风力发电的基本原理.docx

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风力发电的基本原理

1引言

风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”流动空气具有的动能称之为风能。

因此，风能是一种广义的太阳能。

据世界气象组织（WM）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200

亿kW是地球上可利用水能的20倍。

中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。

风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。

风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。

因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。

在本文中，将对风力发电技术的基本原理和发电机的发展方向进行论述。

1.1温度、大气压力和空气密度

通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密

度。

352.99h/八

（1）

（273t）101325

式中的是空气密度，H是当地大气压力，T是温度（单位是摄氏度）。

从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。

1.2风能的计算公式

空气运动具有动能。

风能是指风所具有的动能。

如果风力发电机叶轮的断面面积为A,则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为（本论文公式中的物理量除特殊情况说明外均采用国际单位）

p^mv2

（2）

2

其中：

单位时间质量流量m=pAV

1213

PAVV2AV3（3）

22

而风能发电机实际转换的有用功率是：

13

Pw2°PmeAV3（4）

式中的Rw是每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，单位W,CP是叶轮的风能利用系数，m是齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0，e是发电机效率，一般为0.70—0.98，是空气密度，A是风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，V是风速。

1.3贝茨（Betz）理论

第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A•贝茨于1926年建立的。

贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风

轮的气流没有阻力。

因此这是一个纯粹的能量转换器。

此外还进一步假设气流在整个

风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。

通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为

83

Pmax习AV3（5）

式中的Pmax是风轮所能产生的最大功率，P是空气密度，A是风力发电机叶轮旋

转一周所扫过的面积，V是风速。

这个表达式称为贝茨公式。

其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的。

将（5）式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

max丄AV13

2

⑹式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。

它说明，风力机从自然风中所能

索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。

能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此,

风力机的实际风能利用系数CpvO.593。

1.4风力机的主要组成

1.4.1小型风力发电机

小型水平轴风力机主要组成部分有：

风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。

风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。

水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的。

在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。

小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。

塔架用于支撑发电机和调向机构等。

因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。

垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。

对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。

常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。

当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制需要限速装置。

贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。

其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。

逆变器用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。

1.4.2大型风力发电机大型风力发电机组由两大部分组成：

气动机械部分和电气部分。

气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。

电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。

近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。

1.5风力发电的功率曲线在风速很低的时候，风电机风轮会保持不动。

当到达切入风速时（通常每秒3到4米），风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。

随著风力越来越强，输出功率会增加。

当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。

之後输出功率大致会保持不变。

当风速进一步增加，达到切出风速的时候,风电机会剎车，不再输出功率，为免受损.风力发电机的性能可以用功率曲线（参见图1）来表达。

功率曲线是用作显示在不同风速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。

1.6风力发电机的额定输出功率

风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速而设定的。

由于能量与风速的立方成正比,因此，风力发电机的功率随风速变化会很大。

同样构造和风轮直径相同的风电机可以配以不同大小的发电机。

因此两座同样构造和风轮直径相同的风电机可能有相当不同的额定输出功率值，这取决于它的设计是配合强风地带（配较大型发电

机）还是弱风地带（配较小型发电机）而定

2风力发电的过程以及原理

2.1风力发电机的工作过程及原理

总体来说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，来促使发电机发电。

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。

小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统（如图2所示）:

风力发电机+充电器+数字逆变器。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

每一部分都很重要，各部分功能为：

叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机因风量不稳定，故

其输出的是13〜25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。

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。

现代风力发电机的设计符合空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。

风并非"推"动风轮叶片，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，令风轮旋转并不断横切风流。

风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。

根据Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率，是风的功率的59.6%大多数

风电机只能提取风的功率的40%或者更少。

风力发电机主要包含三部分：

风轮、

机舱和塔杆。

大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构是横轴式三叶

片风轮，并安装在直立管状塔杆上（参见图3）。

不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。

比较简单的风力发电机是采用固定速度的。

通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。

这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。

比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52-85千瓦风电机（参见图3）转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。

利用可变速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。

因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。

机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面向来风。

风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机）。

在风电工业中，配有变速箱的风力发电机是很普遍的。

不过，为风电机而设计的多极直接驱动式发电机，也有显著的发展。

设于塔底的变压器（或者有些设于机舱内）可提升发电机的电压到配电网电压。

所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。

强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。

使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。

当风力过强时，叶片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。

使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速

不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。

当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。

叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可

将闪电中的电流引导到地下去

•wi

图3风力发电机图4VestasV52-85风力发电机机舱内的组成部份

2.2风力发电机组的控制系统的工作过程及原理

风力发电机组的控制系统是综合性控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

风力发电控制系统的基本目标分为3个层次：

保证可靠运行、获取最大能量、提供良好的电力质量。

风力发电机组控制系统的作用是对整个风力发电机组实施正常操作、调节和保护。

控制系统对风力发电机组实现控制功能的过程为（如图5所示）：

1启动控制

当风速检测系统在一段持续时间内测得风速平均值达到切入风速，并且系统自检

无故障时，控制系统发出释放制动器命令，机组由待风状态进入低风速起动；

2并/脱网控制

当风力发电机转速达到同步转速时，执行并网操作。

为了减小对电网的冲击，通常采用晶闸管软切入并网。

软切入时，限制发电机并网电流并监视三相电流的平衡度，如果不平衡度超出限制则需停机。

除此之外，软切入装置还可以使风力发电机在低风速下起动。

当风速低于切入风速时，应控制已并网的发电机脱离电网，并在风速低于4m/s时进行机械制动；

3偏航与解缆

偏航控制即根据风向自动跟风。

由于连续跟踪风向可能造成电缆缠绕，因此控制

系统还具有解缆功能；

4限速及刹车

当转速超越上限发生飞车时，发电机自动脱离电网，桨叶打开实行软刹车，液压制动系统动作，抱闸刹车，使桨叶停止转动，调向系统将机舱整体偏转90o侧风，对

整个塔架实施保护。

另外，控制系统还应具有以下功能：

根据功率以及风速自动进行转速和功率控制；根据功率因数自动投入（或切出）相应的补偿电容；机组运行过程中，对电网、风况和机组运行状况进行检测和记录，对出现的异常情况能够自行判断并采取相应的保护措施，而且还能根据记录的数据生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标；对在风电场中运行的风力发电机组还应具备远程通信功能。

运行过程中，控制系统需要监测的主要参数包括以下几个方面：

①电力参数电网三相电压、发电机输

出的三相电流、电网频率及发电机功率因数等；②风力参数风速、风向；③机

组状态参数转速（发电机、风轮）、温度（发电机、控制器、轴承、增速器

油温等）、电缆扭转、机械刹车状况、机舱振动、油位（润滑油位、液压系统油位）；④反馈信号回收叶间扰流器、松开机械刹车、松开偏航制