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风力发电原理

作者:AG九游会老哥俱乐部 发布时间:2020-08-14 19:15 点击数:

  风力发电原理_工学_高等教育_教育专区。风力发电原理 主讲:王老师 风力发电的原理:是利 用风力带动风车叶片旋 转,再透过增速机将旋 转的速度提升,来促使 发电机发电。简单的说 风力发电就是将风能转 换为机械能进而将机械 能再转换为电能

  风力发电原理 主讲:王老师 风力发电的原理:是利 用风力带动风车叶片旋 转,再透过增速机将旋 转的速度提升,来促使 发电机发电。简单的说 风力发电就是将风能转 换为机械能进而将机械 能再转换为电能的过程。 ? 现代风力发电机采用空 气动力学原 理 ,就像 飞机的机翼一样。 ? 风并非 推 动风轮叶片,而是吹过叶片形成叶 片正反面的压差,这种压差会产生升力,令风轮旋转 并不断横切风流 。 ? 依据目前的风车技术,大约是每秒三公尺 的微风速度(微风的程度),便可以开始 发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮, 为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐 射或空气污染。 (一)风力发电设备 组成:风力发电机组包括两大部分; 一部分是风力机,由它将风能转换为机械能; 另一部分是发电机,由它将机械能转换为电能。 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。 1、风力机的主要技术指标参数 ①风轮直径,通常风力机的功率越大,直径 越大; ②叶片数目,高速发电用风力机为2—4片, 低速风力机大干4片; ③叶片材料,现代常采用高强度低密度的复 合材料; ④风能利用系数,一般为0.15—0.5之间; ⑤启动风速,一般为3—5m/s; ⑥停机风速,通常为15—35m/s; ⑦输出功率,现代风力机一般为几百干 瓦—几兆瓦; ⑧发电机,分为直流发电机和交流发电 机; ⑨另外还有塔架高度等等。 2、水平轴力风机 特点:风力机的风轮轴与地面呈水平状态,称水平 轴风力机。 组成:它一般内风轮增速器、调速器、调向装置、 发电机和塔架等部件组成,大中型风力机还有自 动控制系统。 应用:这种风力机的功率从几十千瓦到数兆瓦,是 日前最具有实际开发价值的风力机: ? 类型:有传统风车、低速风力机及高速风力机 水平轴力风机图 3、垂直轴风力机 特点:凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力 机叫垂直抽风力机。 形式有:如s型、H型、Ф型等。 应用:虽然目前垂直轴风力机尚未大量商品 化,但是它有许多特点,如不需大型塔架、 发电机可安装在地面上、维修方便及叶片 制造简便等,研究日趋增多,各种形式不 断出现。各种形式的垂直轴风力机。 Ф型风力机图 (二)风力发电系统 ? ? ? ? 从外部看,整个风力发电机组 看上去只有三个主要部分:风 轮、机舱和塔架。 发电机、传动系统、控制系统 等都集成在机舱内。 机舱除了承担容纳所有机械部 件的功能,还起到承受所有外 力( 包括静负载及动负载) 的作用。 机舱底盘和塔架之间有回转体, 使机舱可水平转动。 机组的总体结构 机组的总体结构图: 风轮 增速器 发电机 主继电器 电网 风 主开关 变压器 熔断器 转速 晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速 控 制 系 统 无功补偿 (三)风力发电机主要组成部分介绍 1、风轮 风力机区别于其他机械的最主 要特征就是风轮。风轮一般由 2~3个叶片和轮毂所组成,其 功能是将风能转换为机械能。 由于风力发电机的理论基础也 是空气动力学,故其叶片形状 与机翼很相似。风经过水平轴 风力发电机的叶片时由于叶片 与风有一个夹角,风在叶片上 形成升力,风力发电机就是依 靠叶片上的升力把风能转换为 旋转的机械能,从而带动发电 机进行发电的。 2、塔架 ? 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量,还要承 受吹向风力机和塔架的风压,以及风力机运行中 的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。 水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁 架型两类。 一般圆柱形塔架对风的阻力较小,特别是对于下 风向风力机,产生紊流的影响要比桁架式塔架小。 桁架式塔架常用于中小型风力机上,其优点是造 价不高,运输也方便。但这种塔架会使下风向风 力机的叶片产生很大的紊流。 ? 管柱型和桁架型如图: 3、机舱 4、齿轮箱 ? ? 对于容量较大的风电机组,因风轮转速很低,远达 不到发电机发电的要求,往往通过齿轮箱的增速作 用来实现。而并网运行的发电机必须要求再同步转 速左右才能运行,故风力发电机组一般都在主轴与 发电机之间安装有增速传动机构。风力机的传动机 构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制 动器等。 风力发电机组中的齿轮箱也称为增速箱。 齿轮箱的主要功能就是将风轮在风力作用下所产 生的动力传递给发电机并使其得到相应转速。齿轮 箱 对于大型风力发电机,由于限制其转速,传动 装置的增速比一般为40—50。 这样,可以降低发 电机重量,从而降低成本。 5、偏航系统 用来调整风力机的风轮叶片旋转平而与空气流动方 向相对位置的机构。因为当风轮叶片旋转平面与气 流方向垂直时,也即是迎着风向时,风力机从流动 的空气中获取的能量最大,因而风力机的输出功率 最大,所以调向机构又称为迎风机构(通称偏航系 统)。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调 节系统和扭缆保护装置等部分组成。 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。 发电机有基本类型: 普通异步风力发电机组 双馈异步风力发电机组 直驱式同步风力发电机组(含永磁发电机和直流 励磁发电机) 混合式风力发电机组 1、普通异步风力发电机组 技术特点: 1、叶轮转速较低,一般为每分钟十几转,需要齿轮 箱增速, 转子绕组短路,结构一般为鼠笼结构; 2、转子转速固定,风能利用率低,其转速由齿轮箱 传动比和发电机极对数决定; 3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行; 4、发电机定子直接与电网连接,启动时产生很大启 动电流,其配置启动装置。 5、从系统吸收大量无功,需配置无功补偿装置。 结构简单,控制方便。 2、双馈式异步风力发电机组 技术特点: 1、叶轮转速较低,一般为每分钟十几转, 需要齿轮箱增速; 2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构 与电力电子换流装置连接; 3、通过电力电子换流装置的控制作用,可以调节控 制发电机转子电流和电磁转矩,从而使转子转速 可随风速的变化而改变,使风力发电系统获得最 大风能捕获效率,风能利用率高; 4、在低风速时,发电机转子低于同步速运行,发电 机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率; 在高风速时,发电机转子高于同步速运行,发电 机转子绕组向换流器输出励磁功率; 5、直接与电网连接,由于转子电流可控,因此可以 实现风力发电机平滑并网。 3、直驱式同步风力发电机组 技术特点: 1)叶轮转速较低,一般为每分钟十几转,转 子绕组通过增加极对数来降低同步转速,从而 避免了齿轮箱损耗; 2)同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永 磁体励磁方式,由于转子极对数较多,电机外 尺寸较大且较重,不方便运输和吊装。 3)对于直流电励磁方式的同步电机,转子转速的调 节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩, 从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率;对于 永磁同步电机,可以通过调节直流电压的方式来控 制电磁转矩,从而使风力发电系统获得最大风能捕 获效率,风能利用率高; 4)对于直流励磁方式的同步电机,励磁损耗较小; 对于永磁同步电机,则存在永磁材料的消磁现象。 5)通过电力电子换流器与电网连接,吸收或输出功 率可调,因此可以实现风力发电机平滑并网。 6)电网侧换流器采用空间矢量控制技术,可以实现 发电机有功功率和无功功率的解藕控制,能够独立 调节发电机向系统吸收或发出无功。结构、控制系 统复杂。 以上风电机组优缺点比较表 风电机组类型 普通异步风力 发电机组 优点 结构简单,控制方便 缺点 1、采用齿轮箱,故障率高,维护困难; 2、风能利用率低; 3、启动电流大,需配置启动装置; 4、消耗大量无功,需要从电网输入无功; 双馈异步风力 发电机组 1、可以实现变速运行,获得最大 1、采用齿轮箱,故障率高,维护困难; 风能利用率; 2、有励磁功率损耗; 2、输出电流可控,无需启动装置; 3、结构复杂,控制系统复杂; 3、可以吸收或发出无功; 永磁同步风力 发电机组 1、可以实现变速运行,获得最大 风能利用率; 2、输出电流可控,无需启动装置; 3、可以吸收或发出无功; 4、无励磁功率损耗; 1、可以实现变速运行,获得最大 风能利用率; 2、输出电流可控,无需启动装置; 3、可以吸收或发出无功 1、电机体积大、重量大 2、采用全功率电力电子设备,价格稍贵; 3、结构复杂,控制系统复杂; 4、永磁体有消磁现象 直流励磁同步 风力发电机组 1、电机体积大、重量大 2、采用全功率电力电子设备,价格稍贵; 3、有励磁功率损耗; 4、结构复杂,控制系统复杂; 双馈、永磁和直流励磁 风力发电机外观图 双馈风力发电机 外观特点:机舱细长 直驱永磁风力发电机 外观特点:机舱短粗 直流励磁风力发电机 外观特点:机舱臃肿 (四)控制系统主要功能 1)按预先设定的风速值(一般为3—4m/s)自动启动风力 发电机组,并通过软启动装置将异步发电机并人电网。 2)借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及 状态,包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转 速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、 电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。 3)当风速大干最大运行速度(一般设定为25m/s)时实现 自动停机。 4)故障保护。 5)通过光缆或电话线互相连接。 风机控制方式及内容 ? 一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮 箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、 停车制动器、控制系统等构成,为使风力机组能 够稳定运行,必须对其进行有效的控制。考虑到 风力发电机组的特殊性,按重要性的顺序,控制 器应依次满足以下要求: 1)风能转换系统是稳定的; 2)运行过程中,在各种不确定的的因素如阵风、 剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性; 3)控制代价小,即对不同输入信号的幅值有一 定限制,如调向的时间等; 4)最大限度地将风能转换为电能,即在额定风速以 下,可能使发电机在每一种风速时,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。 ? 因此,为实现最大风能捕获,风力机有三种典型 的运行状态:① 低风速段实行变速运行,可保持 一个恒定的风能利用系数Cp值,根据风速变化控 制风力机转速,使叶尖速比λ不变,直到转速达到 极限;② 转速达到极限后,风速进一步加大时, 按恒定转速控制风力机运行,直到输出最大功率, 此时的风能Cp不一定是最大值;③ 超过额定风速 时,输出功率达到极限,按恒功率输出调节风力 机。 (五)风的能量与测量 产生能量的基本要素: 风具有一定的质 量和速度。 风能的一些主要特性参数:如风能、风能密 度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。 1)风能:空气运动产生的动能称为“风能”。 2)风能密度:单位时间内通过单位截面积的风 能。 3)风速与风级:风速就是空气在单位时间内移动 的距离,国际上的单位是米/秒(m/s)或千米/小 时(km/h)。分13级 4)风向与风频:通常把风吹来的地平方向定为风 的方向,即风向。风频是指风向的频率,即在一 定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数 的百分比, 5)风的测量:风的测量仪器主要有风向器、杯形 风速器和三杯轻便风向风速表等。 1、风中的能量 风中蕴含的能量是动能,故 P=1/2ρAV3 ? ? ? ? 可用风能与风速的立方成正比,风速的轻微增加 会导致功率的显著增加 风力与海平面1.225kg/m3处的空气比重成正比 风能还受气压及温度的影响(大约10-15%) 风能还与叶轮扫略面积成正比 2、风力机的主要特性系数 1)功率系数(Cp) C ? 可能提取的风能 p 输入的风能 描述风机将风能转 换为机械能的效率 风中的能量无法全部被风机 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 转换,其理论最高限度Cp (max)=0.593,通常被称 为贝茨因数。 其中:R 叶轮的半径, n 叶轮的机械转的圈数, V 作用于风力机的迎面风 速。 2?Rn ?? v 3、叶尖速比的影响 ? 风能利用系数 Cp与风力机叶 尖速比λ的对应 关系: 4、风轮的功率输出 ? 风力机采集风能的基本计算公式 P=(Cp×ρ×v3×A)/2 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 ρ为空气密度(kg/m3),与海拔、水汽压(即湿度) v为风速(m/s),通常按轮毂高度处风速计算 A为叶轮扫风面积(m2), 5、风力机的频率和电压控制 ? 交流发电机中的绕组 通过交变磁极产生交 流电。交流电的频率 由发电机转速决定: 其中p 发电机的磁极对数, n 发电机的转速, f 交流电的频率。 (六) 风力发电机组分为定桨距与变桨距机组。 ? ? 定桨距风力发电机组的功率调节完全依靠叶片的 气动特性。这种机组的输出功率随风速的变化而 变化,当风速超过额定风速时,通过叶片的失速 或偏航控制降低风能转换系数Cp,从而维持功率 恒定。 变桨距变速调节型变桨距机组为了尽可能提高风 力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳, 风力机可由轮毂舱内叶片根部的液压装置或电动 机构进行桨距调整。变桨距风力发电机组的功率 调节不完全依靠叶片的气动特性,它要依靠与叶 片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。 1、定桨距失速调节型机组 一般用同步电机或者鼠笼式异步电机 通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的 转速保持在恒定的数值。 ? 继而使风电机并网后定子磁场旋转频率等 于电网频率 转子、叶轮的变化范围小,捕 获风能的效率低。 ? 2、变桨距变速调节型机组 一般采用双馈电机或者永磁同步电机 通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转 速可以跟随风速的变化在很宽的范围内变化,保 持最佳叶尖速比运行,从而使风能利用系数在很 大的风速变化范围内均能保持最大值,能量捕获 效率最大。 ? 发电机发出的电能通过变流器调节,变成与电网 同频、同相、同幅的电能输送到电网。 ? 3、变桨变速风电机组的动力驱动 目前流行的变速变桨风电机组的动力驱动系统主 要有两种方案: 1)升速齿轮箱绕线式异步电动机双馈变流器。 2)无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机全功率变 流器。 ? 两个方案各有优缺点: 1)前者采用高速电机,体积小,重量轻,双馈 变流器的容量仅与电机的转差容量相关,效率高、 价格低廉,缺点是升速齿轮箱价格贵,噪音大、 易疲劳损坏。 2) 后者无齿轮箱,可靠性高,但采用低速永磁 电机,体积大, 造价高,变流器需要全功率,成 本提高。 ? 变速恒频方式一:永磁同步直驱 变流器将风电机组定子能量输出到系统 变流器容量等于风电机组容量 变速恒频方式二:变流励磁双馈 变流器连接风电机组专子,交换转差功率 变流器容量为风电机组容量的1/3~1/2 就到这里吧。 休息,休 息一下!


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