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1、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
2、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
3、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
4、的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Cpn1, 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；
5、（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：
6、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
7、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
8、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
9、；（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
10、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
11、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
12、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，
13、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
14、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
15、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
16、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。
17、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
