风力发电原理.ppt

风力发电原理一、风力发电机组的类型
二、水平轴风电机组的基本结构
三、风能转化的基本理论
四、风力发电机
1、微型、中小型、大型风电机组
微型：额定功率小于10KW；
中小型：额定功率10~1000KW；
大型：额定功率大于1MW。
2、离网型和并网型风电机组
离网型：单台独立运行，机组容量一般较小，主要运行在没有电网的偏远地区；
并网型：大型风电机组以机群布阵形成风电场，并入电网。
3、水平轴和垂直轴风电机组
4、直驱、半直驱和双馈风电机组
水平轴和垂直轴风电机组直驱、半直驱和双馈风电机组二、水平轴风电机组的基本结构1、风轮尾流不旋转的动量理论
在理想的境况下，不考虑风轮尾流的影响，假设：
（1）气流不可压缩，均匀常流；
（2）风轮简化成一个桨盘；
（3）桨盘上没有摩擦力；
（4）风轮流动模型简化成一个单元流管；
（5）风轮前后远方的气流静压相等；
（6）轴向力（推力）沿桨盘均匀分布。风轮流动的单元流管模型风轮上的轴向推力T为：
T=m(V1-V2)
式中V1—风轮前来流速度（V1=V∞）；
V2—风轮后尾流速度；
m—单位时间流经风轮的空气质量流量，可表示为
m=ρVtA
其中ρ—空气密度；
A—风轮扫掠面积；
Vt—流经风轮的速度。
继而
T=ρVtA(V1-V2)根据动量理论，作用在风轮上的轴向力T也可以表示为：
T=A（Pa-Pb）
式中Pa—风轮前的静压；
Pb—风轮后的静压。

伯努利方程：理想流体、定长管流，在没有外力的作用下，遵循伯努利方程：
由伯努利方程可得：
根据风轮前后远方的气流静压相等的假设：P1=P2
可以得到

继而可以得出：流经风轮的速度是风轮来流风速和尾流风速的平均值定义轴向诱导因子：
Va为轴向诱导速度

上式表面：如果风轮吸收全部风能，即Va=0，则a有最大值，为0.5。但是，在实际情况中，风轮只能吸收一部分能量，因此，a<0.5。在已经计算出的推力T中带入轴向诱导因子a：

根据能量方程，风能吸收的能量等于风轮前后气流的动能的差值：
贝茨极限上面研究的时一种理想情况，实际上当气流在风轮上产生转矩时，也受到风轮的反作用力，因此，在风轮后的尾流时反向旋转的。
在风轮平面上取dr圆环，则轴向力（推力）可表示为：
叶素理论的基本出发点就是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素。
翼型的几何参数：

前缘点：以后缘点为圆心，画一圆弧，此弧与翼型的相切点就是前缘点
弦线：前后缘点间的连线
入流角ΦV0翼型所受到的力士作用在上下表面的的合力。表面力有两种，一个是压力，一个是摩擦力。定义与远方来流一致的合力为阻力，垂直的为升力。
升力和阻力通常用量纲值升力系数Cl和阻力系数Cd表示合成气流速度V0引起的作用在长度为dr叶素上的空气动力dFa可以分解成法向力dFn和切向力dFt，分别表示为：

4、动量叶素理论这样，就可以通过上面的关系式通过迭代的方法求得轴向诱导因子a和周向诱导因子b，步骤如下：
1、假设a和b的初值，一般都为0；
2、计算如入流角；
3、计算攻角（迎角）i=φ-β；
4、根据翼型的空气动力特性曲线得到升力系数Cl和阻力系数Cd；
5计算叶素的法向力系数Cn和切向力系数Ct；6、计算a和b的新值

7、比较新计算的a和b与上一次的a和b的值，如果误差小于设定值（一般取0.001），则迭代终止，否则用新计算的值回到（2）继续迭代。
1、发电机的类型
直流发电机：输出直流电能
交流发电机：输出交流电能
同步发电机、异步发电机（双馈异步发电机、永磁同步电机）
大型风电机组目前主要采用的两种交流电机是：双馈异步发电机和永磁/电励磁同步发电机
这两种电机的优点是与变流器结合，能够实现变速恒频发电。发电机转子转速n和电网的频率f成严格的比例关系的发电机叫同步电机。

风电机组上的同步电机根据励磁的不同，分为永磁和电励磁（直流励磁）。
风机上的同步电机的磁极对数通常较多，所以同步转速可以很低，这样发电机可以直接连接到风轮上，而不需要齿轮箱增速，提高了传动效率。同时因为磁极对数较多，电机直径比较大，重量也较重。
采用这种电机的风电机组通常为直驱或者半直驱风电机组。变速风电机组都配备一个全功率变流器，保证风电机组的输出电能符合电网。
双馈异步发电机是转子交流励磁的异步发电机。发电机的定子是直接连接在电网上的，转子由变流器提供交流励磁电流。
在转子三相对称绕组中通入三相对称电流，则会产生旋转磁场，此旋转的磁场的转速与所通的电流频率f2及电机极对数p有关：可见，通过改变频率f2就可以改变n2.因此设n1为电网频率对应的同步转速，n为发电机转子本身的旋转速度，只要转子旋转磁场的转速与转子自身的机械速度n相加等于定子磁场的同步转速n1即可，即：n+n2=n1
则，钉子绕组