2021-7-313.1风的特性及风能利用3.2风力发电机组及工作原理3.3风力发电机组的控制策略3.4风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5风力发电的经济技术性评价在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。2021-7-31感性认识：各式风机2021-7-313.1风的特性及风能利用3.1.1风的产生风是地球上的一种自然现象，由太阳PG电子游戏 PG电子官网辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1地球上风的运动2021-7-313.1.2风的特性与风1、随机性2、风随高度的变化而变化不同高度风速的表达式：ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。2021-7-313.1.3风的表示及应风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图图3-2风向方位图2021-7-312、风速由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。3、风力风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。505VN——N级风的平均风速(m/s)；N——风的级数。第10页/共119页2021-7-314、风能风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。表达式为：风能利用，风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。第11页/共119页2021-7-31风能风力机风帆机械泵发电机发热装置直流电交流电整流抽水蓄能压缩空气液压电动机电解制氢蓄电池电网热能涡轮机机械负载涡轮机发电机供暖、供热水灌溉交、直流电能负荷风能转换及应用情况如图所示。图3-5风能转换与应用情况第12页/共119页2021-7-31风力发电机组及工作原理3.2.1风力发电机组的结构及分类1、风力发电机组的分类风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。第13页/共119页2021-7-31按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按运行方式水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）独立运行和并网运行第14页/共119页2021-7-312、风力发电机组的结构风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。第15页/共119页2021-7-31（1）独立运行的风力发电机组发电机尾舵充电控制器畜电池组逆变器电缆风轮支架水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结PG电子官方网站 PG电子网址构第16页/共119页2021-7-31并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示风轮增速器交流发电机主继电器主开关变压器转速测量晶闸管熔断器风速测量控制系统功率测量电容补偿电网并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图第17页/共119页2021-7-31并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的基本结构第18页/共119页2021-7-313.2.2风力机风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：a.荷兰式b.农庄式c.自行车式d.桨叶式图3-9水平轴风力机第19页/共119页2021-7-312、垂直轴风力机：图-10垂直轴风力机第20页/共119页2021-7-31水平轴垂直轴第21页/共119页2021-7-313.2.3风力机的气动原理风轮旋转平面空气总动力F相对风向角迎角风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。图3-11风力机的叶片翼型及受力第22页/共119页2021-7-31现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量ν吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力可以分解为与相对风速方向平行的阻力FD和垂直于风向的升力FL升力使风力机旋转，实现能量的转换。第23页/共119页2021-7-31风力机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：第24页/共119页2021-7-31对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比λm，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比λm不变。在桨距角一定时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所示。CpCpm图3-13风力机的利用系数与叶尖速比的关系第25页/共119页2021-7-313.2.4风力发电机在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核