风力发电机组及其控制系统
内容提要
风力发电基本原理 发电系统基础理论 控制系统设计 防雷接地系统
风力发电基本原理
风的产生 风的特性 风的表示法： 风向、风速、风级 风的特性： 1）风的随机性 2）风随高度变化而变化 风能：风能密度、风能
风的特性
以风轮轴安装形式分 水平轴风机：风轮的旋转轴与风向平行 -> 升力型风机：旋转速度较快 -> 阻力型风机：旋转速度较慢 -> 上风向：风轮在塔架前面 -> 下风向：风轮在塔架后面 垂直轴风机：风轮的旋转轴与地面或气流方向垂直
风机的分类
（1）
（2）
（3）
按运行方式分 独立运行风力发电机组 并网运行风力发电机组 按功率分：微型（50～1000W） 小型（1～10KW） 中型（10～100KW) 大型（>100KW)
风机的分类
风力发电机的结构
独立运行的风力发电机组 水平轴独立运行的风力发电机组由 风轮、尾舵、发电机、支架、电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成
风力发电机的结构
并网运行的风力发电机组 并网运行的发电机组由风轮、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成
风力发电机组的工作原理
在并网运行风力发电机组中，当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮的叶片上产生的力驱动风轮叶片低速转动，将风能转换成机械能，通过传动系统由增速箱增速，将动力传递给发电机，发电机将机械能转变为电能。 由于风向经常变化，为了有效的利用风能，在风机上装有迎风装置。 迎风装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮相啮合的小齿轮转动，使机舱始终对准风向方向。
风力机的气动原理
风车简化为一维流管： 一维动量方程，风轮轴向推力： 一维不可压缩流的连续方程： 伯努力方程：
风力机的气动原理
在风机上游： 在风机下游： 风机上获得的推力： 风轮盘面气流速度：
风力机的气动原理
风机损失的能量： 轴向诱导因子 风轮处速度 风轮尾流速度 可以看出，一半的轴向气流损失发生在流经制动桨盘时，另一半在下风向。 风轮上获得的功率 风能利用系数
风力机的气动原理（叶素理论）
叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，如图所述，多个圆环，半径，径向宽。在每个叶素上作用的气流相互之间没有干扰，作用在叶片上的力可分解为升力和阻力二维模型，作用在每个叶素单元的合力流速与叶片平面的夹角为攻角。翼型特征系数和随攻角的改变而改变。
风力机的气动原理（叶素理论）
作用在叶素上的合力流速为： 其中 是合力流与旋转平面的夹角，可以称之为入流角。
风力机的气动原理（叶素理论）
攻角 可表示为： 作用在单位圆环径向宽上的升力分量 ，与合力流方向垂直，表达式为： 阻力分量与合力流 方向平行，表达式为：