風力發(fā)電原理

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1、風 力 發(fā) 電 原 理主 講 ： 王 老 師 n 風 力 發(fā) 電 的 原 理 ： 是 利用 風 力 帶 動 風 車 葉 片 旋轉 ， 再 透 過 增 速 機 將 旋轉 的 速 度 提 升 ， 來 促 使發(fā) 電 機 發(fā) 電 。 簡 單 的 說風 力 發(fā) 電 就 是 將 風 能 轉換 為 機 械 能 進 而 將 機 械能 再 轉 換 為 電 能 的 過 程 。n 現(xiàn) 代 風 力 發(fā) 電 機 采 用 空氣 動 力 學 原 理 ， 就 像飛 機 的 機 翼 一 樣 。 風 并 非 推 動 風 輪 葉 片 ， 而 是 吹 過 葉 片 形 成 葉 片 正 反 面 的 壓 差 ， 這 種 壓 差 會 產 生

2、 升 力 ， 令 風 輪 旋 轉并 不 斷 橫 切 風 流 。n 依 據(jù) 目 前 的 風 車 技 術 ， 大 約 是 每 秒 三 公 尺的 微 風 速 度 （ 微 風 的 程 度 ） ， 便 可 以 開 始發(fā) 電 。 風 力 發(fā) 電 正 在 世 界 上 形 成 一 股 熱 潮 ，為 風 力 發(fā) 電 沒 有 燃 料 問 題 ， 也 不 會 產 生 輻射 或 空 氣 污 染 。 （ 一 ） 風 力 發(fā) 電 設 備組 成 ： 風 力 發(fā) 電 機 組 包 括 兩 大 部 分 ； 一 部 分 是 風 力 機 ， 由 它 將 風 能 轉 換 為 機 械 能 ； 另 一 部 分 是 發(fā) 電 機 ， 由 它

3、將 機 械 能 轉 換 為 電 能 。分 類 ：1） 根 據(jù) 它 收 集 風 能 的 結 構 形 式 及 在 空 間 的 布 置 ， 可分 為 水 平 軸 式 或 垂 直 軸 式 。2） 從 塔 架 位 置 上 ， 分 為 上 風 式 和 下 風 式 ； 3） 還 可 以 按 槳 葉 數(shù) 量 ， 分 為 單 葉 片 、 雙 葉 片 、三 葉 片 、 四 葉 片 和 多 葉 片 式 。4） 從 槳 葉 和 形 式 上 分 ， 有 螺 旋 槳 式 、 H型 、 S型 等 ；5） 按 槳 葉 的 工 作 原 理 分 ， 則 有 升 力 型 和 阻 力型 的 區(qū) 別 。6） 以 風 力 機 的 容 量

4、 分 ， 則 有 微 型 (1kW以 下 )、小 型 (110kW)、 中 型 (10100kW)和 大 型(100kw以 上 )機 。 1、 風 力 機 的 主 要 技 術 指 標 參 數(shù) 風 輪 直 徑 ， 通 常 風 力 機 的 功 率 越 大 ， 直 徑越 大 ； 葉 片 數(shù) 目 ， 高 速 發(fā) 電 用 風 力 機 為 24片 ，低 速 風 力 機 大 干 4片 ； 葉 片 材 料 ， 現(xiàn) 代 常 采 用 高 強 度 低 密 度 的 復合 材 料 ； 風 能 利 用 系 數(shù) ， 一 般 為 0.150.5之 間 ； 啟 動 風 速 ， 一 般 為 35m/s; 停 機 風 速 ， 通

5、常 為 1535m s; 輸 出 功 率 ， 現(xiàn) 代 風 力 機 一 般 為 幾 百 干瓦 幾 兆 瓦 ； 發(fā) 電 機 ， 分 為 直 流 發(fā) 電 機 和 交 流 發(fā) 電機 ； 另 外 還 有 塔 架 高 度 等 等 。 2、 水 平 軸 力 風 機特 點 ： 風 力 機 的 風 輪 軸 與 地 面 呈 水 平 狀 態(tài) ， 稱 水 平軸 風 力 機 。組 成 ： 它 一 般 內 風 輪 增 速 器 、 調 速 器 、 調 向 裝 置 、發(fā) 電 機 和 塔 架 等 部 件 組 成 ， 大 中 型 風 力 機 還 有 自動 控 制 系 統(tǒng) 。應 用 ： 這 種 風 力 機 的 功 率 從 幾 十

6、千 瓦 到 數(shù) 兆 瓦 ， 是日 前 最 具 有 實 際 開 發(fā) 價 值 的 風 力 機 ：n 類 型 ： 有 傳 統(tǒng) 風 車 、 低 速 風 力 機 及 高 速 風 力 機 水 平 軸 力 風 機 圖 3、 垂 直 軸 風 力 機特 點 ： 凡 風 輪 轉 軸 與 地 面 呈 垂 直 狀 態(tài) 的 風 力機 叫 垂 直 抽 風 力 機 。形 式 有 ： 如 s型 、 H型 、 型 等 。應 用 ： 雖 然 目 前 垂 直 軸 風 力 機 尚 未 大 量 商 品化 ， 但 是 它 有 許 多 特 點 ， 如 不 需 大 型 塔 架 、發(fā) 電 機 可 安 裝 在 地 面 上 、 維 修 方 便 及

7、 葉 片制 造 簡 便 等 ， 研 究 日 趨 增 多 ， 各 種 形 式 不斷 出 現(xiàn) 。 各 種 形 式 的 垂 直 軸 風 力 機 。 型 風 力 機 圖 （ 二 ） 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng)n 從 外 部 看 ， 整 個 風 力 發(fā) 電 機 組看 上 去 只 有 三 個 主 要 部 分 ： 風輪 、 機 艙 和 塔 架 。n 發(fā) 電 機 、 傳 動 系 統(tǒng) 、 控 制 系 統(tǒng)等 都 集 成 在 機 艙 內 。n 機 艙 除 了 承 擔 容 納 所 有 機 械 部件 的 功 能 ， 還 起 到 承 受 所 有 外力 （ 包 括 靜 負 載 及 動 負 載 ）的 作 用 。 n 機 艙 底

8、盤 和 塔 架 之 間 有 回 轉 體 ，使 機 艙 可 水 平 轉 動 。 機 組 的 總 體 結 構機 組 的 總 體 結 構 圖 ： 控 制 系 統(tǒng) 風 輪 增 速 器 發(fā) 電 機 主 繼 電 器 主 開 關熔 斷 器 變 壓 器晶 閘 管 電 網(wǎng) 風 變 槳 風 速轉 速 并 網(wǎng) 功 率 無 功 補 償風 （ 三 ） 風 力 發(fā) 電 機 主 要 組 成 部 分 介 紹 1、 風 輪 風 力 機 區(qū) 別 于 其 他 機 械 的 最 主要 特 征 就 是 風 輪 。 風 輪 一 般 由2 3個 葉 片 和 輪 轂 所 組 成 ， 其功 能 是 將 風 能 轉 換 為 機 械 能 。 由 于

9、 風 力 發(fā) 電 機 的 理 論 基 礎 也是 空 氣 動 力 學 ， 故 其 葉 片 形 狀與 機 翼 很 相 似 。 風 經 過 水 平 軸風 力 發(fā) 電 機 的 葉 片 時 由 于 葉 片與 風 有 一 個 夾 角 ， 風 在 葉 片 上形 成 升 力 ， 風 力 發(fā) 電 機 就 是 依靠 葉 片 上 的 升 力 把 風 能 轉 換 為旋 轉 的 機 械 能 ， 從 而 帶 動 發(fā) 電 機 進 行 發(fā) 電 的 。 2、 塔 架n 風 力 機 的 塔 架 除 了 要 支 撐 風 力 機 的 重 量 ， 還 要 承受 吹 向 風 力 機 和 塔 架 的 風 壓 ， 以 及 風 力 機 運 行

10、 中的 動 載 荷 。 它 的 剛 度 和 風 力 機 的 振 動 有 密 切 關 系 。水 平 軸 風 力 發(fā) 電 機 的 塔 架 主 要 可 分 為 管 柱 型 和 桁架 型 兩 類 。n 一 般 圓 柱 形 塔 架 對 風 的 阻 力 較 小 ， 特 別 是 對 于 下風 向 風 力 機 ， 產 生 紊 流 的 影 響 要 比 桁 架 式 塔 架 小 。桁 架 式 塔 架 常 用 于 中 小 型 風 力 機 上 ， 其 優(yōu) 點 是 造價 不 高 ， 運 輸 也 方 便 。 但 這 種 塔 架 會 使 下 風 向 風力 機 的 葉 片 產 生 很 大 的 紊 流 。 管 柱 型 和 桁 架

11、 型 如 圖 ： 3、 機 艙 4、 齒 輪 箱n 對 于 容 量 較 大 的 風 電 機 組 ， 因 風 輪 轉 速 很 低 ， 遠 達不 到 發(fā) 電 機 發(fā) 電 的 要 求 ， 往 往 通 過 齒 輪 箱 的 增 速 作用 來 實 現(xiàn) 。 而 并 網(wǎng) 運 行 的 發(fā) 電 機 必 須 要 求 再 同 步 轉速 左 右 才 能 運 行 ， 故 風 力 發(fā) 電 機 組 一 般 都 在 主 軸 與發(fā) 電 機 之 間 安 裝 有 增 速 傳 動 機 構 。 風 力 機 的 傳 動 機構 一 般 包 括 低 速 軸 、 高 速 軸 、 齒 輪 箱 、 聯(lián) 軸 節(jié) 和 制動 器 等 。 風 力 發(fā) 電

12、機 組 中 的 齒 輪 箱 也 稱 為 增 速 箱 。n 齒 輪 箱 的 主 要 功 能 就 是 將 風 輪 在 風 力 作 用 下 所 產生 的 動 力 傳 遞 給 發(fā) 電 機 并 使 其 得 到 相 應 轉 速 。 齒 輪箱 對 于 大 型 風 力 發(fā) 電 機 ， 由 于 限 制 其 轉 速 ， 傳 動裝 置 的 增 速 比 一 般 為 4050。 這 樣 ， 可 以 降 低 發(fā)電 機 重 量 ， 從 而 降 低 成 本 。 5、 偏 航 系 統(tǒng) 用 來 調 整 風 力 機 的 風 輪 葉 片 旋 轉 平 而 與 空 氣 流 動 方向 相 對 位 置 的 機 構 。 因 為 當 風 輪 葉

13、 片 旋 轉 平 面 與 氣流 方 向 垂 直 時 ， 也 即 是 迎 著 風 向 時 ， 風 力 機 從 流 動的 空 氣 中 獲 取 的 能 量 最 大 ， 因 而 風 力 機 的 輸 出 功 率最 大 ， 所 以 調 向 機 構 又 稱 為 迎 風 機 構 (通 稱 偏 航 系統(tǒng) )。 整 個 偏 航 系 統(tǒng) 由 電 動 機 及 減 速 機 構 、 偏 航 調節(jié) 系 統(tǒng) 和 扭 纜 保 護 裝 置 等 部 分 組 成 。 偏 導 航 系 統(tǒng) 的 作 用n 偏 航 系 統(tǒng) 的 主 要 作 用 有 兩 個 ： 1) 與 風 力 發(fā) 電 機 組 的 控 制 系 統(tǒng) 相 互 配 合 ， 使 風

14、發(fā)電 機 組 的 風 輪 始 終 處 于 迎 風 狀 態(tài) ， 充 分 利 用 風 能 ，提 高 風 力 發(fā) 電 機 組 的 發(fā) 電 效 率 ； 2) 提 供 必 要 的 鎖 緊 力 矩 ， 以 保 障 風 力 發(fā) 電 機 組 的 安全 運 行 。 （ 四 ） 發(fā) 電 機n 發(fā) 電 機 的 作 用 ， 是 利 用 電 磁 感 應 現(xiàn) 象 把 由 風 輪 輸出 的 機 械 能 轉 變 為 電 能 。n 發(fā) 電 機 有 基 本 類 型 ： 普 通 異 步 風 力 發(fā) 電 機 組 雙 饋 異 步 風 力 發(fā) 電 機 組 直 驅 式 同 步 風 力 發(fā) 電 機 組 （ 含 永 磁 發(fā) 電 機 和 直 流

15、勵 磁 發(fā) 電 機 ） 混 合 式 風 力 發(fā) 電 機 組 1、 普 通 異 步 風 力 發(fā) 電 機 組技 術 特 點 ：1、 葉 輪 轉 速 較 低 ， 一 般 為 每 分 鐘 十 幾 轉 ， 需 要 齒 輪箱 增 速 ，轉 子 繞 組 短 路 ， 結 構 一 般 為 鼠 籠 結 構 ；2、 轉 子 轉 速 固 定 ， 風 能 利 用 率 低 ， 其 轉 速 由 齒 輪 箱傳 動 比 和 發(fā) 電 機 極 對 數(shù) 決 定 ；3、 轉 子 電 流 產 生 的 旋 轉 磁 場 的 轉 速 高 于 同 步 速 運 行 ；4、 發(fā) 電 機 定 子 直 接 與 電 網(wǎng) 連 接 ， 啟 動 時 產 生 很

16、 大 啟動 電 流 ， 其 配 置 啟 動 裝 置 。5、 從 系 統(tǒng) 吸 收 大 量 無 功 ， 需 配 置 無 功 補 償 裝 置 。結 構 簡 單 ， 控 制 方 便 。 2、 雙 饋 式 異 步 風 力 發(fā) 電 機 組技 術 特 點 ：1、 葉 輪 轉 速 較 低 ， 一 般 為 每 分 鐘 十 幾 轉 ，需 要 齒 輪 箱 增 速 ；2、 轉 子 繞 組 通 過 電 滑 環(huán) 或 采 用 繞 線 結 構與 電 力 電 子 換 流 裝 置 連 接 ； 3、 通 過 電 力 電 子 換 流 裝 置 的 控 制 作 用 ， 可 以 調 節(jié) 控制 發(fā) 電 機 轉 子 電 流 和 電 磁 轉 矩

17、 ， 從 而 使 轉 子 轉 速可 隨 風 速 的 變 化 而 改 變 ， 使 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 獲 得 最大 風 能 捕 獲 效 率 ， 風 能 利 用 率 高 ；4、 在 低 風 速 時 ， 發(fā) 電 機 轉 子 低 于 同 步 速 運 行 ， 發(fā) 電機 轉 子 繞 組 通 過 換 流 器 向 發(fā) 電 機 饋 入 勵 磁 功 率 ；在 高 風 速 時 ， 發(fā) 電 機 轉 子 高 于 同 步 速 運 行 ， 發(fā) 電機 轉 子 繞 組 向 換 流 器 輸 出 勵 磁 功 率 ；5、 直 接 與 電 網(wǎng) 連 接 ， 由 于 轉 子 電 流 可 控 ， 因 此 可 以實 現(xiàn) 風 力 發(fā) 電 機

18、 平 滑 并 網(wǎng) 。 3、 直 驅 式 同 步 風 力 發(fā) 電 機 組 技 術 特 點 ：1） 葉 輪 轉 速 較 低 ， 一 般 為 每 分 鐘 十 幾 轉 ， 轉子 繞 組 通 過 增 加 極 對 數(shù) 來 降 低 同 步 轉 速 ， 從 而避 免 了 齒 輪 箱 損 耗 ；2） 同 步 電 機 勵 磁 系 統(tǒng) 可 采 用 直 流 電 勵 磁 或 永磁 體 勵 磁 方 式 ， 由 于 轉 子 極 對 數(shù) 較 多 ， 電 機 外尺 寸 較 大 且 較 重 ， 不 方 便 運 輸 和 吊 裝 。 3） 對 于 直 流 電 勵 磁 方 式 的 同 步 電 機 ， 轉 子 轉 速 的 調節(jié) 可 以

19、通 過 控 制 勵 磁 電 流 的 大 小 來 控 制 電 磁 轉 矩 ，從 而 使 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 獲 得 最 大 風 能 捕 獲 效 率 ； 對 于永 磁 同 步 電 機 ， 可 以 通 過 調 節(jié) 直 流 電 壓 的 方 式 來 控制 電 磁 轉 矩 ， 從 而 使 風 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 獲 得 最 大 風 能 捕獲 效 率 ， 風 能 利 用 率 高 ；4） 對 于 直 流 勵 磁 方 式 的 同 步 電 機 ， 勵 磁 損 耗 較 小 ；對 于 永 磁 同 步 電 機 ， 則 存 在 永 磁 材 料 的 消 磁 現(xiàn) 象 。5） 通 過 電 力 電 子 換 流 器 與 電 網(wǎng)

20、 連 接 ， 吸 收 或 輸 出 功率 可 調 ， 因 此 可 以 實 現(xiàn) 風 力 發(fā) 電 機 平 滑 并 網(wǎng) 。6） 電 網(wǎng) 側 換 流 器 采 用 空 間 矢 量 控 制 技 術 ， 可 以 實 現(xiàn)發(fā) 電 機 有 功 功 率 和 無 功 功 率 的 解 藕 控 制 ， 能 夠 獨 立調 節(jié) 發(fā) 電 機 向 系 統(tǒng) 吸 收 或 發(fā) 出 無 功 。 結 構 、 控 制 系統(tǒng) 復 雜 。 以 上 風 電 機 組 優(yōu) 缺 點 比 較 表風 電 機 組 類 型 優(yōu) 點 缺 點 普 通 異 步 風 力發(fā) 電 機 組 結 構 簡 單 ， 控 制 方 便 1、 采 用 齒 輪 箱 ， 故 障 率 高 ，

21、維 護 困 難 ；2、 風 能 利 用 率 低 ；3、 啟 動 電 流 大 ， 需 配 置 啟 動 裝 置 ；4、 消 耗 大 量 無 功 ， 需 要 從 電 網(wǎng) 輸 入 無 功 ；雙 饋 異 步 風 力發(fā) 電 機 組 1、 可 以 實 現(xiàn) 變 速 運 行 ， 獲 得 最 大風 能 利 用 率 ；2、 輸 出 電 流 可 控 ， 無 需 啟 動 裝 置 ；3、 可 以 吸 收 或 發(fā) 出 無 功 ； 1、 采 用 齒 輪 箱 ， 故 障 率 高 ， 維 護 困 難 ；2、 有 勵 磁 功 率 損 耗 ；3、 結 構 復 雜 ， 控 制 系 統(tǒng) 復 雜 ； 永 磁 同 步 風 力發(fā) 電 機 組

22、1、 可 以 實 現(xiàn) 變 速 運 行 ， 獲 得 最 大風 能 利 用 率 ；2、 輸 出 電 流 可 控 ， 無 需 啟 動 裝 置 ；3、 可 以 吸 收 或 發(fā) 出 無 功 ；4、 無 勵 磁 功 率 損 耗 ； 1、 電 機 體 積 大 、 重 量 大2、 采 用 全 功 率 電 力 電 子 設 備 ， 價 格 稍 貴 ；3、 結 構 復 雜 ， 控 制 系 統(tǒng) 復 雜 ；4、 永 磁 體 有 消 磁 現(xiàn) 象 直 流 勵 磁 同 步風 力 發(fā) 電 機 組 1、 可 以 實 現(xiàn) 變 速 運 行 ， 獲 得 最 大風 能 利 用 率 ；2、 輸 出 電 流 可 控 ， 無 需 啟 動 裝

23、置 ；3、 可 以 吸 收 或 發(fā) 出 無 功 1、 電 機 體 積 大 、 重 量 大2、 采 用 全 功 率 電 力 電 子 設 備 ， 價 格 稍 貴 ；3、 有 勵 磁 功 率 損 耗 ；4、 結 構 復 雜 ， 控 制 系 統(tǒng) 復 雜 ； 雙 饋 、 永 磁 和 直 流 勵 磁 風 力 發(fā) 電 機 外 觀 圖雙 饋 風 力 發(fā) 電 機 外 觀 特 點 ： 機 艙 細 長 直 驅 永 磁 風 力 發(fā) 電 機外 觀 特 點 ： 機 艙 短 粗 直 流 勵 磁 風 力 發(fā) 電 機外 觀 特 點 ： 機 艙 臃 腫 （ 四 ） 控 制 系 統(tǒng) 主 要 功 能1） 按 預 先 設 定 的 風

24、速 值 (一 般 為 34m s)自 動 啟 動 風 力發(fā) 電 機 組 ， 并 通 過 軟 啟 動 裝 置 將 異 步 發(fā) 電 機 并 人 電 網(wǎng) 。2） 借 助 各 種 傳 感 器 自 動 檢 測 風 力 發(fā) 電 機 組 的 運 行 參 數(shù) 及狀 態(tài) ， 包 括 風 速 、 風 向 、 風 力 機 風 輪 轉 速 、 發(fā) 電 機 轉速 、 發(fā) 電 機 溫 升 、 發(fā) 電 機 輸 出 功 率 、 功 率 因 數(shù) 、 電 壓 、電 流 等 以 從 齒 輪 箱 軸 承 的 油 溫 、 液 壓 系 統(tǒng) 的 油 壓 等 。3） 當 風 速 大 干 最 大 運 行 速 度 (一 般 設 定 為 25m

25、s)時 實 現(xiàn)自 動 停 機 。4） 故 障 保 護 。5） 通 過 光 纜 或 電 話 線 互 相 連 接 。 風 機 控 制 方 式 及 內 容n 一 個 完 整 的 風 力 發(fā) 電 機 組 通 常 由 風 輪 、 增 速 齒 輪箱 、 風 力 發(fā) 電 機 、 機 座 、 塔 架 、 調 速 器 、 調 向 器 、停 車 制 動 器 、 控 制 系 統(tǒng) 等 構 成 ， 為 使 風 力 機 組 能夠 穩(wěn) 定 運 行 ， 必 須 對 其 進 行 有 效 的 控 制 。 考 慮 到風 力 發(fā) 電 機 組 的 特 殊 性 ， 按 重 要 性 的 順 序 ， 控 制器 應 依 次 滿 足 以 下 要

26、 求 ：1） 風 能 轉 換 系 統(tǒng) 是 穩(wěn) 定 的 ；2） 運 行 過 程 中 ， 在 各 種 不 確 定 的 的 因 素 如 陣 風 、剪 切 風 、 負 載 變 化 作 用 下 具 有 魯 棒 性 ；3） 控 制 代 價 小 ， 即 對 不 同 輸 入 信 號 的 幅 值 有 一定 限 制 ， 如 調 向 的 時 間 等 ； 4） 最 大 限 度 地 將 風 能 轉 換 為 電 能 ， 即 在 額 定 風 速 以下 ， 可 能 使 發(fā) 電 機 在 每 一 種 風 速 時 ， 輸 出 的 電 功 率 達到 最 大 ， 額 定 風 速 以 上 時 則 保 持 輸 出 電 功 率 為 常 量

27、； 5） 風 力 發(fā) 電 機 輸 出 的 電 功 率 保 持 恒 壓 恒 頻 ， 有 較 高的 電 能 品 質 質 量 。n 風 力 發(fā) 電 機 組 控 制 目 標 有 很 多 項 ， 控 制 方 法 多 種 多樣 ， 按 控 制 對 象 劃 分 大 致 可 分 為 偏 航 系 統(tǒng) 、 發(fā) 電 機并 網(wǎng) 控 制 系 統(tǒng) 、 發(fā) 電 機 功 率 控 制 系 統(tǒng) 、 電 容 器 控 制系 統(tǒng) 等 等 ， 其 中 兩 個 核 心 問 題 是 ： 風 能 的 最 大 捕 獲以 提 高 風 能 轉 換 效 率 以 及 改 善 電 能 質 量 問 題 。 由 風力 機 最 大 風 能 捕 獲 的 運 行

28、原 理 可 知 ， 若 風 速 越 高 ，則 與 之 相 對 應 的 風 力 機 轉 速 越 高 。 但 受 風 電 機 組 轉速 極 限 、 功 率 極 限 等 限 制 ， 風 力 機 轉 速 不 可 能 太 高 。 n 因 此 ， 為 實 現(xiàn) 最 大 風 能 捕 獲 ， 風 力 機 有 三 種 典 型的 運 行 狀 態(tài) ： 低 風 速 段 實 行 變 速 運 行 ， 可 保 持一 個 恒 定 的 風 能 利 用 系 數(shù) Cp值 ， 根 據(jù) 風 速 變 化 控制 風 力 機 轉 速 ， 使 葉 尖 速 比 不 變 ， 直 到 轉 速 達 到極 限 ； 轉 速 達 到 極 限 后 ， 風 速

29、進 一 步 加 大 時 ，按 恒 定 轉 速 控 制 風 力 機 運 行 ， 直 到 輸 出 最 大 功 率 ，此 時 的 風 能 Cp不 一 定 是 最 大 值 ； 超 過 額 定 風 速時 ， 輸 出 功 率 達 到 極 限 ， 按 恒 功 率 輸 出 調 節(jié) 風 力機 。 （ 五 ） 風 的 能 量 與 測 量產 生 能 量 的 基 本 要 素 ： 風 具 有 一 定 的 質量 和 速 度 。風 能 的 一 些 主 要 特 性 參 數(shù) ： 如 風 能 、 風 能 密度 、 風 速 與 風 級 、 風 向 與 風 頻 以 及 風 的 測 量 等 。1） 風 能 ： 空 氣 運 動 產 生

30、的 動 能 稱 為 “ 風 能 ” 。2） 風 能 密 度 ： 單 位 時 間 內 通 過 單 位 截 面 積 的 風能 。 3） 風 速 與 風 級 ： 風 速 就 是 空 氣 在 單 位 時 間 內 移 動的 距 離 ， 國 際 上 的 單 位 是 米 秒 (m/s)或 千 米 小時 (km h)。 分 13級4） 風 向 與 風 頻 ： 通 常 把 風 吹 來 的 地 平 方 向 定 為 風的 方 向 ， 即 風 向 。 風 頻 是 指 風 向 的 頻 率 ， 即 在 一定 時 間 內 某 風 向 出 現(xiàn) 的 次 數(shù) 占 各 風 向 出 現(xiàn) 總 次 數(shù)的 百 分 比 ，5） 風 的 測

31、量 ： 風 的 測 量 儀 器 主 要 有 風 向 器 、 杯 形風 速 器 和 三 杯 輕 便 風 向 風 速 表 等 。 1、 風 中 的 能 量風 中 蘊 含 的 能 量 是 動 能 ， 故P=1/2AV3n 可 用 風 能 與 風 速 的 立 方 成 正 比 ， 風 速 的 輕 微 增 加會 導 致 功 率 的 顯 著 增 加n 風 力 與 海 平 面 1.225kg/m3處 的 空 氣 比 重 成 正 比n 風 能 還 受 氣 壓 及 溫 度 的 影 響 （ 大 約 10-15%）n 風 能 還 與 葉 輪 掃 略 面 積 成 正 比 2、風力機的主要特性系數(shù)1） 功 率 系 數(shù) （

32、 Cp）描 述 風 機 將 風 能 轉換 為 機 械 能 的 效 率2）葉尖速比為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風速比來衡量，稱葉尖速比 vRn 2 其 中：R 葉 輪 的 半 徑 ，n 葉 輪 的 機 械 轉 的 圈 數(shù) ，V 作 用 于 風 力 機 的 迎 面 風速 。 輸 入 的 風 能 可 能 提 取 的 風 能pC風 中 的 能 量 無 法 全 部 被 風 機轉 換 ， 其 理 論 最 高 限 度 Cp（ max） =0.593， 通 常 被 稱為 貝 茨 因 數(shù) 。 3、 葉 尖 速 比 的 影 響n 風 能 利 用 系 數(shù)Cp與 風 力 機 葉尖 速 比 的 對

33、應關 系 ： 4、 風 輪 的 功 率 輸 出n 風 力 機 采 集 風 能 的 基 本 計 算 公 式P=(Cp v3 A)/2其 中 ，Cp為 風 能 利 用 系 數(shù) （ Power Coefficient） ， 表 示 風機 捕 獲 風 能 的 能 力 ， Cp = Pcapture / Pwind為 空 氣 密 度 (kg/m3)， 與 海 拔 、 水 汽 壓 （ 即 濕 度 ）v為 風 速 (m/s)， 通 常 按 輪 轂 高 度 處 風 速 計 算A為 葉 輪 掃 風 面 積 (m 2)， 5、 風 力 機 的 頻 率 和 電 壓 控 制n 交 流 發(fā) 電 機 中 的 繞 組通 過

34、 交 變 磁 極 產 生 交流 電 。 交 流 電 的 頻 率由 發(fā) 電 機 轉 速 決 定 ：其 中 p 發(fā) 電 機 的 磁 極 對 數(shù) ，n 發(fā) 電 機 的 轉 速 ，f 交 流 電 的 頻 率 。 （ 六 ）風 力 發(fā) 電 機 組 分 為 定 槳 距 與 變 槳 距 機 組 。n 定 槳 距 風 力 發(fā) 電 機 組 的 功 率 調 節(jié) 完 全 依 靠 葉 片 的氣 動 特 性 。 這 種 機 組 的 輸 出 功 率 隨 風 速 的 變 化 而變 化 ， 當 風 速 超 過 額 定 風 速 時 ， 通 過 葉 片 的 失 速或 偏 航 控 制 降 低 風 能 轉 換 系 數(shù) Cp， 從 而

35、 維 持 功 率恒 定 。n 變 槳 距 變 速 調 節(jié) 型 變 槳 距 機 組 為 了 盡 可 能 提 高 風力 機 風 能 轉 換 效 率 和 保 證 風 力 機 輸 出 功 率 平 穩(wěn) ，風 力 機 可 由 輪 轂 艙 內 葉 片 根 部 的 液 壓 裝 置 或 電 動機 構 進 行 槳 距 調 整 。 變 槳 距 風 力 發(fā) 電 機 組 的 功 率調 節(jié) 不 完 全 依 靠 葉 片 的 氣 動 特 性 ， 它 要 依 靠 與 葉片 相 匹 配 的 葉 片 攻 角 改 變 來 進 行 調 節(jié) 。 1、 定 槳 距 失 速 調 節(jié) 型 機 組n 一 般 用 同 步 電 機 或 者 鼠 籠

36、式 異 步 電 機 通 過 定 槳 距 失 速 控 制 的 風 輪 機 使 發(fā) 電 機 的轉 速 保 持 在 恒 定 的 數(shù) 值 。n 繼 而 使 風 電 機 并 網(wǎng) 后 定 子 磁 場 旋 轉 頻 率 等于 電 網(wǎng) 頻 率 轉 子 、 葉 輪 的 變 化 范 圍 小 ， 捕獲 風 能 的 效 率 低 。 2、 變 槳 距 變 速 調 節(jié) 型 機 組n 一 般 采 用 雙 饋 電 機 或 者 永 磁 同 步 電 機 通 過 調 速 器 和 變 槳 距 控 制 相 結 合 的 方 法 使 葉 輪 轉 速 可 以 跟 隨 風 速 的 變 化 在 很 寬 的 范 圍 內 變 化 ， 保持 最 佳 葉

37、 尖 速 比 運 行 ， 從 而 使 風 能 利 用 系 數(shù) 在 很大 的 風 速 變 化 范 圍 內 均 能 保 持 最 大 值 ， 能 量 捕 獲效 率 最 大 。n 發(fā) 電 機 發(fā) 出 的 電 能 通 過 變 流 器 調 節(jié) ， 變 成 與 電 網(wǎng) 同 頻 、 同 相 、 同 幅 的 電 能 輸 送 到 電 網(wǎng) 。 3、 變 槳 變 速 風 電 機 組 的 動 力 驅 動n 目 前 流 行 的 變 速 變 槳 風 電 機 組 的 動 力 驅 動 系 統(tǒng) 主要 有 兩 種 方 案 ： 1） 升 速 齒 輪 箱 繞 線 式 異 步 電 動 機 雙 饋 變 流 器 。 2） 無 齒 輪 箱 的

38、 直 接 驅 動 低 速 永 磁 發(fā) 電 機 全 功 率 變流 器 。n 兩 個 方 案 各 有 優(yōu) 缺 點 ： 1） 前 者 采 用 高 速 電 機 ， 體 積 小 ， 重 量 輕 ， 雙 饋變 流 器 的 容 量 僅 與 電 機 的 轉 差 容 量 相 關 ， 效 率 高 、價 格 低 廉 ， 缺 點 是 升 速 齒 輪 箱 價 格 貴 ， 噪 音 大 、易 疲 勞 損 壞 。 2) 后 者 無 齒 輪 箱 ， 可 靠 性 高 ， 但 采 用 低 速 永 磁電 機 ， 體 積 大 ， 造 價 高 ， 變 流 器 需 要 全 功 率 ， 成本 提 高 。 變 速 恒 頻 方 式 一 ： 永 磁 同 步 直 驅變 流 器 將 風 電 機 組 定 子 能 量 輸 出 到 系 統(tǒng)變 流 器 容 量 等 于 風 電 機 組 容 量 變 速 恒 頻 方 式 二 ： 變 流 勵 磁 雙 饋 變 流 器 連 接 風 電 機 組 專 子 ， 交 換 轉 差 功 率 變 流 器 容 量 為 風 電 機 組 容 量 的 1/31/2 就 到 這 里 吧 。 休 息 ， 休 息 一 下 ！