风力发电机讲解

cp 0.593
功率
风速3>风速2>风速 1
Cpmax
Cp
风速 3
风速 2
风速 1
m
叶尖速比（风轮
0
转速
机叶片尖端的旋
R
V
转线速度与风速 的比值）
可以证明，风机获得最大功率时其叶尖速比是恒定值。
风力发电机组的功率
P
1 8
D2V
3CPtg
CPtg
D ：叶轮直径
C p ：功率系数，一般在0.2—0.5之间 t ：机械效率
组端口电功率的流向取决于转差率；
双馈变流器
交直交双向功率变换器
➢ 两套三相桥“背靠背”，中间 存在电容支撑的直流母线；
➢ 发电机侧三相开关桥控制电机 转速跟踪风速变化；
➢ 电网侧三相开关桥控制电能向 电网输送；
➢ 可实现发电机输出的有功和无 功功率解耦控制。
4-Q C
DC link 4-Q C
双馈风力发电系统特点
流器 ➢ 可以隔离扭振，防止过载
垂直轴风力发电机组
➢ 主要设备在地面，重量、尺寸要求低，安装维护方便。
➢ 不需要对风和叶片功角调整装置，控制系统简单。 ➢ 叶片采用等截面结构，受力简单，便于生产制造和降低
成本。
➢ 可以通过提高风轮的高径比，在直径相同的情况下增加 扫风面积，从而提高风电场的资源利用率。
✓恒速恒频风力发电系统 优点：结构简单，技术成熟，制造成本较低。 缺点：不能最大限度获得风能。
✓变速恒频风力发电系统 优点：可以最大限度获得风能，可以提高输出 电能质量。 缺点：需增加电力电子装置、结构和控制均相 对复杂。
恒速恒频风力发电系统
➢系统由风力机、齿轮箱、异步发电机、晶闸 管软并网装置、补偿电容和变压器等构成。
三相交流电，对电网波动的适应性好； ➢ 运行效率最高； ➢ 体积大、重量重。
半直驱式风电机组
➢带一级行星齿轮箱, 速比在1:10左右 ➢尺寸较小便于运输 及安装(和直驱相比) ➢简单、高效、可靠
液力传动风力发电机组
➢ 结构紧凑、体积小重量轻，便于运输安装 ➢ 可实现无级变速、调速范围宽，可以省去变
恒速恒频风力发电系统
➢系统由风机、齿轮箱、双速异步发电 机、并网控制单元、无功功率控制单 元、PLC、触摸屏和工控机构成。
恒速恒频风力发电系统
➢由于风机的转速较低，而 发电机的转速较高，我们 在风机和发电机之间安装 了一台增速齿轮箱，以匹 配两者的速度。
➢如果风力机的转速不能随 风速的变化而调整，这就 会使系统在低风速下的效 率大大降低，所以部分发 电机采ห้องสมุดไป่ตู้了双速异步发电 机。
➢ 连续变速运行，风能转换率高； ➢ 部分功率变换，变流器成本相对较低； ➢ 电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）； ➢ 降低桨距控制的动态响应要求； ➢ 改善作用于风轮桨叶上机械应力 状况 ； ➢ 双向变流器结构和控制较复杂； ➢ 电刷与滑环间存在机械磨损。
永磁直驱型风力发电系统
去除齿轮箱，直接驱动的理由： ➢ 由齿轮箱引起的风电机组故障率高； ➢ 齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染； ➢ 系统的噪声大，效率低，寿命短。 直驱带来的问题： ➢ 发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大； ➢ 全功率整流逆变，变流器成本高。
风力发电机的种类
以流体力学区分 扬力型 抗力型 以形状区分 水平轴式 垂直轴式
以用并网方式分 并网型 独立型 以发电原理区分 感应型 同步型
以速度区分 恒速式 变速式
各类区分 相互独立
各种各样的风力发电机
垂直轴式风机
风电与建筑结合
水平轴式风机
目前，水平轴三 只桨叶的风电机 组在大型风电机 组种类中占主流。
➢ 风轮气动效率低于水平轴机组，一般低15～20%。 ➢ 不能自起动、输出力矩波动。
多发电机的风力发电机
➢结论：变速恒频能够获取风力机最大的输出 功率，从而最大限度的捕获风能。
变速恒频型风力发电系统
➢双馈型风力发电系统：风力机、齿轮 箱、双馈异步发电机、并网变流器
双馈异步发电机
➢ 绕线型转子三相异步发电机的一种； ➢ 定子绕组直接接入交流电网； ➢ 转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向
功率变换器； ➢ 转子绕组通入变频交流励磁； ➢ 转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态； ➢ 定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕
永磁直驱型风力发电系统
➢永磁直驱型风力发电系统
永磁同步发电机
➢转子为永磁材料 ➢极对数多、转速低 ➢无需励磁绕组、效率高、可靠
永磁直驱系统特点
➢ 定子绕组输出电压的频率随转速变化； ➢ 全功率PWM整流和逆变，成本较高； ➢ 没有齿轮箱及滑环，可靠性高； ➢ 在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的
g ：发电机效率
由公式可见：
➢风力发电机的输出功率与风能、设备的转 化效率有直接关系；
➢功率曲线是衡量风力发电机性能的至关重 要的参数；
2、典型风力发电技术
➢恒速恒频风力发电机组 ➢双馈风力发电机组 ➢直驱风力发电机组 ➢液力传动风力发电机组 ➢垂直轴风力发电机组
风力发电机组
➢按照发电机转速是否可变，系统可分为：
风力发电机组的组成
叶片
一. 叶轮
轮毂
二. 机舱 三. 塔架 四. 基础
风电机组的发展
现代风力机
9
Enercon E126 7.58MW
12
风力发电机的气动基础
叶片受力情况分析：
上翼面静压值小于下翼面静压值，形成了 升力、阻力、力矩等气动力。
风能计算
1 3 A
2
为风能 W
为空气密度kg/m3
恒速恒频风力发电系统
➢为了使电机起动过程和 高低速电机切换过程不 出现明显的冲击电流， 采用了双向晶闸管构成 的并网控制单元。
➢系统中通常设置三相补 偿电容器作为无功补偿 装置，以减轻发电系统 对电网的不利影响。
变速恒频型风力发电系统
➢当风速变化时，允许 做变速运行可以更有效 的利用风能。 变速 原因：如图所示
为风速m/s
3 A为气流通过的面积m2
功率系数cp
➢功率系数:从风能中获得能量的比值
P CP
P0
由于流经叶轮的气流速度不可能降 为0，所以叶轮只能吸收部分风能
功率系数的极限
CP P 1 (1 2 )(1 )
P0 2
v1
v2
,为风轮前后
风速的比值。
当
1
3 时可得最大
的cp值（理想系数）：