风力发电原理演示教学

风力(fēnglì)发电原理主讲(zhǔjiǎng)：王老师第一页，共50页。风力发电的原理：是利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(cùshǐ)发电机发电。简单的说风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为电能的过程。现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。第二页，共50页。

风并非"推"动风轮(fēnɡlún)叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮(fēnɡlún)旋转并不断横切风流。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成(xíngchéng)一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。第三页，共50页。（一）风力(fēnglì)发电设备组成：风力发电机组包括两大部分；一部分是风力机，由它将风能(fēnɡnénɡ)转换为机械能；另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。分类：1）根据它收集风能(fēnɡnénɡ)的结构形式及在空间的布置，可分为水平轴式或垂直轴式。2）从塔架位置上，分为上风式和下风式；第四页，共50页。3）还可以按桨叶数量，分为单叶片、双叶片、三叶片、四叶片和多叶片式。4）从桨叶和形式上分，有螺旋桨式、H型、S型等；5）按桨叶的工作原理分，则有升力型和阻力型的区别。6）以风力机的容量(róngliàng)分，则有微型(1kW以下)、小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型(100kw以上)机。第五页，共50页。1、风力机的主要(zhǔyào)技术指标参数风轮直径，通常风力机的功率越大，直径越大；叶片数目，高速发电用风力机为2—4片，低速(dīsù)风力机大干4片；叶片材料，现代常采用高强度低密度的复合材料；风能利用系数，一般为0.15—0.5之间；第六页，共50页。启动风速，一般为3—5m/s;停机风速，通常为15—35m／s;输出功率，现代风力机一般为几百干瓦—几兆瓦；发电机，分为直流发电机和交流(jiāoliú)发电机；另外还有塔架高度等等。第七页，共50页。2、水平(shuǐpíng)轴力风机特点：风力机的风轮轴与地面呈水平状态，称水平轴风力机。组成：它一般内风轮增速器、调速器、调向装置(zhuāngzhì)、发电机和塔架等部件组成，大中型风力机还有自动控制系统。应用：这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是日前最具有实际开发价值的风力机：类型：有传统风车、低速风力机及高速风力机第八页，共50页。水平(shuǐpíng)轴力风机图第九页，共50页。第十页，共50页。3、垂直轴风力机特点：凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力机叫垂直抽风力机。形式有：如s型、H型、Ф型等。应用：虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品化，但是它有许多特点，如不需大型塔架、发电机可安装在地面上、维修方便及叶片制造简便等，研究(yánjiū)日趋增多，各种形式不断出现。各种形式的垂直轴风力机。第十一页，共50页。

Ф型风力机图第十二页，共50页。第十三页，共50页。（二）风力发电(fādiàn)系统从外部看，整个风力发电机组看上去只有三个主要部分：风轮、机舱和塔架。发电机、传动系统、控制系统等都集成在机舱内。机舱除了承担容纳所有机械部件的功能(gōngnéng)，还起到承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。机舱底盘和塔架之间有回转体，使机舱可水平转动。第十四页，共50页。第十五页，共50页。机组的总体(zǒngtǐ)结构机组(jīzǔ)的总体结构图：控制系统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无功补偿风第十六页，共50页。（三）风力发电机主要组成部分(zǔchénɡbùfèn)介绍

1、风轮风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由2～3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。由于风力发电机的理论基础也是空气动力学，故其叶片形状与机翼(jīyì)很相似。风经过水平轴风力发电机的叶片时由于叶片与风有一个夹角，风在叶片上形成升力，风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能，从而带动发电机进行发电的。第十七页，共50页。2、塔架风力机的塔架除了(chúle)要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类。一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。第十八页，共50页。管柱型和桁架(héngjià)型如图：

第十九页，共50页。3、机舱(jīcāng)第二十页，共50页。第二十一页，共50页。4、齿轮箱对于容量较大的风电机组，因风轮转速很低，远达不到发电机发电的要求，往往通过齿轮箱的增速作用来实现。而并网运行的发电机必须要求再同步转速左右才能运行，故风力发电机组一般都在主轴与发电机之间安装有增速传动机构。风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。风力发电机组中的齿轮箱也称为增速箱。齿轮箱的主要功能就是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到(dédào)相应转速。齿轮箱对于大型风力发电机，由于限制其转速，传动装置的增速比一般为40—50。这样，可以降低发电机重量，从而降低成本。第二十二页，共50页。5、偏航(piānhánɡ)系统用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构(通称偏航系统(xìtǒng))。整个偏航系统(xìtǒng)由电动机及减速机构、偏航调节系统(xìtǒng)和扭缆保护装置等部分组成。第二十三页，共50页。偏导航系统的作用(zuòyòng)偏航系统的主要作用有两个：1)与风力发电机组的控制系统相互配合，使风发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率(xiàolǜ)；2)提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。第二十四页，共50页。（四）发电机发电机的作用，是利用电磁感应现象把由风轮输出的机械能转变为电能。发电机有基本类型：普通异步风力发电机组双馈异步风力发电机组直驱式同步(tóngbù)风力发电机组（含永磁发电机和直流励磁发电机）混合式风力发电机组

第二十五页，共50页。1、普通(pǔtōng)异步风力发电机组技术特点：1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮箱增速，转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构；2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱传动比和发电机极对数决定(juédìng)；3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行；4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启动电流，其配置启动装置。5、从系统吸收大量无功，需配置无功补偿装置。结构简单，控制方便。第二十六页，共50页。2、双馈式异步风力(fēnglì)发电机组技术特点：1、叶轮转速较低，一般(yībān)为每分钟十几转，需要齿轮箱增速；2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构与电力电子换流装置连接；第二十七页，共50页。3、通过电力电子换流装置的控制(kòngzhì)作用，可以调节控制(kòngzhì)发电机转子电流和电磁转矩，从而使转子转速可随风速的变化而改变，使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4、在低风速时，发电机转子低于同步速运行，发电机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率；在高风速时，发电机转子高于同步速运行，发电机转子绕组向换流器输出励磁功率；5、直接与电网连接，由于转子电流可控，因此可以实现风力发电机平滑并网。第二十八页，共50页。3、直驱式同步(tóngbù)风力发电机组技术特点：1）叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转子绕组通过增加极对数来降低同步转速，从而避免了齿轮箱损耗；2）同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永磁体励磁方式，由于(yóuyú)转子极对数较多，电机外尺寸较大且较重，不方便运输和吊装。第二十九页，共50页。3）对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获(bǔhuò)效率；对于永磁同步电机，可以通过调节直流电压的方式来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获(bǔhuò)效率，风能利用率高；4）对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小；对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。5）通过电力电子换流器与电网连接，吸收或输出功率可调，因此可以实现风力发电机平滑并网。6）电网侧换流器采用空间矢量控制技术，可以实现发电机有功功率和无功功率的解藕控制，能够独立调节发电机向系统吸收或发出无功。结构、控制系统复杂。第三十页，共50页。以上风电(fēnɡdiàn)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，控制方便1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、风能利用率低；3、启动电流大，需配置启动装置；4、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、输出电流可控，无需启动装置；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、输出电流可控，无需启动装置；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、永磁体有消磁现象直流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、输出电流可控，无需启动装置；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；第三十一页，共50页。双馈、永磁和直流励磁(lìcí)

风力发电机外观图双馈风力(fēnglì)发电机外观特点：机舱细长直驱永磁风力发电机外观特点：机舱(jīcāng)短粗直流励磁风力发电机外观特点：机舱臃肿第三十二页，共50页。（四）控制系统主要(zhǔyào)功能1）按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。2）借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数(cānshù)及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。3）当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实现自动停机。4）故障保护。5）通过光缆或电话线互相连接。第三十三页，共50页。风机控制(kòngzhì)方式及内容一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、停车制动器、控制系统等构成，为使风力机组能够稳定运行，必须对其进行有效的控制。考虑到风力发电机组的特殊性，按重要性的顺序，控制器应依次满足以下(yǐxià)要求：1）风能转换系统是稳定的；2）运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性；3）控制代价小，即对不同输入信号的幅值有一定限制，如调向的时间等；第三十四页，共50页。4）最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速时，输出(shūchū)的电功率达到最大，额定风速以上时则保持输出(shūchū)电功率为常量；

5）风力发电机输出(shūchū)的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量。风力发电机组控制目标有很多项，控制方法多种多样，按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制系统等等，其中两个核心问题是：风能的最大捕获(bǔhuò)以提高风能转换效率以及改善电能质量问题。由风力机最大风能捕获(bǔhuò)的运行原理可知，若风速越高，则与之相对应的风力机转速越高。但受风电机组转速极限、功率极限等限制，风力机转速不可能太高。第三十五页，共50页。因此，为实现最大风能捕获，风力机有三种典型的运行状态：①低风速段实行变速运行，可保持(bǎochí)一个恒定的风能利用系数Cp值，根据风速变化控制风力机转速，使叶尖速比λ不变，直到转速达到极限；②转速达到极限后，风速进一步加大时，按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风能Cp不一定是最大值；③超过额定风速时，输出功率达到极限，按恒功率输出调节风力机。第三十六页，共50页。（五）风的能量(néngliàng)与测量产生能量的基本要素：风具有一定的质量和速度。风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度(mìdù)、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。2）风能密度(mìdù)：单位时间内通过单位截面积的风能。第三十七页，共50页。3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米／秒(m/s)或千米／小时(km／h)。分13级4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现(chūxiàn)的次数占各风向出现(chūxiàn)总次数的百分比，5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。第三十八页，共50页。1、风中的能量(néngliàng)风中蕴含的能量是动能，故P=1/2ρAV3可用风能与风速的立方成正比，风速的轻微增加会导致功率的显著增加风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比风能还受气压及温度(wēndù)的影响（大约10-15%）风能还与叶轮扫略面积成正比第三十九页，共50页。2、风力机的主要特性(tèxìng)系数1）功率系数（Cp）描述风机将风能转换为机械能的效率(xiàolǜ)2）叶尖速比为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比其中：R叶轮的半径(bànjìng)，n叶轮的机械转的圈数，V作用于风力机的迎面风速。风中的能量无法全部被风机转换，其理论最高限度Cp（max）=0.593，通常被称为贝茨因数。第四十页，共50页。3、叶尖速比(sùbǐ)的影响风能(fēnɡnénɡ)利用系数Cp与风力机叶尖速比λ的对应关系：第四十一页，共50页。4、风轮(fēnɡlún)的功率输出风力机采集风能的基本计算公式P=(Cp×ρ×v3×A)/2其中，Cp为风能利用系数（PowerCoefficient），表示风机捕获风能的能力，Cp=Pcapture/Pwindρ为空气密度(kg/m3)，与海拔、水汽压（即湿度）v为风速(m/s)，通常(tōngcháng)按轮毂高度处风速计算A为叶轮扫风面积(m2)，第四十二页，共50页。5、风力机的频率和电压(diànyā)控制交流发电机中的绕组通过交变磁极产生交流电。交流电的频率由发电机转速(zhuànsù)决定：其中p发电机的磁极(cíjí)对数，n发电机的转速，f交流电的频率。第四十三页，共50页。（六）

风力(fēnglì)发电机组分为定桨距与变桨距机组。定桨距风力发电机组的功率调节完全依靠叶片的气动特性。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，当风速超过额定(édìng)风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低风能转换系数Cp，从而维持功率恒定。变桨距变速调节型变桨距机组为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机可由轮毂舱内叶片根部的液压装置或电动机构进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。

第四十四页，共50页。1、定桨距失速(shīsù)调节型机组一般用同步电机或者鼠笼式异步电机通过(tōngguò)定