风力发电原理

▲1-3 风能具有哪些特点？

（1）风能蕴藏量大、分布广。（2）风能是可再生能源。（3）风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。(4)风能的能量密度低。（5）不同地区风能差异大。（6）风能具有不稳定性。

▲1- 风力发电技术的发展状况

当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。

(1)水平轴风电机组技术成为主流。（2）风电机组单机容量持续增大。（3）变桨距技术得到普遍应用。（4）变速恒频技术得到快速推广。（5）直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。（6）大型风电机组关键部件的性能日益提高。（7）智能化控制技术广泛应用。（8）叶片技术不断进步。（9）适应恶劣气候环境的风电机组得到重视。（10）低电压穿越技术得到应用。

（11）海上风电技术成为重要发展方向。（12）标准与规范逐步完善。

▲2-8 为什么国际上通行的计算平均的时间间隔都取在10min至2h范围？

由范德豪芬的平均风速功率谱曲线可知，在10min至2h范围的平均风速功率谱低而平坦，平均风速基本上是稳定值，可以忽略湍流的影响。

▲2-9 什么是风速廓线？

在大气边界层中，由于空气运动受地面植被、建筑物等得影响，风速随距地面的高度增加而发生明显的变化，这种变化规律成为风剪切或风速廓线。▲2-11 什么是风向玫瑰图？

风向玫瑰图常用来表示某一风向一年或一个月出现的频率。

▲2-15 风在静止叶片上的空气动力是如何形成的？

由于叶片上方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度），因此叶片上、下方所受的压力也不同（下方压力大于上方压力），总得合力F即为叶片在流动空气所受到的空气动力。

▲2- 风的测量设备？

风向：风向标、光电管、码盘。风速：皮托管、热线风速仪、风杯、螺旋叶片。

▲2- 风能资源评估及风电场选址

评估参数：平均风速、主要风向分布、风功率密度、年风能可利用小时。宏观选址：（1）风能质量好（2）风向基本稳定（3）风速变化小（4）尽量避开灾难性天气频发地区（5）发电机组高度范围内风速的垂直变化小。（6）地形条件好。（7）地址情况能满足塔架基础、房屋建筑施工的要求，远离强地震带等。（8）对环境的不利影响小。（9）尽可能接近电网并考虑并网可能产生的影响。（10）交通方便。微观选址：（1）考虑地形的影响（2）考虑机组的排列方式。

▲4-7 什么是并网风力发电机变速恒频运行方式？哪些类型的发电机？

在不同风速下，为了实现最大风能捕获，提高风电机组的效率，发电机的转速必须随着风速的变化不断进行调整，处于变速欲行状态，其发出的频率需通过一定的恒频控制技术来满足电网要求。双馈异步交流发电机，永磁低速交流发电机

▲4-8 双馈异步发电机的基本工作原理。

(公式)n2为转自中通入频率为f2的三项对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转自本身的旋转速度（r\min），改变f2,即可改变n2。设n1为对应于电网频率50Hz时发电机的同步转速，而n为发电机转自本身的旋转速度，只要n+n2=n1，则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率f1不变。由转差率公式s=。。。可得f2=sf1。所以只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率的电流，双馈异步发电机可实现变速恒频运行的目的。

双馈型异步发电机实行交流励磁，励磁电流的可调量为其幅值、频率和相位。调节频率，可保证发电机转速变化时发出电能频率的稳定；调节幅值，可调节发出的无功功率；改变转子励磁电流的相位，调节了发电机的功率角。在一定工况下，转子也向电网馈送能量。

▲4-9 叙述双馈异步发电机的功率流向。

（1）亚同步状态当n

▲5-1 风力发电机组的控制系统一般应具有哪些功能？

（1）根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除。（2）根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。（3）根据风向自动对风。（4）根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整。（5）当发电机脱网时，能确保机组安全停机。（6）在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行实时监测和记录，对出现的异常情况能够自行准确的判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。（7）对在风电场中运行的风力发电机组具有远程通信的功能。（8）具有良好的抗干扰和防雷保护措施，以保证在恶劣的环境里最大限度的保护风电机组的安全可靠运行。

▲5-2 风力发电机组在运行过程中可以分为哪些状态？

待机状态，气动过程，欠功率运行状态，额定功率运行状态，正常停机状态和紧急停机状态。

▲5-3 Cp和叶尖速比的关系。

当叶尖速比逐渐增大时，Cp将先增大后减小。由于风速的变化范围很宽，叶尖速比就可以在很大的范围内变化，因此它只有很小的机会运行在最佳功率点上，即Cp取最大值所对应的工况点Cpmax，而且Cpmax对应唯一的叶尖速比opt，因此任一风速下只对应唯一的一个最佳运行转速。

▲5-4 各阶段变桨距控制的目标

起动并网阶段：目标是实现风力发电机组的升速和并网最大风能捕获阶段：最大限度的利用风能，提高机组的发电量。恒功率控制阶段：控制机组的功率在额定值附近而不会超过功率极限。超风速切除阶段：使机组安全停机。

▲5-6 如何理解低于额定风速的最大风能捕获和高于额定功率的恒功率控制？

当风速变化且发电机功率没有超过额定功率时，只要调节风轮转速且桨距角保持最优位置不变就可实现最大风能捕获；高于额定功率时，通过增大桨距角来减小发电机的输出功率即可维持在额定功率附近，实现恒功率控制。

▲5-8 变速恒频系统？双馈异步交流发电机如何实现？

将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用电力电子技术的IGBT变频器及PWM控制技术结合起来，使发电机在变速运转时能发出恒频恒压电能。双馈异步发电机是通过控制变流器来控制转子交流励磁完成的。

▲5-10 双馈和直驱在控制上各有何特点？

（1）双馈式风电系统需要齿轮箱，使机组重量有所增加，在机组的维护中，齿轮箱的故障率高。直驱式风电机不需要齿轮箱，可以减轻机组的重量和减小故障率；发电机转速低，起动转矩大。（2）双馈式电机为异步发电机。定子绕组直接连接电网，转子绕组接线端由电刷集电环引出，通过变流器连接电网，变流器功率可以双向流动，通过转子交流励磁调节实现变速恒频运行，机组的运行范围宽，转速在额定转速0.6~1.1的范围内都可以获得良好的功率输出。直驱式电机为同步发电机。定子绕组经全功率变流器接入电网，机组运行范围较宽。转子为多级永磁体励磁，永磁体的阻抗低，减小了系统损耗，但电机结构复杂，直径较大，运输困难。（3）用于双馈式电机的变流器，流过转子电路的功率是额定功率一部分的转差功率，因此双向励磁变流器的容量仅为发电机容量的一部分，成本将会大大降低，容量越大优势越明显。用于直驱式的变流器为全功率变频，容量大，成本高。（4）双馈式风电系统网端采用定子电压或定子磁链定向的原则，可以实现并网功率的有功无功独立调节，功率因数可调。直驱式风电系统网端采用网侧电压定向的原则，可以实现并网功率的有功无功解耦控制，功率因数可调。

▲6-1 什么是阻力型风机？什么是升力型风机？

阻力型垂直轴风机发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力；升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力。

▲6-2 垂直轴风力机的主要特点是什么？

优点：（1）寿命长，易维护安装。（2）利于环保，气动噪音小。（3）无需偏航对风。（4）叶片制造工艺简单。（5）运行条件宽松。缺点：（1）风能利用率低。（2）起动性能差（3）增速结构复杂。

▲7-1 简述离网风力发电系统的应用范围。

离网风力发电系统通常向大用户供电，或向农户、村落、农牧场供电。在风资源较丰富地区，企业对用电要求不高及离电网较远的农牧民户、村落、牧场用电负荷小，可采用离网风力发电系统。

▲7-2 离网风力发电机主要类型。

直流发电机、异步交流发电机。

▲7-3 简述风光互补系统的特点。

优点：（1）弥补独立锋利发电和太阳能光伏发电系统的不足，提供更加稳定的电能。（2）充分利用空间，事先地面和高空的合理利用。（3）共用一套送变电设备，降低工程造价。（4）同用一套经营管理人员，提高工作效率，降低运行成本。缺点：（1）与单一系统相比，系统设计较复杂，对控制要求较高。（2）由于是两类系统的合成，维护的难度和工作量较高。（3）太阳能和风能在时间上得互补特性随地区不同差异大，有时难以保证完全的连续稳定供电。