最佳桨距角在额定风速以下为零，额定风速以上桨距角对风速增大而增大。第29页，共33页。并网发电机工作方式恒速恒频发电系统——失速控制变速恒频发电系统——变桨距调节从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。交─直─交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，第30页，共33页。几种变速恒频方案的对比分析第31页，共33页。参考文献《小型风力发电机外特性测试平台的设计》张延迟顾羽洁解大张明李景兴《风力发电机风轮与发电机匹配的研究》王世锋《直驱式永磁同步风力发电机性能研究》张岳王凤翔《大型直驱永磁风力发电机及其并网运行研究》张新燕王维庆《独立运行小型风力发电系统浮在跟踪和充放电集成控制》赵强王生铁第32页，共33页。内容梗概风力发电相关内容。用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电。单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。变桨距控制、失速控制。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。高速轴：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的。——叶轮处在单元流