风力发电原理论文汇总.doc

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（WMO）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。2 风力发电基本理论知识2.1 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其中：单位时间质量流量m=AV在实际中，式中：PW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，W；Cp叶轮的风能利用系数；m齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.800.95，直驱式风力发电机为1.0；e发电机效率，一般为0.700.98；空气密度，kg/m3；A风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V风速，m/s。2.2 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式中：Pmax风轮所能产生的最大功率；空气密度，kg/m3；A风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2；V风速，m/s。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Cp<0.593。2.3 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。式中：空气密度，kg/m3；h当地大气压力，Pa；t温度，。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。2.4 风轮直径与扫掠面积风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为:式中: S为风轮的扫掠面积,D增加,则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的风功率也相应增加。2.5 轮毂高度风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风电机组设计时要考虑的一个重要参数。由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应增加，当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本相应增加。 2.6 叶片数 组成风轮的叶片个数，用B表示。选择风轮叶片数时要考虑风电机组的性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力机气动噪声及景观效果等因素。图 2.6.1采用不同的叶片数，对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数图 2.6.2多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，因此也称为慢速风轮。当然多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风电机组。 现代水平轴风电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中三叶片风轮的功率系数最高，其最大功率系数约为0.47，对应叶尖速比约为7；双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低，其最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮，即在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩。衡量风轮转矩性能重要参数：转矩系数：功率系数除以叶尖速比。转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。现代并网风电机组希望转矩系数小，以降低传动系统的设计费用。图 2.6.3叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明起动转矩越大。三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常用于反映风轮的风能转换性能。风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦，对叶尖速比变化越不敏感。2.7 风轮转速、叶尖速比 叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 对于特定的风轮形式，其功率系数与叶尖速比的关系曲线确定，形状如同一个山包。在某一叶尖速比值处，功率系数达到最大值，此时，风轮吸收的风能最多，对应的叶尖速比值称为最佳叶尖速比。风电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风能，因此在低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大功率系数附近，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳叶尖速比附近。由于风速是连续不断变化的，因此需要对风轮的转速进行控制，使之与风速变化匹配。风轮锥角和风轮仰角 风轮锥角:叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。风轮仰角：风轮主轴与水平面的夹角。由于叶片为细长柔性体结构，在其旋转过程中，受风载荷和离心载荷的作用，叶片将发生弯曲变形，风轮锥角和仰角的主要作用是防止叶片在发生弯曲变形状态下，其叶尖部分与塔架发生碰撞。 图 2.7.1偏航角：通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的夹角。风电机组在运行过程中，根据测量的风速方向，通过偏航系统对风轮的方向进行调整，使其始终保持正面迎向来风方向，以获得最大风能吸收率。风电机组的基本性能主要指其吸收和转化风能的性能，即风轮的气动性能。 功率特性是反映风电机组基本性能的重要指标，用风电机组输出功率随风速的变化曲线来表示。功率曲线直接影响风电机组的年发电量。图 2.7.2不同风速对应的理论风功率曲线、根据贝茨理论计算的理想风轮吸收风功率曲线以及风力发电机组的实际功率曲线。其中理论风功率与风速的三次方成正比，而根据贝茨定理，理想风轮只能吸收部分风功率（极限状态下，只能吸收理论风功率的0.59倍），实际风电机组的风轮不满足理想风轮条件，并且存在各种损失，其风能吸收数量低于贝茨极限。风电机组的发展过程，一直追求使机组的风能利用系数接近贝茨极限。2.8 风资源概述（1）风的起源风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在665°的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。（2）风能的基本情况1风能的特点风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 2 随机性 速度大小和方向随时间不断变化，能量和功率随之发生改变。可能是短时间波动，或昼夜变化，或季节变化。 3 风速随高度的增加而变化地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。 风速沿高度的相对增加量因地而异，可表示为：，空气运动产生的动能称为“风能”。 单位时间内垂直流过截面A的空气拥有的做功能力，称为风能功率(W)风能功率与风速的立方成正比，与流动空气密度和垂直流过的投影面积成正比。2.9 风能密度图 2.9.1风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。一般说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力自然大。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当的风能潜力。所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力最好。风能密度是估计风能潜力大小的一个重要指标。定义：单位时间内通过单位截面积的风能。值的大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化。在海拔高度500m以下，取1.225kg/m3，若海拔超过500m，必须考虑空气密度的变化。一般风速是用平均值表示的，平均风能密度可采用直接计算和概率计算两种方法求得，各气象台站都有详细的数据记录资料。平均风能密度：一定时间周期（如一年或一月）内风能密度的平均值。可直接利用观测资料计算平均风能密度。根据平均风能密度计算公式，先计算每个小时的风能密度，然后再求和，并按全年小时数平均，就可得到年平均风能密度。2.9.1有效风能密度：实际上，风能不可能全部转换成机械能，风力机不能获得全部理论上的能量。当风速由0逐渐增加达到某一风速Vm（切入风速）时，风力机才开始提供功率。该风速下，风轮轴上的功率等于整机空载时自身消耗的功率，风力机还不能对用户输出功。 风速继续增加，达到某一确定值VN(额定风速)，在该风速下风力机提供额定功率或正常功率。超过该值时，利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速继续再增加到某一值VM(切断风速)时，出于安全考虑，风力机应停止运转，风力机不输出功率 。在实际的风能利用中，对于那些不能使风能转换装置如风力发电机启动或运行的风速，例如03米的风速不能使风机启动，超过风机运行风速将会给风机带来破坏，故这部分风速也无法利用，除去这些不可利用的风速后，得出的平均风速所求出的风能密度称之为有效风能密度。 W0.5V3P(v)dvV1启动风速 V2停机风速 P(v)有效风速范围内的条件概率分布密度函数2.9.2 年风能可利用时间年风能可利用时间是指一年之中可以运行在有效的风速范围内的时间，它可由下式求得： tNexp(V1/c)kexp(V2/c)k式中N为全年的小时数，V1为启动风速，V2为停机风速，C、K为威布尔分布的两个参数。2.10 风力机的运行特性图 2.10.1第一个运行区域是启动阶段，此时电机增速，但没有并网，没有功率输出。第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。 第三个运行区域为功率恒定区。当风速增加时，通过变桨控制，从而保持功率不变。3 风力发电机构成3.1) 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。（1）风轮 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13个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。（2）发电机在风力发电机中，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。（3）塔架塔架用于支撑 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。（4）调向机构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。（5）限速机构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。（6）贮能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。（7）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。3.2） 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）。 4. 风力发电机的分类风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。4.1 水平轴风力发电机(Horizontal Axis Wind Turbine)图 4.1.1水平轴风力机构造风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、塔架、机舱（或机座）、调向器（尾翼）、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般它主要由叶片和轮毂组成，风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。风力发电机的作用是将风能最终变成电能而输出，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。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。水平轴风力机的叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴垂直或近似垂直。风轮叶片数目视风力机用途而定，用于风力发电的风力机的叶片数一般取13片，用于风力提水的风力机叶片数一般取1224片。图 4.1.2按风轮转速的快慢划分，可分为高速风力机和低速风力机。高速风力机叶片数较少，13片应用得较多，其最佳转速对应的风轮叶尖线速度为515倍风速。在高速运行时，高速风力机有较高的风能利用系数。由于叶片数较少，在输出功率相同的条件下，比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。叶片数较多的风力机的最佳转速较低，为高速风力机的一半甚至更低，风能利用率也较高速风轮的低，通常称为低速风力机。起动力矩大，起动风速低。低速运行产生较高的转矩，因而适用于提水。按照风轮与塔架相对位置的不同划分水平轴风力机逆风式风力机以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力机为逆风式风力机。需要调风装置，使风轮迎风面正对风向。顺风式风力机风轮在塔架的下风位置旋转的风力机。能够自动对准风向，不需要调向装置。缺点：空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，风力机性能降低。图4.1.3水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：定桨距失速型风力发电机组变桨距失速型风力发电机组变速恒频型风力发电机组1）定桨距失速型风力发电机组定桨距失速型风力发电机组通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。2）变桨距失速型风力发电机组变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在低于额定风速时通过改变桨距角，使其功率输出增加，或保持一定的桨距角运行；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出，稳定在额定功率。3）变速恒频型风力发电机组变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变风轮转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。水平轴风机采集风能的基本计算公式P=(Cp××v3×A)/2其中，Cp为风能利用系数（Power Coefficient），表示风机捕获风能的能力， Cp = Pcapture / Pwind为空气密度(kg/m3)，与海拔、水汽压（即湿度）v为风速(m/s)，通常按轮毂高度处风速计算A为叶轮扫风面积(m2)，图4.1.44.2 垂直轴风力发电机(Vertical Axis Wind Turbine)垂直轴风力发电机在风向改变时无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。另外，在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。垂直轴风力发电机从分类来说，主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。定义：垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴进行旋转。特点：无需调风向装置，可接受来自任何方向的风，风向改变时无需对风。齿轮箱和发电机均可安装在地面上或风轮下，运行维修简便，费用较低。叶片结构简单，制造方便，设计费用较低。分类：阻力型风力机：利用空气对叶片的阻力做功。升力型风力机：利用翼型升力做功。升力型:达里厄型风力机是水平轴风力机的主要竞争者。形式:有形、H形、形、Y形和菱形等。根据叶片结构形状，可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种。图4.2.1垂直轴风力发电机（S型）工作原理 垂直轴风力发电机（S型),是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。垂直轴风力发电机采用的永磁悬浮技术两用型风机的专利技术，采用低风速启动，无噪音，堪称无声风力发电机。比同类型风力发电机效率高于10-30%。它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电。 S形风力机由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点可在较低风速下运行，但S形风轮由于风轮周围气流不对称，从而产生侧向推力。受侧向推力与安全极限应力的限制，S形风力机大型化比较困难。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力机，仅为0.15左右。在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下，其功率输出较低，因而用于发电的经济性较差。图 5.2.2 H型垂直轴风力发电机的技术原理该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。H形风轮和形风轮应用最为广泛。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动而产生的合力形成转矩，因此叶片几乎在旋转一周内的任何角度都有升力产生。达里厄风力机最佳转速较水平轴的慢，但比S形风轮快很多，其风能利用系数与水平轴风力机相当。图5.2.3H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，对于相同的总强度，形叶片比较轻，且比直叶片可以更高的速度运行。但形叶片不便采用变浆距方法来实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。垂直轴风力发电机的特点具有较多显著特点：安全性。采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决； 噪音。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度； 抗风能力。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风； 回转半径。由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率； 发电曲线特性。启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在58米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%30%； 利用风速范围。采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.525m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；刹车装置。可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可； 运行维护。采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。4.3 厄式风力机利用翼型的升力做功 型风轮弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷 型叶片重量轻，转速高，不便采用变桨矩方法实现自启动和控制转速，扫掠面积小4.4风力发电机组分类（1）按风轮桨叶分类失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率；变桨型：高风速时，调整桨距角，限制输出转矩与功率。（2）按风轮转速分类定速型：风轮保持一定转速运行，风能转换率较低；变速型：包括以下两种方式双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率；连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。（3）按传动机构分类升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。（4）按发电机分类异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步发电机；绕线式异步发电机。同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。（5）按并网方式分类并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。按功率调节方式分：定桨距（失速型)、变桨距按叶轮转速是否恒定分： 恒速发电机、变速发电机 其它机型：主动失速型、无齿轮箱型5 风力发电机系统的分类：恒速恒频风力发电机系统:（1）同步发电机系统（2）笼型异步发电机系统（3）绕线转子RCC异步发电机系统变速恒频风力发电机系统:（1）变速恒频鼠笼异步发电机系统（高速）（2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速）（3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）（4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）（5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）笼型异步风力发电机的工作原理电磁感应（1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转（2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势e 和电流i （3）i 在磁场中受力f，产生电磁转矩T（4）若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转， T 为制动转矩转差率: 同步转速n1与转子转速 n 的差与同步转速n1的比值，称为转差率，用s表示，即:S=(n1-n)/n1 或者 n=(1-s)n1笼型异步风力发电机系统的特点:（1）无功补偿：发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容；（由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。可能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC）（2）软并网： 并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控硅软起动限流装置；（3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转速变动范围小，导致风力机的风能转换率偏低。风速不稳时，风电机组容易受到冲击机械应力；(软特性发电机的转子损耗较大，发热严重）（4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要求发电机的效率曲线平坦，在中低负载区效率较高。可考虑在轻载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。笼型双速异步风力发电机系统的特点（1）变极双速笼型异步风力发电机方案 在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电枢绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以获得合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低轻载运行时的铁心磁密和损耗。（2）大、小电机方案： 采用两台不同容量、不同极对数的单速笼型异步发电机同轴串联。高速发电机角接，低速发电机绕组星接。根据需要，可在两套绕组切换。与变极双速方案相比，小电机的负荷率较高，发电效率更高。恒速恒频RCC异步风力发电机系统定义：转子电流控制技术是指通过电力电子开关和脉宽调制(PWM）来控制绕线型异步发电机转子电流的一项技术。系统的结构特征：（1）采用变桨风力机；（2）采用绕线型异步发电机，但没有滑环；（3）采用旋转开关器件斩波控制转子电流，动态调整发电机的机械特性。优 点：（1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节，其高频分量由RCC调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率;（2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的动能，提高风能利用率；（3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺 点：旋转电力电子开关电路检修、更换困难。系统特点：（1）交直交变频器使发电机转速与电网频率间的关联解耦；笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；可利用发电机的电磁转矩控制风力机转子的转速，跟踪其最大功率点。发电机的运行转差率小，发电机机械特性硬，运行效率高；（2）发电机侧变频器运行于升压整流状态，机端电压可调，轻载运行时发电机的铁耗小、效率高；（3）电网侧变频器运行于逆变状态，将发电机发出的有功传送至电网，并可作为无功发生器参与调节电网无功；对电网波动的适应性好，可以将电网的波动屏蔽于发电机之外；（4）变频器与发电机功率容量相等，系统成本高。双馈异步发电机的运行原理 转子交流励磁（1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；（2）通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态；（3）通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率；（4）转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量与转差率有关（约为电磁功率的0.3倍，|s|<0.3）系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变频器成本相对较低；（3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）；（4）并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求；（6）改善作用于风轮桨叶上机械应力状况；（7）双向变频器结构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；（3）可采用不控整流和PWM逆变，成本低于全功率变换；（4）电能质量好，并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况（6）转子可采用无刷旋转励磁；（7）转子结构复杂，励磁消耗电功率；（8）体积大、重量重，效率稍低。系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高，可降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况；（2）具有最高的运行效率；（3）励磁不可调，感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；（4）在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；（5）永磁发电机体积大、重量重，成本高；全容量全控变流器控制复杂，成本高；（6）永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。6 风力发电的基本原理风力发电机原理是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。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，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），便可以发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一个部分都很重要，各部分的功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为动能；尾翼使叶片始终对着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1325V变化的交流电，须经过充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电量变成化学能。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，才能保证稳定使用。风能具有一定的动能，通过风轮将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理是最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。图 6-1风力发电原理图图 6-26.2风力发电的特点(1)可再生的洁净能源风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。(2)建设周期短 一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。(3)装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。(4)可靠性高把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、打型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电机组寿命可达20年。(5)造价低从国外建成的风力场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化，在不久的将来风力发电的造价和电价都低于火力发电。(6)运行维护简单 现在中型风力发电机的自动化水平很高，完全可以再无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。(7)实际占地面积小 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。 (8)发电方式多样式风力发电即可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太能源发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。(9)单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能大，现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。6.3 风能发电的优缺点（1）优点：清洁，环境效益好；可再生，永不枯竭；基建周期短；装机规模灵活。（2）缺点：噪声，视觉污染；占用大片土地；不稳定，不可控；目前成本仍然很高。6.4 风力发电结构：机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行齿轮箱：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。 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500KW。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。塔架：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。风速计及风向标：用于测量风速及风向