第1讲 风力机

第1讲 风力机

风力机是风力发电的原动机，其功能是捕获风能并将其转化为驱动发电机旋转的动能。本讲主要介绍风力机的工作原理，重点内容是风力机的风能捕获原理及其功率调节原理。

2．1 风能转换原理(30mins)

1. 风力机结构简介

轮毂、叶片、塔筒、偏航器等；叶片是风能捕获部件，通常是3片叶片；轮毂是用于安装固定叶片的部件。

2. 风能转换原理

风轮轮毂处风速为V0时，风力机所捕获的能量为：

（2－1）

13Pm?CpPw?Cp?A1v0

2式中：Pw为风能；?为空气密度；A1=?R2为风力机叶片扫过面积（R为叶轮半径）；Cp为风能捕获系数，是表征风力机捕获风能大小的一个量，与风力机的转速(?)、风力机的桨距角(?)等因素有关，其理论最大极限值为0.59。

?

风力机的风能利用系数Cp

物理含义：风力机的风轮能够从自然风能中吸取的能量与风轮扫过面积内未扰动气流所具风能的百分比。

Cp=Pm/(0.5*ρSVw3)

Cp?P风力机输出的机械功率＝m输入风轮面内的风力总功率Pw

理想风力机的风能利用系数Cp 得最大值是0.593。Cp值越大，表示风力机能够从自然界中获取的能量百分比越大，风力机的效率越高，即风力机对风能的利用率越高。

对实际应用的风力机来说，CP主要取决于风轮叶片的气动特性、结构设计和制造工艺水平。Cp=0.45-0.15

?

叶尖速比 (5mins)

为了表示风轮运行速度的快慢，常用叶片的叶尖圆周速度与来流风速之比来描述。

?=?R/Vw

式中：?为风轮旋转角速度（rad/s），R为风轮叶尖半径，V为风速。对于给定风速Vw，当桨距角?为最大受风角度（通过定义为0o）时，当风力机转速为某一特定值时，Cp有一极大值，该风力机转速即为最佳叶尖速(?opt)，最佳叶尖速比?定义为：

?opt?R?opt/Vw

3.2 风力机功率调节原理(30mins)

?

输出功率与风速之间的关系

（2－2）

风力机的实际输出功率受到一些条件的限制。风力机启动时，需要一定的最低扭矩，风力机的启动扭矩必须大于这一最低扭矩。而启动扭矩主要与叶轮安装角和风速有关，因此风力机有一最低工作风速。

当风速超过技术上规定的最高值时，基于安全方面的考虑（主要是塔架安全和风轮强度），风力机应立即停车，所以每一风力机都有规定最高风速。

风力机达到标称功率输出时的风速称为额定风速。

风力机输出功率与风速的三次方成正比，当风速超过额定风速时，风力机输出功率将超过额定值，进而导致发电机组、齿轮传动机构等过载运行，威胁着风力发电系统的安全运行。因此，当风速超过额定风速时，往往需要对风力机的输出功率进行调节，以保证发电机、齿轮箱等设备运行于允许范围内。

调节风力机输出功率的有效途径是调节风能利用系数Cp，而Cp与风力机转速、风力机叶片空气动力特性密切相关，因此，通过调节风力机转速或风力机叶片空气动力特性即可实现风力机输出功率的调节。

1. 定桨距风力机功率调节

定桨距风力机是根据风力机叶片失速特性来调节风力机的输出功率。当风速超过额定风速时，风力机叶片翼型发生变化，使风力机风轮捕获风能的能力下降，保证风力机输出功率不随风速上升而增加，而是使输出功率不超过额定功率。

2. 变桨距风力机功率调节

定桨距风力机是通过调节风力机桨距角?来改变叶片的风能捕获能力，进而调节风力机的输出功率。风力机启动时，调节风力机的桨距角，限制风力机的风能捕获以维持风力机转速恒定，为发电机组的软并网创造条件。

当风速低于额定风速时，保持风力机桨距角恒定，通过发电机调速控制使风力机运行于最佳叶尖速，维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。

风速高于额定风速时，调节风力机桨距角，是风轮叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。

3.3 风力机相关技术参数(30mins)

为了能够准确地描述风力机的运行性能，通常定义如下技术参数：

1. 风速

某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高的10min内风速的平均值为参考。

2. 有效风速

风速随机性很大，并不是所有风速都能使风力发电机的风轮转动，也不是所有风速都能使风轮安全运行。有效风速是指使风力发电机风轮安全转动的风速，有时也称可利用风速。

3. 有效风速范围

把风力发电机风轮能安全运转正常输出功率的风速段称作有效风速范围。设计风力发电机时把起始风速、额定风速和停机风速之间的风速称作有效风速范围。一般设计时常取3~20m/s（也有将6~20m/s）的风速范围为有效风速范围。

4. 有效风速可利用的时间

把一年内有效风速所占的时间称作有效风速可利用时间。如东南沿海的泗礁岛年3~20m/s风速占7000h以上，有效风速时间即7000h以上。

5. 起始风速（切入风速）与停机风速（切出风速）

在低风速下，风力发电机组的风轮虽然可以转动，但由于发电机转子的转速很低，并不能有效地输出电能。当风速上升到切入风速时，风力发电机组才开始发电。随着风速的不断升高，发电机组输出功率不断增加，当风速上升到切出风速，风力发电机组输出功率超过额定功率时，在控制系统的作用下机组停止发电。

因此，切入风速为使风力发电机组开始发电的最小风速；切出风速为风力发电机组输出功率超过额定

功率时的最小风速。

对于不同厂商生产的风电机组，其切入、切出风速不完全相同，切入风速与切出风速之间的风速段称为“工作风速”。

6. 额定风速与额定输出功率

风力发电机组产生额定输出功率时的最低风速，称为额定风速，它是由设计者为机组确定的一个参数。在额定风速下，风力发电机组产生出的功率，称为额定输出功率。

7. 最大输出功率与安全风速

最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时，发电机组可以发出的最高功率值。最大输出功率高，说明风力发电机组的发电机容量具有较大的安全系数。

安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下，所能承受的最大风速。安全风速高，说明该机组强度高，安全性好，一般不要求机组在安全风速下工作。

8. 风能利用系数与整机效率

Cp值高，表示风力机的空气动力性能好，风力机叶片吸收和转换风能的能力强，其理论最大极限值为0.593。

3.4 风力机转速

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