风力发电相关基础知识

叶素理论
基本思想
将叶片沿展向分成若干微段——叶片元素—— 叶素；
视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；
作用在每个叶素上的力互不干扰；
将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得 作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。
风轮与发电机匹配问题
还有另一个重要的参数叶尖速比λ, 即叶轮的尖 速度与风速之比:
3
Pmax =16/27 (1/2 SV1 )
注意到1/2
3
SV1
是远前方单位时间内气流
的动能——功率
由空气动力学特性可知, 通过叶轮旋转面的风 能不能全部被叶轮吸收利用, 可以定义出一个 风能利用系数CP 。
于是最大风能利用系数Cpmax为：
3
Cpmax=Pmax/(1/2 SV1 )=16/270.593 此乃贝兹极限。
重分离，以致压气机性能严重下降甚至丧失功能的现象。
变桨距调节 变速风机中，风轮转速可变，即叶尖速度可变。
低于额定风速时保持桨距不变，和风速保持比例 关系，即保持在最佳叶尖速比，数值在6~8之 间，以获得最佳功率系数。
高风速时，对叶片的桨距角控制以限制风轮的气 动效率。最佳桨距角在额定风速以下为零，额 定风速以上桨距角对风速增大而增大。
并网发电机工作方式
恒速恒频发电系统——失速控制
变速恒频发电系统——变桨距调节
从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于 风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比 ，从而使风力机的风 能利用系数 保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功 率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。
交─直─交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电 机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关 磁阻发电机系统等，
风力发电相关内容
能量转换
风能
电能
更进一步
风能
机械能
电能
•风力发电基本原理：
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,来促使发电。
•主要优点：
第一，费用低廉，建设周期短；
第二，不需原料即可产生电力，除常规保养外，没 有其他消耗；
第三，风力是一种洁净的自然能源，没有环境污染 问题。
风能发电的主要形式
几种变速恒频方案的对比分析
参考文献
《小型风力发电机外特性测试平台的设计》 张延迟 顾羽洁 解大 张明 李景兴
《风力发电机风轮与发电机匹配的研究》 王世锋 《直驱式永磁同步风力发电机性能研究》 张岳 王凤
翔 《大型直驱永源自文库风力发电机及其并网运行研究》 张新
燕 王维庆
《独立运行小型风力发电系统浮在跟踪和充放电集成 控制》 赵强 王生铁
6. 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。
风力发动机本体和附件
把风能转化为机械能的装置
发电机及电气装置
把机械能转化为电能
贝兹理论
贝兹理论中的假设
——叶轮是理想的； ——气流在整个叶轮扫略面上是均匀的； ——气流始终沿着叶轮轴线； ——叶轮处在单元流管模型中，如图。
流体连续性条件：S1V1 = SV = S2V2
1. 应用气流冲量原理
叶轮所受的轴向推力： F=m(V1-V2)
式中m=SV，为单位时间内的流量质量。
叶轮单位时间内吸收的风能——叶轮吸收的功 率为：P=FV= SV2(V1-V2)
2. 动能定理的应用
基本公式：E=1/2 mV2 （m同上） 单位时间内气流所做的功——功率： P’=1/2 mV2= =1/2 SV V2
1、小型独立风力发电系统 单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。 风力发电机＋充电器＋数字逆变器。
因风量不稳定，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电。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市电，才能保证稳定使用。 2、并网风力发电系统 变桨距控制、失速控制 变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机 风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中 型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。
通过对发电机的结构和参数做出调整，使得两 组曲线尽量匹配。
调整方法： 1、调整绕组：绕组匝数、线径等 2、调节磁场：磁通量等
风轮输出功率控制方式
失速控制
在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生 失速，将输出功率限制在一定范围内。
失速定义 由于气流冲角过大而造成压气机叶片背弧上附面层严
在 叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量： P’= 1/2 SV (V21_ V22)
此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。 因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22) 整理得： V=1/2 (V1+V2)
即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的 均值。
3. 贝兹极限
引入轴向干扰因子进一步讨论。 令： V = V1( 1- a ) = V1 – U 则有：V2 =V1 ( 1- 2a ) 其中： a——轴向干扰因子，又称入流因子。 U=V1a——轴向诱导速度。
当a=1/2时，V2=0，因此a<1/2。 又V<V1，有1>a>0。 a的范围： ½ > a > 0
——由于叶轮吸收的功率为
P=P’= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2
令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因 子。
解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得
风能利用系数Cp 不是一个常数, 它随着风轮转 速以及风轮叶片( 攻角、桨距角等) 变化
不同风速下的风轮输出机械功率随风轮转速而 变化。对于每一风速总存在一个最大输出功率 点
永磁同步发电机性能数学模型
稀土永磁直流发电机功率和转矩可写为:
从理论上讲, 要想使风力机达到最佳的匹配, 就 应使配套发电机功率- 转速曲线与曲线A 重合, 使转矩- 转速曲线与曲线B 重合。
风机结构
1. 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。
2. 低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。转子转速 相当慢，大约为19至30转每分钟。
3. 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。
4. 高速轴：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。
5. 发电机：感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通 常为500至1500千瓦。