风力发电基础理论

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

风力发电基础理论

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

第一章 风与风力资源概述一、风的产生与特性–产生：风是地球外表大

气层由于太阳的热辐射 而引起的空气流动；大 气压差是风产生的根本 原因。 特性：周期性、多样 性、 复杂性。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

二、风能的利用

按照不同的需要，风能可以被转化成其他不同形式 的能量，如机械能、电能、热能等，以实现提水 灌溉、发电、供热、风帆助航等功能。21世纪风 能利用的主要领域是风力发电。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

三、风能开发的意义 风能是清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。 在所有新能源、可再生能源利用技术中，风力发电 是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方 式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、 保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着 极其重要的意义。大力发展风电，这已经成为世界 上的共识。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

四、风的目测和风力等级风级 0 名称 无风 相应风速(m/s) 0~0.2 表现 零级无风炊烟上

12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

软风轻风 微风 和风 清劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 暴风 飓风

0.3~1.51.6~3.5 3.6~5.4 5.5~7.9 8~10.7 10.8~13.8 13.9~17.1 17.2~20.7 20.8~24.4 24.5~28.4 28.5~32.6 >32.6

一级软风烟稍斜二级轻风树叶响 三级微风树枝晃 四级和风灰尘起 五级清风水起波 六级强风大树摇 七级疾风步难行 八级大风树枝折 九级烈风烟囱毁 十级狂风树根拔 十一级暴风陆罕见 十二级飓风浪涛天

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

第二章 风力机的能量转换过程 一、风能的计算

气流的动能为：

1 E Sv 3 2

在国际单位制中，ρ的单位是kg/m3 ;V 的单位是m3;v的单位是m/s;E的单位 是W。 从风能公式可以看出，风能的大小与 气流密度和通过的面积成正比，与气流 速度的立方成正比。其中ρ和v随地理位 置、海拔、地形等因素而变

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

二、空气密度的确定 在海拔500m以下，取标准大气压下15℃的空气密度1.225进行计算。 超过500m时，需要计及空气密度随高度的变化，可采用下式计算：

1.225(1 0.022557Z ) kg / m4.256 上式适用于海拔高度Z小于11Km的情况 如果需要进行精确计算，则有：式中 ——大气压力，; ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压 力

3

273 p 0.378 ps 1.2931 T 101325式中 ——大气压力，; ——相对湿度； ——绝对温度T时饱和水蒸气的压力

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

四、风力机的特性系数 1.风能利用系数CP 风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利 用率系数CP表示，由式 (2-11)知 P (2-13) CP 1 v 3 S2

式中 P—风力机实际获得的轴功率，单位为W; ρ —空气密度，单位为kg/m3 ; S —风轮的扫风面积，单位为m2 ; v —

上游风速，单位为m/s 。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

三、自由流场中的风轮 风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹(Betz)于1926年建立的。 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。A S1v1 Sv S2v2

B D

风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部 分可以解释为留在尾流中的旋转动。 能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电 机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

2.叶尖速比λ 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆 周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。 (2-14)

2 Rn R v v n—风轮的转速，单位为r/s ; ω—风轮角频率，单位为rad/; R—风轮半径，单位为m; v—上游风速，单位为m/s 。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

第三章 桨叶的几何参数和空气动力特性 一、翼型的几何参数和气流角C

θ0 B lf

A

θ

i

a) b) 图2-2翼型的几何参数和气流角 B点——后缘(Trailing edge); A点——前缘(Leading edge),它是距后缘最远的点； l ——翼型的弦长，是两端点A, B连线方向上翼型的最大长度； C ——最大厚度，即弦长法线方向之翼型最大厚度； f ——翼型中线最大弯 I ——攻角，是来流速度方向与弦线间的夹角； θ0——零升力角，它是弦线与零升力线间的夹角； θ——升力角，来流速度方向与零升力线间的夹角 i=θ+ θ0 (2-15) 此处θ0是负值，θ和i是正值。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

二、作用在运动桨叶上的气动力 按照伯努利理论，桨叶上表面的气流速度较高， 下表面的气流速度则比来流低。因此，围绕桨叶的 流动可看成由两个不同的流动组合而成：一个是将 翼型置于均匀流场中时围绕桨叶的零升力流动，另 一个是空气环绕桨叶表面的流动。而桨叶升力则由 于在桨叶表面上存在一速度环量如图2-3所示。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

为了表示压力沿表面的变化，可作桨叶表面的垂线， 用垂线的长度KP表示各部分压力的大小 p p0 KP 1 2 v (2-16) 2 式中 p——桨叶表面上的静压； ρ、p0 、v——无限远处的来流条件。 连接各垂直线段长度KP的端点，得到图2-4a,其中上 表面KP为负，下表面KP为正。Fl Kp F

A+ a) v i b)

Fd B

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

三、升力和阻力系数的变化曲线 Cl和Cd随攻角的变化， 研究升力系数的变化， 它由直线和曲线两部分 组成。与Clmax对应的 iM点称为失速点，超过 失速点后，升力系数下 降，阻力系数迅速增加。 负攻角时，Cl也呈曲线 形，Cl通过一最低点 Clmin。

Cl Cd

0.8 0.6 0.4 0.2 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Cd Cl

i /(0)_

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

第五章变桨变速型风电机组 变速恒频技术解决机电转换效率低的问题。变速 恒频技术就是将风机的转速做成可变的，并采用 双馈式发电机，通过控制使发电机在任何转速下 都始终工作在最佳状态，机电转换效率达到最高， 输出功率最大，而频率不变。变速恒频风机的特 性曲线

变速恒频风机的优缺点如下： 优点：1.机电转换效率高 缺点：1.电机结构较为复杂； 2.风轮转速和电机控 制较难； 3.增加一套电子变流 设施。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

一、风电机切入、切出风速定义– 事实上，风力机不能获得全部理论上的能量，他受到 其他因素的限制。 – 当风速由零逐渐增加时，仅仅在某一风速——Vm开始 工作风速(Cut-in speed)风力机才开始提供功率；当 风速继续增加到某一确定值——VN额定风速(Rated wind speed)时，风机提供正常功率，超过该值时， 利用调节系统，输出功率将保持常数。如果风速继续 增加达到某一值——VM切断风速(Furling speed or Cut-out speed),处于安全考虑，风力机停止运转 。 – 我国一般规定以3-20m/s的风速称为“有效风速”

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

二、风力发电机组的简单发电原理

风一、风力发电机组的简单发电原理

电

机组

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

风力发电机组(以下简称风力机)是一种将 风能转换为电能的能量转换装置

风

叶轮

传动系

发电机

电

控制系统

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

三、风电机组控制系统的相关定义

控制系统：接受风力发电机组信息和环境信息，调节风 力发电机组，使其保持在工作要求范围内的系统。(解 释：一组程序逻辑保证机组在规定的外部条件下能有效、 安全运行。针对变速恒频机组还要求供电品质和风能转 换效率。) 安全保护系统：确保风力发电机组运行在设计范围内的 系统。当超速、振动、电网故障等外部条件极限值出现 后，保护系统执行安全方案。 外部条件：影响风力发电机组工作的各种外部因素，包 括风况、其他气候因素(温度、雪、冰等)和电网条件。

风能是清洁的可再生能源,取之不尽,用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中,风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。大力发展风电,这已经成为世界上的共识。

四、风电机组控制系统的相关定义 失效(failure):执行某项规定 功能的终结。 失效-安全(fail-safe):设计特 性中的一项，即设备或系统中 个别部件失效时仍能保持设备 或系统的安全。 故障(fault):不能执行某规 定功能的一种特征状态。是功 能项失效的结果。 冗余技术(redundancy):应 用两路器件或系统，用于确保 一路器件或系统失效时，另一 路器件或系统仍能有效地执行 所要求的功能。风轮叶片 风轮轴承 风轮轮毂 齿轮箱 发电机

底座 偏航系统 变频器

变速变桨距风电机组(变速运行、变 桨距调节) 多级增速

齿轮箱+双馈发电机 风轮直接驱动(无齿轮箱)+多极 同步电机(永磁或交流励磁) 混合式(单级增速齿轮箱+多极同 步电机)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ai6j.html