风力发电实验指导资料

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1、1 风力发电实验 风力发电实验 风能是一种清洁的可再生能源，蕴量巨大。全球的风能约为 2.710 8万千瓦，其中可利用的风能为 210 6万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大 10 倍。随着全球经济的发展，对能源的需求日益 增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。 大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策， 也是我国经济社会可持续发展的客观要求。 发展风 电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。近几年，随着我国的 风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。 据 2011 年 4 月国家电网公司促进风电发展白皮书 。截至 2010

2、年底，全国风电并网容量 2956 万千瓦， “十一五” 期间年均增速接近 100%。 2010 年， 全国风电机组平均利用小时数 2097 小时。蒙东、 蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到 21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，风电利 用已达到较高水平。 预计到 2015 年， 我国风电规模将超过 9000 万千瓦， 2020 年将达到 1.5 亿千瓦以上。 与其它能源相比，风力，风向随时都在变动中。为适应这种变动，最大限度地利用风能，近年来在 风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面，都进行 了大量的研究，取得重大进展，为风

3、力发电的飞速发展奠定了基础。 风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会， 普及风电知识， 在高等院校培养相关专门人才已 成当务之急。 实验一实验一 风电模型系统实验风电模型系统实验 实验内容实验内容 1）风速，螺旋桨转速（也是发电机转速） ，发电机感应电动势之间关系测量 2）测量扭曲型可变浆距 3 叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数 CP关系 3）切入风速到额定风速区间功率调节实验 4）额定风速到切出风速区间功率调节实验 变浆距调节 5）风帆型 3 叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数 CP关系的测量 6）平板型 4 叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数 CP关系的测量 实验原理 实验原理 1、风能与风速测

4、量 风是风力发电的源动力， 风况资料是风力发电场设计的第一要素。 设计规程规定一般应收集有关气 象站风速风向 30 年的系列资料，发电场场址实测资料一年以上。在现有技术及成本条件下，在年平均 风速 6 米以上的场址建风力发电站，可以获得良好的经济效应。风力发电机组的额定风速，也要参考年 平均风速设计。 设风速为 V1，单位时间通过垂直于气流方向，面积为 S 的截面的气流动能为： 2 ) 1 ( 2 1 2 1 3 1 2 1 SVmVP 空气的动能与风速的立方成正比。 （1）式中为空气密度，由气体状态方程，密度与气压 p，绝对温度 T 的关系为： )2(1049. 3 3 T p RT Mp

5、（2）式中 M 是气体的摩尔质量，R 为普适气体常数。气压会随海拔高度 h 变化，代入 0C 时反映 气压随高度变化的恒温气压公式： )3(1025. 11 (10013. 1)1 ( 45 00 hh RT Mg pepp h RT Mg （3）式在 h 小于 2km 时比较准确。将（3）式代入（2）式： )4( 1025 . 1 1 1053 . 3 4 2 T h （4）式中 h 的单位为米，在标准大气压下（T=273K，h=0） ，空气密度值为 1.293kg/m3。 （4）式表明海拔高度和温度是影响空气密度的主要因素，它是一种近似计算公式，实际上，即使 在同一地点，同一温度，气压与湿

6、度的变化也会影响空气密度值。在不同的书籍中，经常可看到不同的 近似公式。 测量风速有多种方式，目前用得较多的是旋转式风速计及热线（片）式风速计。 旋转式风速计是利用风杯或螺旋桨的转速与风速成线性关系的特性， 测量风杯或螺旋桨转速， 再将 其转换成风速显示。旋转式风速计的最佳测量范围是 540m/s。 热线（片）式风速计有一根被电流加热的金属丝（片） ，流动的空气使它散热，利用散热速 率和风速之间的关系，即可制成热线（片）风速计。在小风速（5m/s 以下）时，热线（片）式 风速计精度高于旋转式风速计。 2、发电方式与发电机选择 风力发电有离网运行与并网运行 2 种发电方式。 离网运行是风力发电机

7、与用户组成独立的供电网络。由于风电的不稳定性，为解决无风时的供电， 必需配有储能装置，或能与其它电源切换，互补。中小型风电机组大多采用离网运行方式。 并网运行是将风电输送到大电网中，由电网统一调配，输送给用户。此时风电机组输出的电能必需与 电网电能同频率，同相位，并满足电网安全运行的诸多要求。大型风电机组大都采用并网运行方式。 发电机由静止的定子和可以旋转的转子两 大部分组成，定子和转子一般由铁芯和绕组组 成，铁芯的功能是靠铁磁材料提供磁的通路， 以约束磁场的分布，绕组是由表面绝缘的铜线 缠绕的金属线圈。 发电机原理可用图 1 说明。转子励磁线圈 通电产生磁场，风轮带动转子转动，定子绕组 切割

8、磁力线，感应出电动势，感应电动势的大 小与导体与磁场的相对运动速度有关。 风力发电机都是 3 相电机，图 1 中定子绕 组只画了 1 相中的 1 组，对应于一对磁极，若 电机中每相定子绕组由空间均匀分布的 P 组串联的铁芯和绕组组成，则会形成 P 对磁极。 风力发电常用的发电机有以下 3 种。 1. 永磁同步直驱发电机 N 定子 n 转子 S 图 1 发电机原理示意图 3 永磁同步电机的转子采用永磁材料制造，省去了转子励磁绕组和相应的励磁电路，无需励磁电源， 转子结构比较简单，效率高，是今后电机发展的主流机型之一。 永磁发电机通常由风轮直接驱动发电，没有齿轮箱等中间部件，提高了机组的可靠性，减

9、少了传动 损耗，提高了发电效率，在低风速环境下运行效率比其它发电机更高。 大型风机风轮的转速最高为每分几十转， 采用直驱方式， 发出的交流电频率远低于电网交流电频率。 为满足并网要求，永磁风力发电机组采用交流-直流-交流的全功率变流模式，即风电机组发出的交流电 整流成直流， 再变频为与电网同频同相的交流电输入电网。 全功率变流模式的缺点是对换流器的容量要 求大，会增加成本。优点是风轮的转速可以根据风力优化，最大限度的利用风能，能提供性能稳定，符 合电网要求的高品质电能。 本实验采用的发电机为永磁同步电机。国内的金风科技等风电企业采用永磁发电机。 2. 双馈式变速恒频发电机 由发电机原理可知，若

10、发电机转子转速为 fm（通常用 f 表示每秒转速，n 表示每分转速） ，电机的 极对数为 p，转子励磁电流为频率为 f1的交流电，则发出的交流电频率为： f pfm f1 （5） 上式表明，当风轮转速发生变化导致发电机转子转速变化时，可以调整励磁电流的频率，使输出电 流频率不变。 双馈式发电机的定子端直接连接电网，f 为 50Hz。当 pfm小于 50Hz 时，为亚同步状态， （5）式中 f1前面取正号，由电网通过变频电路向励磁电路提供频率为 f1的交流励磁电流，使输出恒定在 50Hz。 当 pfm等于 50Hz 时，为同步状态，变频电路向励磁电路提供直流励磁电流。当 pfm大于 50Hz 时

11、，为超 同步状态， （5）式中 f1前面取负号，输出恒定仍在 50Hz。此时励磁电流流向反向，由励磁电路通过变 频电路向电网提供能量。即发电机超同步运行时，通过定子电路和转子电路双向向电网馈送能量。 由于风轮转速远低于电网频率要求的转速， 风轮提供的能量要通过变速箱增速， 再传递给发电机转 子。 当风轮的转速变化时， 双馈式发电机只需对励磁电路的频率进行调节， 就可控制输出电流的频率与 电网匹配，实现变速恒频。由于励磁功率只占发电机额定功率的一小部分，只需较小容量的双向换流器 就可实现。 双馈式发电机是目前风电机组采用最多的发电机。 3. 恒速恒频发电机 恒速恒频机组一般采用感应发电机，感应发

12、电机又称异步发电机，它是利用定子绕组中 3 相交流电产 生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而工作的。 运行时定子直接接外电网， 转子不需外加励 磁。转子以超过同步速 3%5%的转速运行，定子旋转磁场在转子绕组中感应出频率为 f1的感应电流， （5）式中 f1的前面取负号。当转子转速略有变化时，f1的频率随之改变，而输出电流频率始终与电网 频率一致，无需加以调节。 恒速恒频发电机风轮与发电机转子之间通过变速箱增速。 感应发电机转子不需外加励磁，没有滑环和电刷，结构简单，基本无需维护，运行控制也很简单， 早期风电机组很多采用这种发电机。但感应发电机转速基本恒定，对风轮最大限度捕获风能非常不

13、利， 比前述两种发电机年发电量低 10%以上，现在的大型风电机组已很少采用。 3、风能的利用 风机能利用多少风能？什么条件下能最大限度的利用风能？这是风机设计的首要问题。 风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于 1926 年建立的。贝兹假定风轮是理想的，气 流通过风轮时没有阻力， 气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的， 并且气流通过风轮前后的速度为轴向方 向。 以 V1表示风机上游风速， Vo表示流过风机叶片截面 S 时的风速， V2表示流过风扇叶片截面后的下 游风速。 根据冲量定律，流过风机叶片截面 S，质量为m 的空气，在风机上产生的作用力为： 4 )6()( )()( 210 2

14、1021 VVSV t VVtSV t VVm F 风轮吸收的功率为： )7()( 21 2 00 VVSVFVP 此功率是由空气动能转换而来，从风机上游至下游，空气动能的变化量为： )8()( 2 1 2 2 2 10 VVSVE 令（7） （8）两式相等，得到： )9()( 2 1 210 VVV 将（9）式代入（7）式，可得到功率随上下游风速的变化关系式： )10()( 4 1 2 2 2 121 VVVVSP 当上游风力 V1不变时，令 dP/dV2=0，可知当 V2=1/3V1时（9）式取得极大值，且： )11( 27 8 3 1max SVP 将上式除以气流通过风机截面时空气的动能

15、，可以得到风力机的最大理论效率(贝兹极限)： )12(593. 0 27 16 2 1 3 1 max max SV P 风力机的实际风能利用系数 （功率系数） CP定义为风力机实际输出功率与流过风轮截面 S 的风能之比。 CP随风力机的叶片型式及工作状态而变，并且总是小于贝兹极限，商品风机工作时，CP一般在 0.4 左 右。 风力机实际的功率输出为： )13( 2 1 3 1 SVCP P 在风电机组的设计过程中，通常将风轮转速与风速的关系合并为一个变量叶尖速比，定义为风轮叶片 尖端线速度与风速之比，即： )14( 1 V R 上式中为风轮角速度，R 为风轮最大旋转半径 （叶尖半径） 。 理

16、论分析与实验表明，叶尖速比是风机的重要 参数，其取值将直接影响风机的功率系数 CP。 图2表示某风轮叶尖速比与功率系数CP的关系， 由图可见在一定的叶尖速比下， 风轮获得最高的 风能利用率。 对于同一风轮，在额定风速内的任何风速， 叶尖速比与功率系数的关系都是一致的。 不同翼型或叶片数的风轮，CP曲线的形状不一样，CP最大值与最大值对应的 值也不一样。 叶尖速比在风力发电机组的设计与功率控制过程中都是重要参数。 0.5 CP 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 4 6 8 图 2 风轮叶尖速比与功率系数 CP关系 5 目前大型风机都采用 3 叶片设计。增多叶片会增加风轮质量，增加成本。CP最大值取决于风轮叶片翼 型设计，与叶片数量关系不大。 4、风电机组的功率调节方式 任何地方的自然风力都是随时变动的，