风力发电原理(控制)
风力发电原理
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基本原理
Pmech v1 v v2
A1 A A2
假定空气是不可压缩的，高速 气流减慢后必然扩散。
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基本原理
1 2 1 E mv Adsv2 动能: 2 2 1 Pw Av3 2 风能: 1 3 Pw A1v13 A2 v2 2 8 Pmax Av13 风电机可吸收的最大能量: 27
尖速比λ:叶片叶尖线速度与风速的比值；
叶片数量：2-3片
叶片角度：攻角 翼型设计：优良的翼型提高效率
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基本原理
理想Betz效率
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CP – λ曲线
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基本原理：实际各种风机效率
理想值
c p max 0.593
Three blades
American Darrieus
Two blades
•阻力系数CD (D是英语里“阻力”的第一个字母) 。这个值是用来表 示某个物体对空气形成阻力的大小的，可以在风洞里进行测定。 •CD值越小，空气阻力也就越小。比如一个圆盘横向对风的 CD值大约 是1.11，而方盘大约是1.10，球体大约是0.45。 •在汽车工业中，工程师们都在研究如何将汽车的CD值变的更小，这 样汽车在行进时的阻力就会最小化。比如丰田的Prius的 CD值是0.26 ，而大众的Golf CD是0.325
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叶片的扭角
为保证机组较低的启动风速，叶片存在一扭角。 LM14.2 叶片长度：14200mm 叶片外形：NACA 63-200 扭角：16度 LM19.1叶片 叶片长度：19037mm 叶片外形：FFA-W3,NACA 634 扭角：20度
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升力型风力机
水平轴HAWT, 丹麦理念
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。
风力发电机工作原理
风力发电机工作原理风力发电机，指的是利用风能产生电力的设备。
它是一种利用自然能源、清洁、可再生的发电装置。
其工作原理是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。
风力发电机的工作原理主要包括风能捕捉、能量转化和电能生成三个环节。
首先，风力发电机的工作离不开捕捉风能。
一般来说，风力发电机采用三叶式桨叶风机来收集风能。
桨叶风机通常由三片桨叶、桨叶轴和涡轮组成。
当风吹过桨叶时，桨叶会受到风力的作用而旋转。
桨叶旋转时会产生转子轴上的转矩，这个转矩就是风力发电机收集的风能。
接下来，收集到的风能需要被转化为机械能。
在风力发电机中，这一步通常由变速装置和发电机完成。
变速装置主要用于将旋转速度较小的桨叶转速转化为发电机所需的高速转速。
发电机则将机械能转化为电能。
一般来说，风力发电机采用的发电机是异步发电机。
异步发电机通过转子中放置一个磁铁，当转子旋转时，磁铁会在发电机线圈中感应出电流。
这个电流经过整流和逆变装置处理后就可以输出为交流电。
最后，通过发电机变换的电能经过整流装置，将交流电转化为直流电。
这样的电流可以被接入电网供应给用户使用或者存储在电池中供以后使用。
除了上述的基本原理外，风力发电机还采用一系列的控制系统来保证其正常运行。
控制系统包括风向感应器、起动装置、制动装置和风速控制装置。
风向感应器可以检测到风向和风力大小，用以调整发电机的桨叶角度和转速。
起动装置用于在风速达到一定程度时启动发电机。
制动装置可以控制风力发电机的转速，以防止超速运转。
风速控制装置可以根据风速的变化调整桨叶角度，以保证风力发电机运行在最佳工作状态。
总结来说，风力发电机通过风能捕捉、能量转化和电能生成等环节，将风能转化为电能。
它是一种环保、可再生的能源发电装置，具有很大的发展潜力。
随着科技的不断发展，风力发电机的效率和稳定性将会得到进一步提高，为人类提供更多清洁能源。
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。
双馈风力发电机及控制原理
2009-4-1
风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 不同类型的风机 水平轴风机 Second level Third level Fourth level Fifth level 永磁直驱型风机
垂直轴风机
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风力发电简介
• • • •
– 按风轮机类型分(风能到机械能) Second level • 水平轴、垂直轴 • 定桨距、变桨距 Third level • 单叶片、双叶片、三叶片、多叶片 Fourth level • 定速型、变速型 – 按发电机类型分 (机械能到电能) Fifth level
• • • • 鼠笼式 绕线式 同步/永磁式 其他新型电机（开关磁阻电机、横向磁场电机、高压电机）
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 基于鼠笼式异步电机的风电机组 Second level Third level Fourth level Fifth level
变速箱 电网 变速箱 鼠笼式电机 鼠笼式电机 无功补 偿电容 无功补 偿电容 (a) (b) 变速箱 电网 滤波器 鼠笼式电机 无功补 偿电容 (c) 变速箱 滤波器 鼠笼式电机 (d) 电网
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风力发电简介
• • • • • Click to edit Master text styles 中国风电市场发展 – 电机、齿轮箱、叶片等设备已实现国产化； Second level – 电控系统国产化程度低，被国外设备占据。 Third 1997-2008 level 年中国风力发电总装机容量（除台湾省） Fourth level Fifth level
风力发电知识
(c)用玻璃纤维作蒙皮的管状梁叶片结构；(d)典型的帆翼结构
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十、风轮防雷系统
十一、塔架
叶片防雷方法 Type A and B: 有限感受器； C and D: 防护整叶片
对维护人员而言安全、
用料省，成本低，塔
重量轻，成本低，
舒适，美观；
影小，但外观差。大
但难以靠近。适
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但用料多，成本高
极端情况下的安全停机问题。
失速
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五、风力机功率控制
影响风力机输出功率的其他因素 ¾ 海拔高度 ¾ 温度
标准状态下的空气密度： ρ = 1.225 kg/m3
温度变化10°C，空气密度就变化±4%。 而桨叶的失速性能只与风速有 关，因此，海拔高度和温度会影响风机输出功率。
同样的风机安装在不同地点， 其桨叶角度不应该相同。
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风轮直径增大一倍，功率增大4倍！
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四、风力机特性
四、风力机特性
风力机直径越做越大的原因：
P：功率 D：风轮直径 H：塔高
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五、风力机功率控制
五、风力机功率控制
定桨距失速型风力机(Stall control) 主动失速型定桨距风力机(active stall control) 变桨距风力机(Pitch control) 变速风力机组(Variable speed)
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三、风能转换基本原理
三、风能转换基本原理
无论采用何种风轮，都不可能将风 能全部转化成机械能！
当攻角增加到某一临界值时， 升力突然减小，而阻力急剧 增加，此时叶片突然丧失支 承力，这种现象称为失速。
贝茨理论（贝茨极限）
风力发电机原理
风力发电机原理
风力发电机运作原理：通过风力驱动叶片转动产生动能，进而转化为机械能，最终被发电机转化为电能。
下面将简要介绍风力发电机的工作原理。
1. 风能捕捉：风力发电机通常安装在高地或开阔区域，以便利最大程度地捕捉到风能。
当风经过风力发电机时，会对叶片施加压力，使其开始旋转。
2. 叶片转动：叶片是风力发电机中最重要的部分。
风的作用下，叶片开始转动。
叶片的数量和形状会影响风力的利用效率。
通常，风力发电机采用三片叶片，因为它们在阻力和风能捕捉方面表现较好。
3. 轴传输：当叶片开始旋转时，机械能被传输到中心轴。
中心轴连接叶片和发电机，起到传导转动能量的作用。
4. 发电机转换：中心轴的转动会导致发电机转子旋转，进而产生电流。
发电机中的线圈会通过磁场相互作用的方式将机械能转化为电能。
5. 输电：通过电缆将发电机产生的电能传输到变电站或者电力网络中。
这样，电能就可以被再利用，以供人们的生活或工业使用。
需要注意的是，风力发电机需要一定的风速才能启动运作。
低于最低启动风速的风力发电机无法进行发电。
此外，过大的风
力也可能对风力发电机造成损坏，因此，在设计和使用风力发电机时，需要合理选择风速范围。
风力发电原理
风轮旳总转矩是由风轮桨叶全部叶素旳转矩微元之和。根据一样能够由总转矩得到风力机吸收总旳风能。
气流相对于叶片旳相对速度为：
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3 涡流理论
因为存在尾流和涡流影响，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要旳涡区：一种在轮毂附近，一种在叶尖。当风轮旋转时，经过每个叶片尖部旳气流旳迹线为一螺旋线，在轮毂附近也存在一样旳情况，风速旳涡流系统如下图。
5
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增长升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度很好。超出15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。
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7
发生转变旳临界角度称之为临界迎角或失速迎角，对于不同旳翼型失速迎角也不同，一般翼型多在10度至15度，一般薄翼型失速迎角稍小，厚翼型失速迎角要大某些；对于同一种翼型影响失速迎角旳是翼片运营时旳雷诺数与翼片旳光洁度。
计算出升力为3075牛顿
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风力机叶片运动时所感受到旳风速是外来风速与叶片运动速度旳合成速度，称为相对风速。上图是一种风力机旳叶片截面，当叶片运动时，叶片感受到旳相对风速为w，它是叶片旳线速度（矢量）u与风进叶轮前旳速度（矢量）v旳合成矢量。
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相对风速与叶片弦线之间旳夹角就是叶片旳攻角α
（2）
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根据国家原则，把风力发电机组旳分为5级，按年平均风速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四种风速和特殊设计风速一个（本处设为13 m/s），我们再增长停机风速20 m/s和起动风速3 m/s共七个风速来计算单位面积（每平方米）旳风功率与风压，计算所得数据填于下表： 风速、风功率、风压对照表
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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
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
v1 v 2 2
1 2 S (v12 v2 )( v1 v2 ) 4
2
经过风轮风速变化产生的功率为 P 其最大功率可令
8 1 dP Sv13 0 得 v2 v1 ，代入后得到的最大理想功率为 Pmax 3 dv2 27
Pmax 16 0.593 E 27
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1 Cl w2 dS 2 1 dD Cd w 2 dS 2 dLபைடு நூலகம்
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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发电机控制 •软并网 •变频器励磁调节
主控制器 •运行监控，机组起/停 •电网、风况监测
无功补偿 •根据无功功率信号分组 切入或切出补偿电容
变距系统 •转速控制 •功率控制
液压系统 •刹车机构压力保持 •变距机构压力保持
制动系统 •机械刹车机构 •气动刹车机构
调向系统 •偏航 •自动解除电缆缠绕
习题：通过对控制系统结构的了解，回答控制系统主要包括那些功能？
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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 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。
第一章 绪 论
一、机组的总体结构
风轮 增速器 发电机
电网
主继电器
风
主开关
熔断器
变压器
转速
晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统
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。
Sv1
Sv
Sv2
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) 风轮吸收的功率P=Fv= ρSv2 (v1-v2) 1 2 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化： E Sv (v12 v2 ) 令两式相等，得 v
1、待机状态 风速v＞3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出，没有并网的自由转动状态。 •控制系统做好切入电网的准备； •机械刹车已松开； •叶尖阻尼板已收回； •风轮处于迎风状态； •液压系统压力保持在设定值； •风况、电网和机组的所有状态参数检测正常，一旦风速增大，转速升高，即可并网。 2、风力发电机组的自启动及启动条件 机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为： •电网：连续10分钟没有出现过电压、低电压；0.1秒内电压跌落小于设定值；电网 频率在设定范围内；没有出现三相不平衡等现象。 •风况：连续10分钟风速在机组运行范围内（3.0m/s~25m/s) •机组：发电机温度、增速器油温在设定值范围以内；液压系统各部位压力在设定值 以内；液压油位和齿轮润滑油位正常；制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；控制系 统DC24V、AC24V、DC5V、DC±15V电源正常；非正常停机故障显示均已排除；维护 开关在运行位置。
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第二章 风力机控制 三、旋转桨叶的气动力（叶素分析）
风向
i
-u
I 倾斜角 dD气流阻力
安装角（桨距角、节距角）： 回转平面与桨叶截面弦长的夹角
I
相对 速度
I
运动旋转方向 u
R 2Rn
w
v
dL气流升力
dF气流W产生的气动力
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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 。 •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。
功率 大发电机功率曲线 如6极200kW 和4极750kW P1 切换点 P2 风速
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小发电机功率曲线
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。
1、桨叶的翼型
0 零升力角
升力角 风向
弦长
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
v
i 功角
l
2、桨叶上的气动力
F 1 Cr Sv 2 总的气动力，S — 桨叶面积，Cr — 总气动系数 2
Fl
A C 压力中心
1 Cl Sv 2 升力，与气流方向垂直，Cl — 升力系数 2
1 Cd Sv 2 阻力，与气流方向平行，Cd — 阻力系数 2
B
Fd
v
i
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
•升力系数与阻力系数是随攻角变化的
风力发电机组检测与控制
—— 华北电力大学控制科学与工程学院 吕跃刚
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第一章 绪 论
旋转罩 轮毂 机舱 油冷却器 热交换器 齿轮箱 旋转接头 控制箱
低速轴
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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max 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：
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 C P ： 1 3 P 风力机的实际功率 S 2 v1 SC P 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
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第一章 绪 论
二、风力发电机组的主要类型与控制要求
•定桨距失速型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；自动相位补偿；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •全桨叶变距型机组 监控系统任务：控制风力发电机并网与脱网；优化功率曲线；监视机组的运 行状态、电网状况与气象情况；异常工况保护停机；产生并记录风速、功率、 发电量等机组运行数据。 •基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括： 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁；脉宽调制技 术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量；低于额定风速的最大风能 （功率）控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。