第2章 风力机
风电机组控制与优化运行第2章 风电系统数学模型讲解
2.1 风能转换系统概述
（三） 发电机子系统
发电机子系统的任务是将发电机轴上的机械能 转换成电能。
风力发电系统中的发电机有恒速恒频发电机和 变速恒频发电机两大类。
与该子系统相关的物理量主要有：发电机的电 磁转矩、发电机转子转速、定/转子电压、电流、频 率、发电机功率(有功、无功)、功率因数等。
2.1 风能转换系统概述
由于风力发电机组起动/停车频繁，叶轮又具有 很大的转动惯量，叶轮的转速一般都不高，大约在 20~40 r/min左右，机组容量越大，转速越低，因 此在风轮与发电机之间往往需要设置增速齿轮箱。
传动装置的作用是将风力机所获得的转矩传递 到发电机转轴。
与该子系统相关的物理量主要有：风力机的拖 动转矩、发电机的电磁转矩、风轮转速、发电机转 子转速等。
（四） 电力电子变流器子系统
变流器子系统的作用是将发电机输出的频率随 风速或转速波动交流电变换成标准的工频交流电。
恒速恒频发电机不需变流器，但变速恒频发电 机则需要通过变流器来实现发电机与电网之间的耦 合。
与该子系统相关的物理量主要有：发电机定/转 子电压、电流、频率、发电机功率(有功、无功)、 变流器输出电压、电流、频率、功率因数等。
p-d
流束膨胀是因为要保证每处的质量流量相等：
Av Ad vd Awvw
2.2.1 风力机空气动力学 定义a为轴向气流诱导因子：
a v vd v
可得致动盘处气流速度为：
vd v (1 a)
根据动量定理，气流所受的作用力F等于动量变化率， 而动量变化率等于速度的变化量乘以质量流量，即：
F (v vw )Ad vd
（一） 风力机子系统
风力机的作用是将有效的风能转换为有用的机 械能。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨 叶产生旋转力矩而转动，从而将捕获的风能转换成 机械能。
第二章 风电历史
2005年 2005年２月16日，《京都议定书》正式生效。这是人类历史 16日 京都议定书》正式生效。 上首次以法规的形式限制温室气体排放。为了促进各国完成 上首次以法规的形式限制温室气体排放。 温室气体减排目标，议定书允许采取以下四种减排方式： 温室气体减排目标，议定书允许采取以下四种减排方式： 两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的“ 一、两个发达国家之间可以进行排放额度买卖的“排放权 交易” 即难以完成削减任务的国家， 交易”，即难以完成削减任务的国家，可以花钱从超额完成 任务的国家买进超出的额度。 任务的国家买进超出的额度。 净排放量”计算温室气体排放量， 二、以“净排放量”计算温室气体排放量，即从本国实际 排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。 排放量中扣除森林所吸收的二氧化碳的数量。 可以采用绿色开发机制， 三、可以采用绿色开发机制，促使发达国家和发展中国家 共同减排温室气体。 共同减排温室气体。 可以采用“集团方式” 四、可以采用“集团方式”，即欧盟内部的许多国家可视 为一个整体，采取有的国家削减、有的国家增加的方法， 为一个整体，采取有的国家削减、有的国家增加的方法，在 总体上完成减排任务。 总体上完成减排任务。
1891年丹麦研制的风电机组 年丹麦研制的风电机组
美国的小型风电机组
20世纪30年代后，美国开始研制大中型风力发电机。 20世纪30年代后，美国开始研制大中型风力发电机。 世纪30年代后 1941年设计了一台1250kW的大型风力发电机 年设计了一台1250kW的大型风力发电机， 1941年设计了一台1250kW的大型风力发电机，风轮直径 53m，二叶片，作为常规电站并入电网。 53m，二叶片，作为常规电站并入电网。 丹麦在风力机并网方面研究比较深入， 丹麦在风力机并网方面研究比较深入，最具代表性的风力 机是盖瑟风力发电机组。额定功率200kW 200kW， 机是盖瑟风力发电机组。额定功率200kW，年平均发电量 45万kW·h，采用异步发电机、定桨距风轮、 45万kW·h，采用异步发电机、定桨距风轮、叶片端部有 制动翼片。 制动翼片。
第二章-风力机的基本理论及工作原理
4）风杯式阻力差风力机 两个半球面杯对称安装在转轴两 侧，球面方向相反。一个凸面向 风，另一个凹面向风，显然在相 同风力下后者对风的阻力比前者 大。
叶轮由两片垂直的叶片阻成，叶片 截面为流线型的对称翼型，以相反方 向安装在转轴两侧。
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达里厄风力机在低风速下运转困难， 要在较高的风力下，风轮转速达到 叶尖速比为3.5以上才可能正常运 转，在尖速比为4-6可获较高的功 率输出。下图为达里厄风力机的功 率系数与叶尖速比的关系曲线。
达里厄风力机对叶片截面 形状（翼型）选择与外表光洁 度要求比较高。达里厄风力机 不能单靠风力自起动，必须依 靠外力起动使叶尖速比达到 3.5以上时才能依靠升力运转。 典型的达里厄风力机翼片不是 直的，而是弯成弧形，两翼片 合成一个φ形。
关系到叶片的攻角，是分析
风力机性能的重要参数。
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实度比
▪ 风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积） 之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。
▪ 左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积， B为叶片个数，R为风轮半径，σ为实度比，
▪ σ=BS/πR2
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▪ 右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长， B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度，σ 为实度比。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径 与叶片长度的乘积，
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风轮的轮毂比(Dh/D)：风轮轮毂直径Dh
与风轮直径之比。
U(1-a)
风力机设计理论及方法第2章-风力机的类型与结构
（3）NACA XXXX-YY或NACA XXXXX-YY X为未修改的NACA四、五位数字翼型的表达式；第 一个Y表示前缘半径的大小，第二个Y表示最大厚度 相对位置的10倍数值。
（4） NACA 653-218 6表示六系列；5表示厚度分布使零升力下的最小压力 位置的0.5位置处；3表示有利升力系数范围为±0.3； 2表示设计升力系数为0.2；18表示相对厚度为18%。
威海风电场图
2.3、翼型介绍
翼型空气动力特性的好坏直接影响风力机的性能， 翼型的形状也影响叶片的主体结构形式。 设计原则：使单位叶素有最大的功率利用系数。
但风力机的工作条件和飞机有较大的区别： 一方面风力机叶片工作时，其攻角变化范围大； 另一方面风力机叶片设计要考虑低雷诺数的影响， 风力机和飞机工作的雷诺数范围有所不同，其影响将
国家特许权示范项目——江苏龙源如东100.5兆瓦风力发 电量超过1亿千瓦时。 位于南黄海之滨的如东县环港外滩耸立起风电机组， 实现了江苏作为经济大省风电“零的突破”。记者获悉,如 东风电特许权二期后续49.5兆瓦项目正在小洋口港全面铺 开，全部33台风电机组计划于年底建成发电。同时，100.5 兆瓦项目也将于年底实现吊装33台风电机组的目标。届时， 南通黄海之滨将成为全国乃至亚洲最大、最先进的风电场， 年发电量将达到6亿千瓦时。
南澳风电场图
2、达坂城风力发电一场
• 达坂城风力发电一场位于兰新铁路及乌喀公路一 侧，达坂城谷地，年平均风速8.1m/s。 • 新疆水利厅1986年成立新疆风能公司、新疆风能 研究所、新疆新风科工贸有限责任公司“三位一 体”的高科技实体。 • 1989年建成了当时亚洲最大的大型风力发电场， 并成功地高质量运行管理至今，新疆金风科贸公 司现装机42台，总容量18.4MW。
风力发电机组及应用：风轮系统(电)
6.风轮偏航角
7.风轮转速n
常用每分钟的风轮旋转圈数表示。 8.风轮尖速比
,但风轮的旋转速度通
它既是风轮重要的物理参数,也是风力发电机组 整体性能的重要指标。
风轮尖速比是叶片
气动设计最重要的参数。对于同样的风速,慢速风力机风轮尖速比
小,λ=1～2[如图2-1（a）、（b）所示],低转速运转,但输出转矩
2.1 风轮的空气动力性能
指的是正常工作条件下,风力发电机组能够 达到的最大连续输出电功率。
风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配,以获得最大的年发 电量和最低的发电成本, 。
风轮系统利用水平运动的来流气流的能力和效率,一般而言,即是指 风轮系统的空气动力特性。
。
。但是风轮系统的设计是一个涉及多学科的问题,它不仅 涉及空气动力学、机械学、结构动力学、材料学、气象学和控制 理论,还涉及风载荷特性、材料疲劳特性、试验测试技术等多方面 的知识。
一、风轮的空气动力性能参数
1.风轮叶片数
既要考虑风力机的扭矩输出、启动性能,也要考虑 风力机的用途、转速以及制作成本、风力机的稳定性等。
对于用于
如图2-1（a）所示],
对风力机风轮的转速没有严格的要求。要
得到这样的风力机,就需要风轮叶片数较多叶片实度较大。
现代风力发电机组对风力机风轮转速要求比较严格,而且希望有较 高的风能利用系数，
风轮 连接在轮毂上,允许风轮在旋转平面内向后或向前倾斜几度,这样可 以明显地减少由于阵风和风剪切在叶片上产生的载荷。
2.风轮中心高
,如图2-2所示 。从理论上讲,风轮中心高越高越好,根据风剪切特性,离地面高度 越高,风速梯度影响越小,这样在风轮实际运行过程中,作用在风轮 上的波动载荷越小,可以提高机组的疲劳寿命。但从实际经济意义 考虑,风轮中心高不可能太大,否则不但塔架成本太高,安装难度及 成本也大幅度提高。
风力发电概念及基本特征
第二章风力发电概念及基本特征一、风力发电概念风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。
由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。
风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。
风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与风速的三次方和空气密度成正比关系。
风能资源受地形的影响较大，世界风能资源多集中在沿海和开阔大陆的收缩地带，如美国的加利福尼亚州沿岸和北欧一些国家，中国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。
中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300W/m2^上，3-20米/秒的风速年累计超过6000 小时。
内陆风能资源最好的区域是沿内蒙古至新疆一带，风能密度也在200-300W/m2，3-20 米/秒风速年累计5000-6000 小时。
风力发电是指利用风力发电机组直接将风能转化为电能的发电方式。
在风能的各种利用形式中，风力发电是风能利用的主要形式，也是目前可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。
二、风力发电系统结构（一）风力发电机风力发电机是集空气动力、电机制造、液压传动和计算机自动控制为一体的综合性技术。
大致由以下几个子系统组成：桨叶、增速齿轮箱、发电机、塔架控制设备、电缆、地面支撑设备、各子系统连接设备。
风轮是将风能转换为机械能的装置，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3 个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。
上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起。
由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。
其中风电机组的整体设计、叶片的材料和加工技术、自动化控制系统、液压和传感技术是风机制造的关键。
第二章 风力机的基本理论及工作原理
第二章风力机的基本理论及工作原理2.1风力机基本理论 (1)2.1.1动量理论 (2)2.1.2叶素理论 (4)2.1.3动量-叶素理论 (5)2.2风力机空气动力设计 (7)2.2.1风轮几何参数 (7)2.2.2风力机空气动力设计参数 (8)2.2.3风力机翼型的阻力和升力 (8)2.2.4风力机气动外形设计 (14)2.3风力机性能 (14)2.3.1 风力机性能参数 (14)2.3.2 风力机叶片三维效应 (17)2.4风力机载荷 (17)2.4.1重力载荷 (17)2.4.2惯性载荷 (18)2.4.3气动载荷 (19)2.5垂直轴风力机 (19)2.5.1垂直轴风力机的分类 (19)2.5.2垂直轴风力机的主要特点 (20)2.5.3达里厄型垂直轴风力机 (20)2.5.4 S型垂直轴风力机 (24)2.5.5 其他垂直轴风力机 (27)2.5.6 直驱式垂直轴风力发电机 (29)2.6风电场中的空气动力问题 (33)2.6.1 风电场选址 (33)2.6.2 风力机尾流效应 (34)2.6.3 风力机布置 (34)2.6.4 风电场设计软件 (34)2.6.5 风能预测 (34)2.1风力机基本理论风力机是一种从风中吸取动能的装置。
通过动能的转移，风速会下降，但是只有那些通过风轮圆盘的空气才会受到影响。
假设将受影响的空气从哪些没有经过风轮圆盘、没有减速的空气分离出来，那么就可以画出一个包含受到影响的空气团的边界面，该边界面分别向上游和下游延伸，从而形成一个截面为圆形的长的气管流。
如果没有空气横穿界面，那么对于所有的沿气管流流向位置的空气质量流量都相等。
但是因为流管内的空气减速，而没有被压缩，所以流管的横截面积就要膨胀以适应减速的空气。
如图2.1所示。
图2.1 风力机吸收能量的流管能量虽然动能是从气流中吸取，但速度突变是不可能的，也是人们不希望发生的，由于巨大的加速度产生强大的作用力，这种速度突变又是需要的。
第二章双馈风力发电机的原理及设计
2.3 双馈异步发电机运行特点
在变速恒频发电中得到广泛应用的交流 励磁双馈发电机，具有定、转子双套绕 组，可以从定、转子两侧回馈能量，兼 有同步发电机和异步发电机的特点.交流 励磁双馈发电机定子三相绕组接入电网， 转子绕组也采用多相平衡绕组（一般为 三相），经交-直-交变频器通入幅值、频 率和相位可调的三相低频励磁电流，变 频器一般经变压器接至电网。
科技质量部根据公司实际情况规划制定项目计划 制造分公司下工作令（根据销售分公司与客户签 订合同的内容如交货时间、数量等下达）
设计部门前期准备，定方案、 结构形式、槽形等并预提设计
工艺部根据设计部预提的方 案设计模具
制造分公司根据设计部预提方案 采购主轴锻件等大型部件的材料
设计部设计，完成设计图纸，包括产品图、文件、包装设计要求等 图纸入库 晒图发图 各车间生产 设计部门负责生产服务 设计部等其他部门根据问题 所在解决问题 营销服务处
二 双馈风力发电机原理及设计
东方电气（乐山）新能源设备有限公司 技术处 蔡梅园
二 双馈风力发电机概况及设计
主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ内容：
1.风力发电机组的分类及结构 2.双馈风力发电机原理 3.我公司1.5MW双馈风力发电机 4.双馈风力发电机设计
1.风力发电机组的分类及结构
1.1 风力发电机机组的分类
1.1.1从结构上分类。 风力发电机组从结构上可分为两类。 其一是水平轴风力机，叶片安装在水平轴 上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。 水平轴风力机分多叶片低速风力机和1～3个叶 片的高速风力机。如图1。
2.3 双馈异步发电机运行特点
双馈异步发电机的结构与绕线式异步电动机 完全相同，定转子都具有三相对称绕组。但在 运行上具有以下两个特点： 1）、双励磁 定子绕组与电网相联，接受电网励磁使电 机运行在异步状态。转子绕组与变频器相联， 接受由变频器提供的交流励磁，使电机运行在 同步状态。 2）、双反馈 电机将轴上输入的机械功率（风电次机械 功率有风机产生）通过异步及同步两种作用转 换成电能，分别从定子和转子反馈到电网上：
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4.叶片数
风轮实度与尖速比的关系
2.3.4 额定功率调节
统一 独立
失速 功率控制 变桨距 主动失速
液压驱动 电动 电 - 液驱动
1.失速调节
2.变桨距
（1）液压变桨距机构
（2）电动变桨距机构
（3）电—液变桨距机构
3.主动失速
2.3.5 偏航
2.3.6支承体系 1.机舱壳体
2.塔架
2.3大型水平轴升力型风力机 2.3.1叶片
1.外部特征 （1）叶尖 叶片距离风轮回转轴线的最远 点； （2）叶根 叶片与轮毂连接点； （3）叶片长度 叶尖与叶根之间的距离； （4）叶片投影面积 叶片在风轮扫掠面上 的投影的面积。
2.翼型的几何定义
3.翼型举例
4.剖面结构
5.常用材料
2.4.4 安全控制
2.4.5 塔架
2.4.6 回转体
2.5垂直轴升力型风力机
2.6阻力型风力机
2.7水平轴和垂直轴风力机的比较
3. 物理特性
（1）风轮转速 （2）叶尖速度比
（3）叶素
ΩR v
（4）周速比 （5）旋转尾流 （6）作用在叶素上的力
叶片的失速
（7）速度三角形
（8）推力系数、转矩系数 （9）风轮的特性曲线
转矩—转速特性
功率-转速特性
（10）实际风轮的风能利用系数
（11）特征风速： 1）切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出时， 轮毂高度处的最小风速； 2）切出风速：由于调节器的作用使风力机对额定负 载停止功率输出时，轮毂高度处的的风速； 3）工作风速范围：风力机对额定负载有功率输出的 风速范围； 4）额定风速：使风力机达到规定输出功率的最低风 速； 5）起动风速：风力机的风轮开始旋转时的最小风速； 6）停车风速：控制系统使风力机风轮停止转动的最 小风速。
（1）木材 （2）钢材 （3）铝合金 （4）玻璃纤维复合材料 （5）碳纤维复合材料
2.3.2轮毂
2.3.3风轮
1.理想风轮
风能利用系数
Pr Pr CP P 1 Av 3 2
贝茨极限
CPmax
16 0.593 27
2.几何定义
（1）风轮直径：叶尖旋转圆的直径，风轮
直径的大小与风轮的功率直接相关； （2）轮毂高度：轮毂高度指风轮旋转中心 到基础平面的垂直距离。 （3）风轮扫掠面积：风轮旋转时的回转面 积； （4）风轮实度：风轮叶片投影面积的总和 与风轮扫掠面积的比值；
（5）风轮偏角：风轮轴线与气流方向的 夹角在水平面的投影角； （6）风轮锥角：叶片轴线与旋转轴垂直 的平面的夹角。对于上风式风力机，锥 角的作用是风轮运行状态下，防止叶尖 与塔架碰撞；对于下风式风力机，可以 减少叶根的弯曲应力； （7）风轮仰角：风轮旋转轴与水平面的 夹角。仰角的作用是防止叶尖与塔架碰 撞。
（8）挥向：风力机叶片偏离风轮旋转平 面方向的振动称为挥舞， 挥舞的方向称为挥向； （9）摆向：风力机叶片在风轮旋转平面 方向内的振动称为摆振，摆振的方向称 为摆向。 （10）桨距：在半径r处几何螺旋线的螺 距，该螺旋线与风轮同轴并和半径r处的 翼型几何弦相切。翼型几何弦与风轮扫 掠平面的夹角称为桨距角，用β表示。
3.基础
2.4小型水平轴升力型风力机
2.4.1 风轮
2.4.2转速调节
铰接尾舵 定桨距 固定尾舵 调速 变桨距 离心式 风压式 侧偏法 仰头 空气动力 重锤式 螺旋式 飞锤式 飞杆式 其它 侧翼 偏心 阻力翼 扰流板 圆锥式 其他
侧翼侧偏法
偏心侧偏法
风向Leabharlann 飞锤式飞杆式2.4.3方向调节
1.尾舵 2.舵轮
第2章 风力机
2.1风力机的组成与分类 2.2 水平轴升力型风力机综览 2.3大型水平轴升力型风力机 2.4小型水平轴升力型风力机 2.5垂直轴升力型风力机 2.6阻力型风力机 2.7水平轴和垂直轴风力机的比较 2.8其它形式风力机
2.1风力机的组成与分类 2.1.1 组成
风力机按结构形式分类
2.2 水平轴升力型风力机综览