风力发电原理(控制)..
风力发电机的工作原理
风力发电机的工作原理
风力发电机是一种利用风能转化为电能的装置。
其工作原理主要是利用风力驱动叶片转动，然后通过转动的机械部件将机械能转化为电能。
下面我们将详细介绍风力发电机的工作原理。
首先，风力发电机的核心部件是风轮和发电机。
风轮是由多个叶片组成的，当风力吹过叶片时，叶片受到风力的作用而转动。
而发电机则是将叶片转动产生的机械能转化为电能的装置。
其次，风力发电机的工作原理是基于电磁感应的原理。
当叶片转动时，驱动发电机转动，而发电机内部的线圈则受到磁场的影响而产生感应电动势。
这个电动势随着叶片的转动而不断变化，最终产生交流电。
这就是风力发电机将机械能转化为电能的基本原理。
此外，风力发电机还需要配备控制系统来调节发电机的转速和输出电压。
因为风力的大小和方向是不稳定的，所以需要通过控制系统来保持风力发电机的稳定运行。
控制系统可以根据风速和电网负荷的变化来调节叶片的角度，以确保发电机的输出电压和频率稳定。
最后，风力发电机的工作原理还涉及到风能的捕捉和转化效率。
优秀的风力发电机应该能够充分利用风能，并将其转化为电能。
因此，风力发电机的设计和制造需要考虑叶片的形状、风轮的结构、发电机的效率等因素，以提高风力发电机的转化效率。
总之，风力发电机的工作原理是利用风能驱动叶片转动，然后通过发电机将机械能转化为电能。
通过控制系统的调节和优化设计，风力发电机能够稳定高效地将风能转化为电能，为人类提供清洁可再生的能源。
风力发电原理(控制)
风电成本问题：目前风电成本较高需要降低风电成本提高风电 的经济性。
风力发电技术的发展前景和展望
技术创新：随着科技的不断进步风力发电技术将更加高效、可靠降低成本提高发电量。
政策支持：各国政府对可再生能源的支持力度不断加大将推动风力发电技术的发展。
市场竞争：随着风力发电市场的不断扩大竞争将更加激烈技术领先的企业将获得更大的市场 份额。
风力发电原理和控制技 术
,
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题
02 风 力 发 电 原 理
03 风 力 发 电 机 组 控 制
技术
05 风 力 发 电 技 术 的 发
展趋势和挑战
04 风 力 发 电 机 组 控 制 技术的应用
Prt One
单击添加章节标题
Prt Two
风力发电原理
风力发电的基本原理
风能捕获：风能通过风力发电 机叶片转化为机械能
机械能转换：机械能通过发电 机转化为电能
电压与电流控制：通过控制系 统调节电压和电流使其稳定并 输送到电网
并网发电：与电网并联运行实 现风能的高效利用
风力发电机组的组成
风轮：捕获风能 并将其转换为机 械能
传动系统：将风 轮的机械能传递 到发电机
发电机：将机械 能转换为电能
Prt Three
风力发电机组控制 技术
风力发电机组控制系统的组成
风速传感器：测量风速为控制系统提供风速信息 控制系统：根据风速和发电机状态调节发电机组的功率输出 偏航系统：根据风向自动调整发电机组的迎风角度提高风能利用率 制动系统：在异常情况下对发电机组进行制动确保安全停机
风力发电机组控制策略
风力发电机组控制技术在节能减排中的应用
风力发电机组的工作原理及主要组成部分
风力发电机组的工作原理及主要组成部分1.风能捕捉：风力发电机组的核心部分是风轮或风叶，它们负责捕捉风能。
当风流通过风轮或风叶时，由于气流的动能和静压力的作用，会导致旋转力矩的产生。
2.动力传输：风能转化为旋转动能后，需要通过轴承和传动系统传输给发电机。
通常情况下，风轮转子和发电机的转子是相互连接的，通过传动系统将转动动能传递给发电机转子。
3.电能转化：传动系统将机械能转化为发电机的转动，进而通过电磁感应原理将机械能转化为电能。
发电机的转子通过旋转感应电流，再通过电磁感应产生电压，最终输出电能。
1.风轮：风力发电机组的核心部分，用于捕捉风能并转化为机械能。
通常采用多片叶片将风流导向转子，并利用气流的动能产生旋转力矩。
风轮的叶片材料通常采用复合材料或金属材料，以提高其耐久性和轻量化。
2.发电机：发电机负责将机械能转化为电能。
通常采用异步发电机或同步发电机来生成电能。
发电机的转子和风轮的转子相互连接，通过传动系统将旋转动能传递给发电机转子，产生电能输出。
3.传动系统：传动系统用于将风轮的旋转动能传递给发电机的转子。
传动系统通常由齿轮箱、轴承等组成。
齿轮箱用于调节风轮旋转速度，使其适应发电机的工作条件。
轴承则用于支撑风轮和发电机的转子。
4.控制系统：控制系统负责监测风力发电机组的工作状态，并控制风轮的转速和发电机的输出电压。
通过控制系统，可以使风力发电机组根据实际的风速和电网需求进行工作调节。
总结起来，风力发电机组通过捕捉风能、运用传动系统将机械能传递给发电机，并最终通过电磁感应将机械能转化为电能。
风力发电机组的主要部件包括风轮、发电机、传动系统和控制系统。
通过这些部件的协调工作，可以将风能高效地转化为电能，实现清洁能源的利用。
风力发电机的原理运作
风力发电机的原理运作风力发电机是一种利用风能转化为电能的装置。
它利用风的能量转动叶轮，通过传动装置将旋转的动能转化为电能。
下面我们详细介绍风力发电机的原理和运作过程。
一、风力发电机的原理1. 风的动能转换为叶轮的动能：当风经过叶轮时，叶轮所受到的风力会使其开始旋转。
这是因为风有一定的动能，当它与叶轮表面接触时，由于叶轮的形状和设计，风力会使叶轮开始转动。
2. 叶轮的转动驱动发电机：叶轮的转动会通过传动装置传递到发电机，从而驱动发电机产生电能。
传动装置通常由齿轮、轴等组成，可以将叶轮旋转的动能转换为发电机所需要的转动力。
3. 发电机的工作原理：发电机是将机械能转化为电能的关键部件。
它由转子、定子、磁场等构成。
当叶轮转动传递给发电机时，转子内的导线会受到磁场力的作用而产生电动势。
这个电动势经过适当的电路处理后，最终输出为可用的电能。
二、风力发电机的运作过程1. 风力发电机的启动：风力发电机需要一定的风速才能启动。
一般来说，需要的风速在3米/秒至5米/秒之间。
当风速达到或超过设定值时，发电机会自动启动。
2. 风力发电机的控制：发电机可以根据不同的风速自动调整叶轮的转速。
当风速过高时，会启动风速控制器，通过改变叶轮的角度来降低风力对叶轮的影响。
这种控制可以保证风力发电机在不同风速下都能正常工作，同时也可以保护发电机避免风力过大造成的损坏。
3. 风力发电机的发电：当风力发电机启动后，叶轮开始旋转，带动发电机转动。
发电机可以将机械能转化为电能，并通过输出端口输出。
这些电能可以进行储存或传输供给社会使用。
4. 风力发电机的维护和安全：风力发电机需要定期对设备进行维护和保养，以确保其正常工作。
同时，风力发电机也要注意安全问题，避免发电机受到恶劣天气或其他外部因素的影响。
三、风力发电机的优势和应用1. 可再生能源：风力发电是一种利用风能的可再生能源。
风是一种无尽的能源，而且对环境几乎没有污染。
2. 低碳环保：风力发电过程中不产生温室气体和空气污染物。
风力发电的原理和应用
风力发电的原理和应用风力发电，顾名思义，是利用风力产生电能的一种发电方式。
在现代社会，随着对可再生能源的需求不断增加，风力发电也成为了一种越来越重要的能源。
本文将介绍风力发电的原理、应用和未来的发展趋势。
一、风力发电的原理风力发电的基本原理很简单，就是利用风轮（也称为风机）旋转发电。
当风流过风轮时，将推动风轮转动，风轮通过传动系统带动发电机旋转，发电机则将机械能转换为电能输出。
其中，风轮是由叶片和轴组成的，叶片是承受风力的部分。
叶片的形状、数量和大小等因素将影响风轮的转速和转动效率。
虽然风力发电的原理很简单，但实现起来却不容易。
首先，风轮需要在合适的风速下才能转动产生电能，而风力的大小和方向又会随着气象条件的变化而不断变化。
因此，选址成为了风电站建设中的重要因素，一般会选择海拔高、风力稳定的地区来建立风电站。
另外，为了提高风力发电的效率，还需要在设计阶段考虑风轮的材质、结构和设计等方面的因素。
二、风力发电的应用风力发电作为一种清洁能源，被广泛应用于全球各个国家和地区。
根据国际能源署的数据，截至2019年底，全球风力发电的总装机容量已经超过了6.32亿千瓦，占全球电力供应的5%。
其中，中国、美国和德国是全球三大风力发电大国。
风力发电在能源领域的应用主要分为两个方面：一是大规模的商业化利用，另外一个是小规模的分布式利用。
大规模的商业化利用通常指的是建立风电站来大规模地利用风力发电。
风电站可以有不同的容量，从几百千瓦到几十兆瓦不等。
风电站的建设需要考虑很多因素，如选址、设备采购和调试等。
但是，在商业化利用中，由于需要建设大型的风电站，需要投入巨大的成本，并且存在地域和季节限制。
小规模的分布式利用则是将风力发电技术应用于家庭、企业和社区等小规模场景中。
一般通过安装风力发电设备，如小型风轮或风能发电机组，在小规模的场景中产生清洁的电力。
分布式利用具有灵活性、可持续性和可控性等优点，并且适合于人口分散的区域。
风力发电机的工作科学原理是什么
风力发电机的工作科学原理是什么风力发电机是一种利用风能将其转化为电能的设备。
它是利用风的动能来带动发电机转子旋转，使机械能转化为电能的装置。
风力发电机作为可再生能源的代表之一，已经广泛应用于各地的发电场和风电场。
风力发电机的工作原理可以简洁地概括为将风能转化为电能的过程。
其实质是通过利用空气流动与高速转动发电机转子之间的相互作用来转化。
风力发电机由风轮、发电机组成。
下面主要从以下几个方面来介绍风力发电机的工作原理。
首先，风力发电机的工作原理之一是空气流动的能量转化为机械能。
当风力吹向风轮时，风轮的叶片受到风力的推动而旋转。
风轮直径较大，叶片数较多，可以牵引更多的空气，使其产生剧烈的旋转。
在风轮旋转的过程中，风轮的叶片与风之间的相互作用犹如一台叶片带动的轮转动，相对于风的方向，将风的动能转化为叶片的动能。
接下来，风力发电机的工作原理之二是机械能转化为电能。
风力发电机的风轮通过轴连接到发电机上，风轮的旋转使得发电机内的转子也开始旋转。
发电机的转子是由电磁铁组成的，当转子旋转到一定速度时，通过磁力线的感应作用，将机械能转化为电能。
简单来说，就是转子旋转时，导线在磁场中产生电动势，从而在导线电流的作用下产生电能，并通过导线输出。
此外，风力发电机的工作原理还涉及到发电机和电网之间的连接。
发电机通过输电线路将电能输送到电网，向用户提供电力供应。
传统的风力发电机是直流发电机，因此需要通过变流器将直流电转化为交流电以适应电网的工作要求。
随着科技的进步，目前已经出现了直接输出交流电的风力发电机，使得发电的效率更高，减小了能量的损失。
总的来说，风力发电机是通过将风能转化为电能的过程来实现发电的。
它的工作原理包括了空气流动的能量转化为机械能，机械能转化为电能以及电能与电网的连接。
风力发电机作为一种可再生能源的代表，具有环保、高效、可持续等优势，被广泛应用于各地的发电场和风电场，为人们提供了清洁能源，并且减少了对传统能源的依赖。
风力发电原理(控制)
风力发电原理(控制)一、风力发电的基本原理风力发电是指利用风能转换成电力的一种清洁能源，其基本原理是将风能转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。
因此，风力发电系统主要包括风能转化系统和发电系统两大部分。
风能转化系统风能转化系统一般由风轮、变桨机构和转速限制器组成。
具体来说，风轮是通过风能驱动旋转，变桨机构可以改变风轮叶片的角度以便控制风轮的旋转速度和转向，而转速限制器则可以限制风轮的旋转速度，以防风轮过快损坏风力发电系统。
发电系统发电系统由发电机、变流器和电子控制系统组成。
发电机将机械能转化为电能并输出到电网中，变流器则将交流电转化为直流电，并控制电能输出的电压和频率。
电子控制系统则可以实现对风力发电系统的监控和维护。
二、风力发电的控制风力发电系统的控制方案主要分为以下几种：1. 恒功率控制恒功率控制是指在风速超过额定风速时，通过调节风轮的旋转速度来控制风力发电系统的输出功率，以便让发电机输出恒定的电功率。
这种控制方式可以保证风力发电系统的稳定运行，但是当风速超过一定限制时，风轮的旋转速度会超过允许范围，从而导致发电系统的停机或受损。
2. 变桨控制变桨控制是指通过改变风轮叶片的角度来控制风力发电系统的输出功率。
当风速超过额定风速时，风力发电系统会自动调节叶片角度，以减小叶片受到的风力，从而控制风力发电系统的输出功率。
这种控制方式可以确保风力发电系统的安全运行，但是其控制精度相对较低，且需要涉及到大量的机械运动部件，容易受到外部环境的影响。
3. 惯性控制惯性控制是指通过测量风轮旋转速度和转向来控制发电机的输出功率。
当风速超过额定风速时，惯性控制系统会立即闸掉风轮，以避免风力发电系统受到损坏。
这种控制方式可以使风力发电系统的响应速度更快，但是需要消耗大量的电能，不太适合长期运行。
三、风力发电系统的优点相比于传统的化石能源和核能发电技术，风力发电有以下几个优点：1.清洁能源。
风力发电不会产生任何污染物，对环境更加友好。
风力发电原理
4）最大限度地将风能转换为电能,即在额定风速以下 ,可能使发电机在每1种风速时,输出的电功率达到最大, 额定风速以上时则保持输出电功率为常量；
5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频,有较高的 电能品质质量.
风力发电机组控制目标有很多项,控制方法多种多样, 按控制对象划分大致可分为偏航系统、发电机并网 控制系统、发电机功率控制系统、电容器控制系统 等等,其中两个核心问题是：风能的最大捕获以提高 风能转换效率以及改善电能质量问题.由风力机最大 风能捕获的运行原理可知,若风速越高,则与之相对 应的风力机转速越高.但受风电机组转速极限、功率 极限等限制,风力机转速不可能太高.
分类： 1）根据它收集风能的结构形式及在空间的布置,可
分为水平轴式或垂直轴式. 2）从塔架位置上,分为上风式和下风式；
3）还可以按桨叶数量,分为单叶片、双叶片、 三叶片、四叶片和多叶片式.
4）从桨叶和形式上分,有螺旋桨式、H型、S 型等；
5）按桨叶的工作原理分,则有升力型和阻力型 的区别.
6）以风力机的容量分,则有微型(1kW以下)、 小型(1—10kW)、中型(10—100kW)和大型 (100kw以上)机.
其中, Cp为风能利用系数（Power Coefficient）,表示风
机捕获风能的能力, Cp = Pcapture / Pwind
偏导航系统的作用
偏航系统的主要作用有两个： 1) 与风力发电机组的控制系统相互配合,使风发电 机组的风轮始终处于迎风状态,充分利用风能,提高 风力发电机组的发电效率； 2) 提供必要的锁紧力矩,以保障风力发电机组的安 全运行.
（四）发电机
发电机的作用,是利用电磁感应现象把由风轮输出 的机械能转变为电能.
2、双馈式异步风力发电机组
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—— 华北电力大学控制科学与工程学院
吕跃刚
North China Electric Power University
第一章 绪 论
旋转罩 轮毂
机舱 油冷却器
热交换器
低速轴
齿轮箱 旋转接头
控制箱
变桨驱动 支撑轴承
偏航驱动
发电机
通风
隔离减震
机舱座
风力发电机组结构图
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i 10o iM20o 30o 40o
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
•升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶 的升力增加，但当增加到某个角度后升力 开始下降；阻力系数开始上升。出现最大 升力的点叫失速点。
•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位 置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与 阻力系数。
•对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造 成阻力增加，
Fd
1 2
Cd Sv2
阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数
B
Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。
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第二章 风力机控制
二、2、升力和阻力的变化曲线
0.8
Cl
0.6
0.4
Cd
0.2
-30o -20o -10o 0o Cl min -0.2
当转速接近同步转速时，三相主电路上的晶闸管被触发开始导通，导通角随与同 步转速的接近而增大，发电机转速的加速度减少；当发电机达到同步转速时晶闸管 完全导通，转速超过同步转速进入发电状态；1秒后旁路接触器闭合，电流被旁路， 如一切正常晶闸管停止触发。
v22 )
令两式相等，得 v v1 v2 2
经过风轮风速变化产生的功率为
P
1 4
S
(v12
v22
)(v1
v2
)
其最大功率可令
dP dv2
0
得
v2
1 3
v1
，代入后得到的最大理想功率为
Pmax
8 27
Sv13
与气流扫掠面积风的能量相比，可得风力机的理论最大效率：max
Pm a x E
第一章 绪 论
一、机组的总体结构
风
风
风轮 增速器
发电机
主继电器
电网 主开关 变压器
变桨
转速 风速
熔断器
晶闸管 并网
控制系统
功率
无功补偿
•定桨：1.5-2.5叶尖扰流器起脱网停机气动刹车，一般采用双速发电机来提高效率。 •变桨：随风速改变攻角，超过额定风速保持额定功率。 •设计风轮转速：20-30r/min，通过增速器与发电机匹配。 •采用晶闸管软切入并网，并网容易，扰动小。 •含微处理器的控制系统。
Cl
w2dS
dD
1 2
Cd
w2dS
dF气流W产生的气动力
轴向推力dFa=dLcosI+dDsinI 旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI) 驱动功率dPw=ωdT
风输入的总气动功率P=vΣFa 旋转轴得到的功率Pu=Tω 风轮效率η=Pu/P
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功率
大发电机功率曲线
如6极200kW和4极750kW
P1 小发电机功率曲线 切换点
P2
风速
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第三章 定桨距风力发电机组
一、定桨距风力发电机组的特点
5、功率输出 功率的输出主要决定于风速，叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度ρ=1.225kg/m3测出的， 一般温度变化±10oC，空气密度变化±4%。因此气温升高，密度下降，输出功率减少。 750kW机组可能会出现30~50kW的偏差， 6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响 •由于机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的，使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。 •额定转速低的机组，低风速下有较高的功率系数；额定转速高的机组，高风速下有较高的功率 系数。即为双速电机依据。 •设计的最大功率系数并不出现在额定功率上，因风力发电机并不经常工作在额定风速点。定桨 距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。
•全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制，并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。
•基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制，低于额定风速跟踪最佳功率曲线，高于额定风速柔性保 证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响，提高了功率因数，高效高质 地向电网供电。
16 27
0.593
Sv2
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第二章 风力机控制
一、2、风力机的主要特性系数
1、风能利用系数 CP ：
风力机的实际功率 PS
1 2
v13SCP
其中CP为风能利用系数，它小于0.593
2、叶尖速比
为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量，称叶尖速比
第三章 定桨距风力发电机组
一、定桨距风力发电机组的特点
1、风轮结构 主要特点：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题：高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近（失速特性）。
脱网（突甩负荷）时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器，降低机械刹车结构强度， 2、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角β不变，风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加，根部先进入失速，随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分 功率减少，未失速部分功率仍在增加，使功率保持在额定功率附近。 3、叶尖扰流器 叶尖部分可旋转的空气阻尼板，正常运行时，在液压控制下与叶片成为整体，风力机脱网时 液压控制指令将扰流器释放并旋转80o~90o，产生阻力停机，即产生空气动力刹车。 空气动力刹车是按失效思想设计，即起到液压系统故障时的机组停机保护。 4、双速发电机
1、桨叶的翼型
升力角
风向
v
0 零升力角
i 功角
弦长
l
攻角：来流方向与弦线的夹角 零升力角：弦线与零升力线夹角 升力角：来流方向与零升力线夹角
2、桨叶上的气动力
A
i
v
C 压力中心
F
1 2
Cr Sv2
总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数
Fl
1 2
Cl Sv2
升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数
第二章 风力机控制
五、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）
有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。 实际风力机曲线如下图所示：
Cp 失速损失
Betz极限
理想的Cp曲线 型阻损失
实际的Cp曲线
0
North China Electric Power University
North China Electric Power University
第三章 定桨距风力发电机组
二、定桨距风力发电机组的基本运行过程
3、风轮对风 偏航角度通过风向测定仪测定。10分钟调整一次，调整中释放偏航刹车。 4、制动解除
启动条件满足后，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入桨叶液压缸，扰流 器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到扰流器回收信号后，压力油进入机械盘 式制动器液压缸，松开盘式制动器。 5、风力发电机组的并网
• 图中看出，系统的特性除了与机组特性有关外，还受控制器影响。 • 运行中控制器可改变功率输出，风能看成是扰动。
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第一章 绪 论
五、风力发电机组的控制系统结构
用户界面 •输入用户指令，变更参数 •显示系统运行状态、数据及 故障状况
习题：各不同类型机组的控制技术有何功能特点。
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第一章 绪 论
四、风力发电机组的控制特性
风能
风轮 风轮转矩×转速 动态特性
变距位置
伺服
变距指令
执行器
传动链 发电机转矩×转速 发电机
动态特性
动态特性
控制器
功率信号
功率 变送器
电功率
调向系统 •偏航 •自动解除电缆缠绕
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第二章 风力机控制
一、1、风力机能量转换过程
气流动能为 E 1 mv2 2
m 空气质量，v 气流速度
密度为ρ的气流过面积 S 的气体体积为 V，M= ρ V= ρSv
则单位时间内气流所具有的动能为 E 1 Sv3
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第一章 绪 论
三、风力发电机组的控制技术
•定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题，采用了软并网 技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。 固定的节距角及电网频率决定的转速，简化了控制与伺服驱动系统 。
Sv1
Sv
2
理想风轮与贝兹（Betz）理论： 前后空气体积相等：S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律，单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= ρSv(v1-v2)