最新风力发电的原理与应用 风力发电原理及工作过程(3篇)

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风力发电的原理与应用 风力发电原理及工作过程篇一

课程编号:«978-7-111-35345-4»

课程名称：«风力发电原理»

总 学 时：«64»

先修课程：«风力发电基础，电子电工技术，电力电子»

一、课程性质、目的和任务

本课程是风能与动力工程专业学生的重要专业课。通过本课程学习使学生了解国内外风力发电的发展趋势，掌握风力发电的基本原理，风力发电机组的基本结构及各部分的特性，了解风能资源的基本情况及评估方法，熟悉风电场选址、运行、维护的基本概念和技术，为学习后继课程以及从事本专业工程技术工作提供必要的理论基础。

二、教学要求和内容

«基本要求»：深刻理解、掌握风力发电的基本原理，熟悉风力发电机风轮、发电机、齿轮箱、塔架、辅助装置等各部件的基本结构，参数指标。了解风资源的分布和评估技术，为进行风电场的选址和管理打下初步基础。熟练掌握风电场的运行、维护、并网控制和安全系统知识，为从事风电场工作奠定理论基础。

«基本内容»：本课程主要内容为绪论（风力发电的发展历史、机组结构，国内外的发展趋势）；风能及其转换原理（风的种类及其特性，风的测量及其评估，风能资源的评估及风电场选址概述，风能转换的基本原理，风力机的特性）；风力发电机组的结构（水平轴风电机组的概述，风轮的结构，风电机组传动系统，机舱、主机架与偏航系统，塔架与基础，风电机组的其他部件）；风力发电机（发电机的工作原理，风力发电系统中的风力发电机，并网风力发电机）；风力发电机组的控制机安全保护（风力发电机组的控制技术，风力机控制，风电机控制，风力发电机组信号检测，控制系统的执行机构，风电机组的安全保护）；垂直轴风力发电机组（垂直轴风力发电机组及其发展概况，垂直轴风力机的基本

原理）；离网风力发电系统（离网风力发电机组的应用，微、小型风力发电机组的结构，互补发电系统，储能装置）。

三、教学安排及方式

以课堂讲授为主，课堂讨论和实验为辅的教学手段。本课程的课堂教学中安排专题讲授，采取开放式教学方法，在课堂上学生可以随时提出问题。

四、各教学环节学时分配

（一）学时安排

（二）教学方法

１ 重视实践和实训教学环节，坚持“做中学、做中教”，激发学生的学习兴趣。在教学过程中注重培养学生严谨的工作作风、实事求是的工作态度和良好的职业素养。

２ 可以结合教学进程，组织学生开展常用工程材料、标准机械零部件的市场销售情况调查；组织开展以小论文、小制作、小发明、小改革等为载体的创新思维训练。

３ 阶段性实习训练和综合实践模块是本课程的重要组成部分，是对学生进行风电原理基础综合能力训练的重要环节。教学中可结合专业背景，选择合适的课题，制作综合实践任务书，要求学生完成综合实践报告，强化综合能力培养。

五、考核与评价

１ 注重评价内容的整体性，注重综合素质与能力评价，注重学生爱护工具、节省原材料、节约能源、规范与安全操作和保护环境等意识与观念的评价。

２ 坚持教师评价与学生自评、互评相结合，过程性评价和结果性评价相结合，定性描述和定量评价相结合，倡导采用表现性的评价方式。３ 根据不同学生的特点，对课程教学目标和教学要求可做进一步的细化，考核与评价的标准要与教学目标相对应。４ 对阶段实习训练和综合实践内容独立考核

风轮是吸收风的能量并将其转换成机械能的部件。

风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风的能量转变成机械能，风越大，风轮接受风的能量也越大，风轮转得就越快。

风力发电机原理

漆包铜线绕成线圈，用永久磁铁产生磁场，线圈在磁场中旋转，切割磁力线产生电动势，线圈转得越快，切割磁力线的速度就越高，产生的电压也越高，对外电路提供的功率就越大，线圈和磁铁相对旋转的动力来源于风轮，通过风轮和发电机就可以将风的能量转变成电能。

控制器的作用

控制器的作用主要有：充电、防止电瓶过充电、防止电瓶过放电、给发电机提供泄荷通路。

a、发电机发出的是单相或三相交流电，给直流电瓶充电需要直流电，通过整流管将交流变直流（整流）给电瓶充电。

b、铅酸蓄电瓶充满电后，继续大电流充电，就造成电瓶过充电，电瓶充满后过充造成电瓶液的损耗、极板变形，严重影响电瓶使用寿命。

c、铅酸蓄电瓶对外放电到其70%的额定容量时，应立即停止对外放电，否则过度放电，将导致极板弯曲，板栅损坏，活性物质脱落，造成电瓶容量不可恢复的减退，甚至导致电瓶失效。

d、电瓶充满后，风力发电机发出的电不能提供给电瓶，控制系统断开充电线路，这时风力发电机发出的电没有了去路，发电机失去了负载，发电机的阻力变得很小，这时发电机的转速就会成倍升高，若遇到强风，发电机转速就会迅速升高，叶轮越转越快，造成飞车。因此，必须给发电机提供一负载来泄荷，通常泄荷是由电阻来承担，将发电机发出的电能通过泄荷电阻转化成热能消耗掉。

逆变器的作用

储存在电瓶中的直流电，只能供给直流电器工作，如直流灯泡等，而家用电器基本上都是交流电器，电压是交流220伏的，因此，要将电瓶的低压直流电转化成220伏的交流电（直流转变成交流，这个过程称为逆变），这个任务就由逆变器来完成。

风力发电的原理与应用 风力发电原理及工作过程篇三

▲1-3 风能具有哪些特点？

（1）风能蕴藏量大、分布广。（2）风能是可再生能源。（3）风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。(4)风能的能量密度低。（5）不同地区风能差异大。（6）风能具有不稳定性。

▲1-风力发电技术的发展状况

当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。

(1)水平轴风电机组技术成为主流。（2）风电机组单机容量持续增大。（3）变桨距技术得到普遍应用。（4）变速恒频技术得到快速推广。（5）直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。（6）大型风电机组关键部件的性能日益提高。（7）智能化控制技术广泛应用。（8）叶片技术不断进步。（9）适应恶劣气候环境的风电机组得到重视。（10）低电压穿越技术得到应用。

（11）海上风电技术成为重要发展方向。（12）标准与规范逐步完善。

▲2-8 为什么国际上通行的计算平均的时间间隔都取在10min至2h范围？

由范德豪芬的平均风速功率谱曲线可知，在10min至2h范围的平均风速功率谱低而平坦，平均风速基本上是稳定值，可以忽略湍流的影响。▲2-9 什么是风速廓线？

在大气边界层中，由于空气运动受地面植被、建筑物等得影响，风速随距地面的高度增加而发生明显的变化，这种变化规律成为风剪切或风速廓线。▲2-11 什么是风向玫瑰图？

风向玫瑰图常用来表示某一风向一年或一个月出现的频率。

▲2-15 风在静止叶片上的空气动力是如何形成的？

由于叶片上方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度），因此叶片上、下方所受的压力也不同（下方压力大于上方压力），总得合力f即为叶片在流动空气所受到的空气动力。

▲2-风的测量设备？

风向：风向标、光电管、码盘。风速：皮托管、热线风速仪、风杯、螺旋叶片。

▲2-风能资源评估及风电场选址

评估参数：平均风速、主要风向分布、风功率密度、年风能可利用小时。宏观选址：（1）风能质量好（2）风向基本稳定（3）风速变化小（4）尽量避开灾难性天气频发地区（5）发电机组高度范围内风速的垂直变化小。（6）地形条件好。（7）地址情况能满足塔架基础、房屋建筑施工的要求，远离强地震带等。（8）对环境的不利影响小。（9）尽可能接近电网并考虑并网可能产生的影响。（10）交通方便。微观选址：（1）考虑地形的影响（2）考虑机组的排列方式。

▲4-7 什么是并网风力发电机变速恒频运行方式？哪些类型的发电机？

在不同风速下，为了实现最大风能捕获，提高风电机组的效率，发电机的转速必须随着风速的变化不断进行调整，处于变速欲行状态，其发出的频率需通过一定的恒频控制技术来满足电网要求。双馈异步交流发电机，永磁低速交流发电机

▲4-8 双馈异步发电机的基本工作原理。

(公式)n2为转自中通入频率为f2的三项对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转自本身的旋转速度（rmin），改变f2,即可改变n2。设n1为对应于电网频率50hz时发电机的同步转速，而n为发电机转自本身的旋转速度，只要n+n2=n1，则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率f1不变。由转差率公式s=。。可得f2=sf1。所以只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率的电流，双馈异步发电机可实现变速恒频运行的目的。

双馈型异步发电机实行交流励磁，励磁电流的可调量为其幅值、频率和相位。调节频率，可保证发电机转速变化时发出电能频率的稳定；调节幅值，可调节发出的无功功率；改变转子励磁电流的相位，调节了发电机的功率角。在一定工况下，转子也向电网馈送能量。

▲4-9 叙述双馈异步发电机的功率流向。

（1）亚同步状态 当n

▲5-1 风力发电机组的控制系统一般应具有哪些功能？

（1）根据风速信号自动进入起动状态或从电网自动切除。（2）根据功率及风速大小自动进行转速和功率控制。（3）根据风向自动对风。（4）根据电网和输出功率要求自动进行功率因数调整。（5）当发电机脱网时，能确保机组安全停机。（6）在机组运行过程中，能对电网、风况和机组的运行状况进行实时监测和记录，对出现的异常情况能够自行准确的判断并采取相应的保护措施，并能够根据记录的数据，生成各种图表，以反映风力发电机组的各项性能指标。（7）对在风电场中运行的风力发电机组具有远程通信的功能。（8）具有良好的抗干扰和防雷保护措施，以保证在恶劣的环境里最大限度的保护风电机组的安全可靠运行。

▲5-2 风力发电机组在运行过程中可以分为哪些状态？

待机状态，气动过程，欠功率运行状态，额定功率运行状态，正常停机状态和紧急停机状态。

▲5-3 cp和叶尖速比的关系。

当叶尖速比逐渐增大时，cp将先增大后减小。由于风速的变化范围很宽，叶尖速比就可以在很大的范围内变化，因此它只有很小的机会运行在最佳功率点上，即cp取最大值所对应的工况点cpmax，而且cpmax对应唯一的叶尖速比opt，因此任一风速下只对应唯一的一个最佳运行转速。▲5-4 各阶段变桨距控制的目标

起动并网阶段：目标是实现风力发电机组的升速和并网最大风能捕获阶段：最大限度的利用风能，提高机组的发电量。恒功率控制阶段：控制机组的功率在额定值附近而不会超过功率极限。超风速切除阶段：使机组安全停机。

▲5-6 如何理解低于额定风速的最大风能捕获和高于额定功率的恒功率控制？

当风速变化且发电机功率没有超过额定功率时，只要调节风轮转速且桨距角保持最优位置不变就可实现最大风能捕获；高于额定功率时，通过增大桨距角来减小发电机的输出功率即可维持在额定功率附近，实现恒功率控制。

▲5-8 变速恒频系统？双馈异步交流发电机如何实现？

将具有绕线转子的双馈异步发电机与应用电力电子技术的igbt变频器及pwm控制技术结合起来，使发电机在变速运转时能发出恒频恒压电能。双馈异步发电机是通过控制变流器来控制转子交流励磁完成的。

▲5-10 双馈和直驱在控制上各有何特点？

（1）双馈式风电系统需要齿轮箱，使机组重量有所增加，在机组的维护中，齿轮箱的故障率高。直驱式风电机不需要齿轮箱，可以减轻机组的重量和减小故障率；发电机转速低，起动转矩大。（2）双馈式电机为异步发电机。定子绕组直接连接电网，转子绕组接线端由电刷集电环引出，通过变流器连接电网，变流器功率可以双向流动，通过转子交流励磁调节实现变速恒频运行，机组的运行范围宽，转速在额定转速0.6~1.1的范围内都可以获得良好的功率输出。直驱式电机为同步发电机。定子绕组经全功率变流器接入电网，机组运行范围较宽。转子为多级永磁体励磁，永磁体的阻抗低，减小了系统损耗，但电机结构复杂，直径较大，运输困难。（3）用于双馈式电机的变流器，流过转子电路的功率是额定功率一部分的转差功率，因此双向励磁变流器的容量仅为发电机容量的一部分，成本将会大大降低，容量越大优势越明显。用于直驱式的变流器为全功率变频，容量大，成本高。（4）双馈式风电系统网端采用定子电压或定子磁链定向的原则，可以实现并网功率的有功无功独立调节，功率因数可调。直驱式风电系统网端采用网侧电压定向的原则，可以实现并网功率的有功无功解耦控制，功率因数可调。

▲6-1 什么是阻力型风机？什么是升力型风机？

阻力型垂直轴风机发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力；升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力。

▲6-2 垂直轴风力机的主要特点是什么？

优点：（1）寿命长，易维护安装。（2）利于环保，气动噪音小。（3）无需偏航对风。（4）叶片制造工艺简单。（5）运行条件宽松。缺点：（1）风能利用率低。（2）起动性能差（3）增速结构复杂。

▲7-1 简述离网风力发电系统的应用范围。

离网风力发电系统通常向大用户供电，或向农户、村落、农牧场供电。在风资源较丰富地区，企业对用电要求不高及离电网较远的农牧民户、村落、牧场用电负荷小，可采用离网风力发电系统。

▲7-2 离网风力发电机主要类型。

直流发电机、异步交流发电机。

▲7-3 简述风光互补系统的特点。

优点：（1）弥补独立锋利发电和太阳能光伏发电系统的不足，提供更加稳定的电能。（2）充分利用空间，事先地面和高空的合理利用。（3）共用一套送变电设备，降低工程造价。（4）同用一套经营管理人员，提高工作效率，降低运行成本。缺点：（1）与单一系统相比，系统设计较复杂，对控制要求较高。（2）由于是两类系统的合成，维护的难度和工作量较高。（3）太阳能和风能在时间上得互补特性随地区不同差异大，有时难以保证完全的连续稳定供电。