风力发电技术基础教程风力发电技术基础教程崔新维2002.7.11.目目 录录风力发电技术概述风力机的理论基础机组的机械零部件机组电气系统风资源概述第一章第一章 风力发电技术概述风力发电技术概述风力发电机组的总体构成风力发电机组的主要机型风力发电机组中的关键技术一、风力发电机组的总体构成一、风力发电机组的总体构成风电机组风力发电机组的主要组成部分：叶轮：将风能转变为机械能。传动系统：将叶轮的转速提升到发电机的额 定转速发电机：将叶轮获得的机械能再转变为电能。偏航系统：使叶轮可靠地迎风转动并解缆。其它部件：如塔架、机舱等控制系统：使风力机在各种自然条件与工况下正常运行的保障机制，包括调速、调向和安全控制。风力发电机组（以下简称风力机）是一种能量转换装置将风能转换为电能的。二、风力发电机组的主要机型二、风力发电机组的主要机型按叶轮转速是否恒定分：定速风力机变速风力机按叶片与轮毂的联接方式分：定桨距（失速型）机组变桨距机组其它机型主动失速型无齿轮箱型海上机组基本特征基本特征水平轴三叶片上风式双速发电机机型的发展趋势机型的发展趋势定桨距变桨距定速型变速型Kw级MW级有齿轮箱式直接驱动式三、风力发电机组中的关键技术三、风力发电机组中的关键技术机组的设计方法与技术机组的设计方法与技术叶片的设计与制造技术叶片的设计与制造技术气动设计结构设计制造工艺机组控制技术机组控制技术功率控制技术载荷控制技术并网技术远程监控技术第二章第二章 风力机基础理论风力机基础理论叶片的空气动力特性叶片的空气动力特性叶轮的空气动力模型叶轮的空气动力模型2.1 空气动力学的基本概念一、流线流线气体质点：气体质点：体积无限小的具有质量和速度的流体微团。流线：流线：在某一瞬时沿着流场中各气体质点的速度方向连成的一条平滑曲线。描述了该时刻各气体质点的运动方向：切线方向。流场中众多流线的集合称为流线簇。一般情况下，各流线彼此不会相交如图所示。绕过物体的流线簇绕过障碍物的流线绕过障碍物的流线:当流体绕过障碍物时，流线形状会改变，其形状取决于所绕过的障碍物的形状。不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同不同的物体对气流的阻碍效果也各不相同考虑几种形状的物体，它们的截面尺寸相同，但侧面形状各异，对气流的阻碍作用（用阻力系数度量）不同。侧面形状不同的几种物体二、阻力与升力阻力阻力：当气流与物体有相对运动时，气流对物体的平行于气流方向的作用力。升力升力：先定性地考察一番飞机机翼附近的流线。当机翼相对气流保持图示的方向与方位时，在机翼上下面流线簇的疏密程度是不尽相同的。121131根据流体运动的质量守恒定律，有连续性方程连续性方程A1V1 = A2V2 + A3V3其中：A、V分别表示截面积和速度。下标1、2、3分别代表前方或后方、上表面和下表面处。根据伯努利方程伯努利方程：P = Pi +1/2 * Vi2即：气体总压力=静压力+动压力=恒定值考察翼型剖面气体流动的情况： 上翼面突出，流场横截面面积减小，空气流速大，即V2V1。而由伯努利方程，必使：P2 CTCT时，C CL L下降。当 = = 0 0(0)时， C CL L=0，表明无升力。0称为零升力角，对应零升力线。用阻力特性曲线来描述。CD CDmin CDmin 两个特征参数： 最小阻力系数C CDminDmin及对应攻角 CDminCDmin 。4、翼剖面的阻力特性2.2 叶轮空气动力学基础叶轮的作用叶轮的作用：将风能转换为机械能一、叶轮的几何描述一、叶轮的几何描述叶轮轴线：叶轮旋转的轴线。旋转平面：桨叶扫过的垂直于叶轮轴线的平面。叶片轴线：叶片绕其旋转以改变相对于旋转平面的偏转角安装角（重要概念）。半径r处的桨叶剖面：距叶轮轴线r处用垂直于叶片轴线的平面切出的叶片截面。安装角：桨叶剖面上的翼弦线与旋转平面的夹角，又称桨距角，记为。半径r处叶片截面的几何桨距：在r处几何螺旋线的螺距。可以从几个方面来理解：几何螺旋线的描述：半径r，螺旋升角 。此处的螺旋升角为该半径处的安装角 r。该几何螺旋线与r处翼剖面的弦线相切。桨距值：H=2 r tg r二、贝兹理论1.1.贝兹理论中的假设贝兹理论中的假设 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=S2V22. 对叶轮应用气流冲量原理叶轮所受的轴向推力：F = m ( V1 - V2 )式中m= SV，为单位时间内的流量质量叶轮单位时间内吸收的风能叶轮吸收的功率为：P=FV= SV2(V1-V2)3、动能定理的应用基本公式：E=1/2 mV2（m同上）单位时间内气流所做的功功率：P=1/2 mV2= =1/2 SV V2在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量： P= 1/2 SV (V21_ V22)此既气流穿越叶轮时，被叶轮吸收的功率。因此： SV2(V1-V2)= 1/2 SV (V21_ V22)整理得：V=1/2 (V1+V2)即穿越叶轮的风速为叶轮远前方与远后方风速的均值。4.4. 贝兹极限贝兹极限引入轴向干扰因子进一步讨论。令：V = V1( 1- a ) = V1 U则有：V2 =V1 ( 1- 2a )其中：a轴向干扰因子，又称入流因子。U=V1a轴向诱导速度。讨论：当a1/2时，V20，因此a1/2。又V0，有1a0。a的范围： a 0由于叶轮吸收的功率为P= P= 1/2 SV (V21_ V22) = 2 S V13a( 1- a )2 令dP/da=0，可得吸收功率最大时的入流因子。解得：a=1和a=1/3。取a=1/3，得Pmax =16/27 (1/2 SV13 )注意到1/2 SV13是远前方单位时间内气流的动能功率，并定义风能利用系数Cp为：Cp=P/(1/2 SV13 )于是最大风能利用系数Cpmax为： Cpmax=Pmax/(1/2 SV13 )=16/27 0.593 此乃贝兹极限。此乃贝兹极限。三、三、 叶素理论叶素理论1、基本思想、基本思想将叶片沿展向分成若干微段叶片元素叶素；视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化；作用在每个叶素上的力互不干扰；将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，求得作用在叶轮上的气动扭矩与轴向推力。2、叶素模型、叶素模型端面：桨叶的径向距离r处取微段，展向长度dr。在旋转平面内的线速度：U=r。翼型剖面：弦长 C，安装角 。设V为来流的风速，由于有线速度U，气流相对于桨叶的速度应是两者的合成，记为W。 W V U dF dR dL定义W与叶轮旋转平面的夹角为入流角，记为 ，则有叶片翼型的攻角为： = - 。3、叶素上的受力分析叶素上的受力分析在W的作用下，叶素受到一个气动合力元dR，可分解为平行于W的阻力元dD和垂直于W的升力元dL。另一方面，dR还可分解为推力元dF和扭矩元dT，由几何关系可得：dFdLcos + dDsin dTr(dLsin - dD cos )由于可利用阻力系数CD和升力系数Cl分别求得dD和dL: dL = 1/2 CLW 2C dr dD = 1/2 CD W 2C dr故dF和dT可求。将叶素上的力元沿展向积分，得：作用在叶轮上的推力：F=dF作用在叶轮上的扭矩：T=dT叶轮的输出功率：P=dT=T第三章第三章 机组机械零部件机组机械零部件主要机械零部件：叶轮：叶片、轮毂及其联接。变桨距机构：原动装置、传动部件、执行部件等。传动系：主轴、主轴轴承、齿轮箱、机械刹车、联轴器、发电机等。偏航系统：偏航轴承、偏航齿轮、偏航电机及减速器及其控制子系统其它机件：机舱、塔架、提升装置3.1 叶轮叶轮一台设计良好的风力机必须具有良好的空气动力性能。风力机的空气动能主要表现为叶轮的空气动力性能。叶轮的空气动力性能主要取决于它的气动设计。气动设计时，必须先确定总体参数。这也是进行方案设计所必需的。一、叶轮的主要参数一、叶轮的主要参数1、尖速比、尖速比 叶轮的叶尖线速度与额定风速之比。是一个重要设计参数。与叶片数及实度有关。用于风力发电的高速Cp风力机，常取较大的0.5尖速比。尖速比在5-0.415时，具有较高的0.3风能利用系数。通常0.2可取6-8。0.136912 2、叶片数、叶片数取决于叶轮的尖速比，具体对应关系如下表：由于叶片数少的风力机在高尖速比运行的具有较高的风能利用系数，适合于发电。三叶片的风力机运行和功率输出较平稳，两叶片的可降低成本。3、风轮直径风轮直径 D风轮直径D主要取决于两个因素：风力机输出功率P额定风速V r计算公式的推导：叶轮输出功率：P1=1/2 Cp SVr3 =P/( 1 2)于是：P =1/2 Cp Vr3 1 2 D 2 /4直径D的简化计算公式：D 2 =8P/( Cp 1 2 Vr3) 5P/ Vr3其中，取Cp 0.45， 1.25， 1 2 0.94、实度、实度定义：叶轮的叶片面积之和与风轮扫面积之比。它是和尖速比密切相关的一个重要参数。取值：对于风力发电机而言，由于尖速比较高，要求有较高的转速，起动风速高，因此，可取较小的实度。通常大致在520%之间。示意图。作用：决定叶轮的力矩特性，尤其是起动力矩；决定叶轮的重量与材料成本5、其它参数、其它参数1、叶轮中心离地面高度、叶轮中心离地面高度H取决于安装地点（山谷、丘陵等），垂直风梯度，安装条件，单机容量等因素。2、叶轮锥角、叶轮锥角 叶片和旋转平面的夹角。减少气动力引起的叶根弯曲应力（对下风式风力机）；防止叶片梢部与塔架碰撞（对上风式）。3、叶轮倾角、叶轮倾角 叶轮转轴与水平面的夹角。减少叶片梢部与塔架碰撞的机会。二、叶片二、叶片一个叶片大致分成四部分：叶根、厚翼型段、正常翼型段、叶尖段。大型风力机几乎都采用强化玻璃钢（GRP）制成的。叶片的外表面光滑且从叶根到叶尖呈扭曲状。叶片的中间结构需要考虑叶片的强度、刚度、惯性、重量等因素。1、叶片的载荷、叶片的载荷对叶片运行载荷分析与计算，不仅是叶片的结构设计所必须的，而且更为重要的是分析整个风力机各部件受载的基础。风力机在运行情况下，作用在其上的载荷就比较复杂，主要有气动载荷，重力和惯性载荷。它们都随时间而变化，特别是气动载荷受阵风和风向变化的影响是随机的，要准确计算是困难的。作用在叶片上的力作用在叶片上的力简化为三种力：空气动力、离心力和重力。各作用力的影响各作用力的影响2、叶片的附加载荷、叶片的附加载荷阵风期间，风速在一秒内可变化1520m/s甚至更多，风向在一秒内可改变几十度。此时，叶片处在不利的攻角下，导致所受弯矩的增加阵风效应。-UWV13、锥角效应对下风式风力机，叶片与转轴的夹角小于90度，将使正常运行时叶片受到的弯曲应力大大减小，甚至可为零锥角效应锥角效应。对于上风式风力机，要注意负锥角效应锥角效应4、陀螺效应、陀螺效应叶轮偏航时，桨叶除受到气动力的作用外，还受有离心力和旋转惯性力，在桨叶中产生附加力矩陀螺效应，附加力矩的大小为： M = 2 I 1三、轮毂三、轮毂两种形式的轮毂：球形和叉形。一般采用球墨铸铁铸造而成轮毂是机组中受力最复杂的零件之一，因此需要进行详细的结构设计与疲劳强度分析。轮毂与叶片之间的联接有：固定式、铰链式、跷跷板式等形式。第四章第四章 机组电气系统机组电气系统发电机并网运行控制系统基本运行过程4.1 发电机发电机一、常用的发电机种类一、常用的发电机种类 1、同步发电机、同步发电机基本构成定子定子铁心定子绕组（定子线圈）转子转子铁心（磁极）励磁绕组（转子绕组）发电原理励磁绕组中通过直流电后，转子磁极磁化，产生磁场；原动机带动转子转动，转子磁场同时转动，与定子绕组相对运动，使其感应出交流电动势发电机发出交流电。该交流电的频率取决于转子极对数p及转子的转速n：f=pn/60(Hz)，当n改变时，f也改变。定子绕组中感应出的电动势，在外电路接通后产生交流电流。该电流也要在电机中产生旋转磁场，其转速称为同步转速同步转速 ，它由交流电频率f和定子绕组旋转磁场的极对数p1决定： n1=60f/p1（r/min）由于在这种发电机中，使得p1=p，则n1=n。故称为同步发电机。同步发电机。2、异步发电机、异步发电机基本构造与同步发电机相似。异步电动机异步电动机工作原理工作原理定子绕组接到交流电源上，定子在电机中产生旋转交变磁场 ，转速为同步转速n1, n1= 60f/p1。旋转磁场在转子绕组中产生感应电流，使转子绕组成为载流导体。它在旋转磁场中又受到电磁力的作用，于是就按照旋转磁场的方向转动起来。由于转子导体中的电流是靠电磁感应产生的，故又称为感应（式）电动机。由于转子绕组中的感应电流产生于转子相对于磁场的运动，而该感应电流又产生转子转动的电磁力。因此，转子转速n不能等于同步转速n1异步电动机。滑差率定义：n1 - n为转速差（滑差）转速差（滑差）；s=(n1- n)/n1 100%为滑差率滑差率异步电动机的滑差率一般为1.56%。用作发电机时，必须使转子转速n大于同步转速n1 ，此时，s小于0。二、双速发电机二、双速发电机1、问题：定桨距机组在低风速运行时的效率较低由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为325m/s）；如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。发电机本身在低负荷时的效率问题当P30%的额定功率时，效率90%；但P3m/s，但不足以将机组拖动到切入转速时的自由转动状态。发电机未并入电网，但机组已处于工作状态，控制系统已经做好切入电网的一切准备：机械刹车松开；叶尖阻尼板收回；叶轮处于迎风位置；液压系统的压力保持在设定值上；风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中，一旦风速增大，转速升高，发电机即可并网。二、机组的自起动二、机组的自起动早期的定桨距机组的利用发电机起动Motorstar。由于叶片气动性能的改进，叶轮在自然风速的作用下，不依靠其它外力的协助，将发电机拖动到额定转速自起动。现在绝大多数定桨距机组均有良好的自起动性，一般在4m/s的风速条件下，即可自起动到发电机的额定转速。三、叶轮对风三、叶轮对风当风速传感器测得10min平均风速3m/s时，控制器允许叶轮对风。偏航角度通过风向仪测定。同时延迟10s执行偏航，以免在风向扰动情况下的频繁动作。释放偏航刹车1s后，偏航电机根据指令执行偏航；偏航停止时，偏航刹车投入。四、制动解除四、制动解除当自起动条件满足时，控制叶尖扰流器的电磁阀打开，压力油进入叶片液压缸，扰流器被收回与叶片主体合为一体。控制器收到反馈信号后，控制盘式制动器（机械刹车）松开。第五章第五章 风资源概述风资源概述风的一般知识风的一般知识风的形成 风向与风速风的统计学风的统计学风向频率风速频率风的能量风的能量5.1 风的一般知识风的一般知识一、风的形成一、风的形成地球表面上，受太阳加热的空气较轻，上升到高空；冷却的空气较重，倾向于去补充上升的空气。这就导致了空气的空气的 流动流动风风。全球性气流、海风与陆风、山谷风的形成大致都如此。风能风能是太阳能太阳能的一种表现形式。局部加热与冷却形成风二、风向与风速二、风向与风速风向风向：风向来风的方向来风的方向。通常说的西西北风北风、南风南风等即表明的就是风向。陆地上的风向一般用16个方位观测。即以正北为零度，顺时针每转过22.5为一个方位。风向的方位图图示如下。 N NNW NNE NW NE WNW ENE W E WSW ESE SW SE SSW SSE S 风速：风速：风速空气流动的速度。用空气在单位时间内流经的距离表示；单位：m/s或km/h；是表示风能的一个重要物理量；风速和风向都是不断变化的。瞬时风速任意时刻风的速度。具有随机性因而不可控制。测量时选用极短的采样间隔，如1s。平均风速某一时间段内各瞬时风速的平均值。如日平均风速、月平均风速等。1、风速的周期性变化风速的日变化：一天之中，风速的大小是不同的。地面（或海拔较低处）一般是白天风速高，夜间风速较低。高空（或海拔较高处）则相反，夜间风强，白天风弱。其逆转的临界高度约为100150m。风速的季节变化：一年之中，风的速度也有变化。在我国，大部分地区风的季节性变化规律是：春季最强，冬季次之，夏季最弱。2 2、影响风速的主要因素、影响风速的主要因素垂直高度垂直高度：由于风与地表面摩擦的结果，越往高处风速越高。定量关系常用实验式表示：V(z)=Vr(z/zr)V 高度z处的风速。Vr参考高度zr处的风速，测得。地表摩擦系数，或地表面粗糙度。取值范围：0.1（光滑）0.4（粗糙）。地形地貌地形地貌不同地形与平坦地面的风速比值不同地形平坦地面的平均风速（35m/s）山涧盆地0.950.85山背风坡0.90.8山迎风坡1.101.20峡谷口或山口1.301.40地理位置地理位置海面上的风比海岸大，沿海的风比内陆大得多。障碍物障碍物风流经障碍物后，将产生不规则的涡流，使风速降低。但随着远离物体，这种涡流逐渐消失。当距离大于10倍物体高度时，涡流可完全消失。启示：在障碍物附近设置风力机或多排设置风力机时的位置。5.2 风的统计理论风的统计理论一、风向频率一、风向频率任意点处的风向时刻都在改变。但在一定时间内（月、季、年）多次测量，可以得到每一种风向出现的频率。风向频率的计算方法选择观测的时间段，如月、季、年；记录每个风向出现的次数ni，及总观测次数n；某风向的风向频率=ni/n100二、风速频率对于风力机的安置处，有两个重要的描述风资源的参数：风速频率和年平均风速。风速在某一时间段内平均，如10分钟；在计算风速频率时，通常把风速改变的间隔定为1m/s，如4.55.5m/s，5.56.5m/s；按风速的大小，落到哪个区间，哪个区间的累加值加1。把各个区间出现的次数除以总次数即得风速频率。风频（风频（%）121110987654321002468101214161820风速（m/s）风况曲线 20181614121086420100020003000400050006000700080009000时间（h）根据风况曲线通常可以看出：1.一年之中有多少时间低于启动风速而无法起动？2.取多大的切出风速较合适？3.有多少小时可以达到额定出力？4.全年的有效风速的有多少小时？可见，风频特性和风况曲线是开发风能的重要原始资料和依据。风速的Weibull(威布尔)分布由于实测风速数据极为繁杂，且统计整理的工作量又很大，人们便用数学方式来描述风速分布情况。目前Weibull分布函数用得最广。Weibull分布函数有两特征参数：形状参数K和尺度参数C。对风频曲线用概率密度函数描述：上述的风况曲线用累计分布函数表达：三、风能与风能密度风能风的动能。基本公式：E=1/2 mV2式中m=AV，为单位时间内的流量质量。单位时间内的能量功率:W=1/2 A V3计算一年中风能的大小，要考虑风速的分布情况，而不能简单使用年平均风速。年有效风能起动风速到切出风速之间的风能。有效风能密度年有效风能除以年有效风速的持续时间。