《风力发电基础课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力发电基础课件.ppt（66页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1 风力机能量转换过程,2 翼型的空气动力学,单元六 风力发电基本理论,3 叶片基本理论,4 变流技术,风力发电基础理论,气流动能为：,一、风力发电机机能量转换过程,m-空气质量，v -气流速度,单位时间内气流流过截面积为S的气体所具有的动能为：,1.风能的计算,在国际单位制中， 的单位是 kg/m3； 的单位是m/s， 的单位是W。,风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成正比。其中 和 是随地理位置、海拔、地形等因素而变。,重播,风力发电机基础理论,2.理想风轮与贝兹(Betz)理论,假设条件：,1）气体通过风轮时没有阻力；,2）气流经过风轮扫掠面时是均匀的；,3）气流通
2、过风轮前后的速度为轴向方向。,因此：,前后空气体积相等：,S1v1=Sv=S2v2,风力发电机基础理论,2.理想风轮与贝兹(Betz)理论,风力发电机基础理论,单位时间内风轮上的受力：,F= mv1-mv2,风轮吸收的功率：,风轮吸收的功率又等于风轮前后动能（单位时间）的变化：,求其最大功率可令 得 ，,2.理想风轮与贝兹(Betz)理论,经过风轮风速变化产生的功率为：,风力机的理论最大效率：,贝兹理论的极限值,最大理想功率为：,风力发电机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分为留在尾流中的旋转动能。,风力发电机基础理论,3.风力机的主要特性系数,1) 风能利用系数 ：,风力机的实际
3、功率：,2) 叶尖速比 ：,表示风轮在不同风速中的状态，用叶片圆周速度与风速比来衡量,风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度,且,风轮的转速，单位: r/s,风轮角频率，单位: rad/s,风轮半径，单位: m,上游风速，单位: m/s,风力发电机基础理论,3.风力发电机的主要特性系数,3) 转矩系数 ：,气流作用下的风轮机产生的转矩,4) 推力系数 ：,气流作用下的风轮机产生的推力,风力发电机基础理论,实际,4.动量定理,风力发电机基础理论,风力机的理论最大效率：,理想,4.动量定理,风力发电机基础理论,作用在整个风轮上的轴向力(推力),作用在风轮平面dr 圆环上的转矩,实际,作用在整个风轮
4、上的转矩,4.动量定理,风力发电机基础理论,作用在整个风轮上的轴向力(推力),作用在整个风轮上的转矩,实际,4.动量定理,风力发电机基础理论,作用在整个风轮上的轴向力(推力),作用在整个风轮上的转矩,风轮轴功率,风轮功率系数,实际,风力发电机基础理论,一般旋转尾迹的这部分动能将随转子力矩的增大而增加。所以，低转速风轮（小转速、大转矩）要比高转速（低转矩）产生大的尾迹旋转损失。（功率不变）,叶片的几何参数,叶片长度是叶片展向方向上的最大长度,叶片弦长是叶片各剖面处翼型的弦长。用c（或l）来表示,1. 叶片的几何参数,叶片是风轮的主要部件，是机组捕捉风能部件，叶片的横向剖面叫翼型。,叶片的几何参数
5、,1) 叶片的翼型,2. 翼型的几何参数与气流角,风向,叶片的几何参数,弦长,攻角,升力角,零升力角,攻角：来流方向与弦长线的夹角,升力角：来流方向与零升力线夹角,零升力角：弦长线与零升力线夹角,弦长：两端点连线方向上翼型的最大长度,A,前缘,B,后缘,1) 叶片的翼型,2. 翼型的几何参数与气流角,叶片的几何参数,最大厚度,最大厚度：即弦长法线方向之翼型最大厚度,翼型中线最大弯度,弯度：翼型中线与弦长间的距离。,翼型中线,升力如何产生？,叶片的几何参数,升力与阻力(D为阻力，L为升力 ),平板与气流方向垂直时的情况，此时平板受到的阻力最大，升力为零,当平板与气流方向有夹角时，在平板的向风面会
6、受到气流的压力，在平板的下风面会形成低压区，平板两面的压差就产生了侧向作用力F，该力可分解为阻力D与升力L。,当夹角较小时，平板受到的阻力D较小；此时平板受到的作用力主要是升力L。,截面为流线型的翼片阻力很小，即使与气流方向平行也会有升力，因为翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，翼片就受到向上的升力作用。,叶片的几何参数,压力中心即气动合力的作用点，是合力作用线与翼弦的交点。作用在压力中心上的只有升力与阻力，而无力矩。 压力中心的位置通常用距前缘的 距离表示，大多数普通翼型的气动中心位于0.25倍弦长处。,压力中心（又称气动中心）,A,B,2) 叶片上的气
7、动力,总的气动力，Cr总气动系数,C,升力：与气流方向垂直 Cl升力系数,阻力：与气流方向平行 Cd阻力系数,相对前缘点由F产生的力矩,Cd、Cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。,叶片的几何参数,2. 翼型的几何参数和气流角,压力中心,前缘,后缘,2.升力和阻力的变化曲线,对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加。,叶片的几何参数,升力系数与阻力系数是随攻角变化的,升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。,失速点,截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。,翼型几何
8、参数对翼型空气动力特性的影响,前缘半径的影响,它对翼型的最大升力系数有重要影响：雷诺数为9106，翼型的最大升力系数Clmax变化图可知：前缘半径较大时，翼型有更高的最大升力系数。,相对厚度的影响,翼型相对厚度对翼型最大升力系数Clmax的影响图,同一翼型系列中，当相对厚度增加时，将使最小阻力增大。另外，最大厚度的位置靠后时，可以减小最小阻力。相对厚度对俯仰力矩系数的影响很小。,弯度的影响,一般情况下，增加弯度可以增大翼型的最大升力系数Clmax ，特别是对前缘钝度较小和较薄的翼型尤为明显。另外，当最大弯度的位置靠前时，最大升力系数较大。,翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响,表面粗糙度的影响
9、,由于受到沙尘、油污和雨滴的浸蚀，使风力机叶片表面，特别是前缘变得粗糙。而翼型表面粗糙度，特别是前缘粗糙度对翼型空气动力特性有重要影响。,翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响,使边界层转捩位置前移，转捩后边界层厚度增厚，减少了翼型的弯度，从而减小最大升力系数；使层流边界层转捩成湍流边界层，使摩擦阻力增加。另外，当在翼型的适当位置，如在翼型下表面后缘贴粗糙带时，则可以增大升阻比。,翼型表面结冰的影响,翼型几何参数对翼型空气动力特性的影响,风力机在冬季寒冷地区运行时，当低温的小水滴碰撞风轮叶片，在风轮叶片上会生成霜冰或光冰，使风轮叶片剖面形状改变。,虽然霜冰增加了风力轮叶片的表面粗糙度，但是由于霜
10、冰形成非常流线型的形状，因此，对翼型空气动力特性影响较小。 当翼型表面生成光冰时，则叶片前缘的形状发生改变，叶片上的升力减小，阻力增大，焦点位置也发生改变。这样，不但影响风力机的功率输出，还影响风力机的控制，严重时会造成风力机损坏。,3. 旋转叶片的气动力(叶素分析),基本思想,1) 将叶片沿展向分成若干微段叶片元素(简称叶素)； 2) 视叶素为二元翼型，即不考虑展向的变化； 3) 作用在每个叶素上的力互不干扰； 4) 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。,取一长度为dr的叶素，在半径r处的弦长为l。,叶片的几何参数,3. 旋转叶片的气动力(叶素分析),叶
11、片的几何参数,3. 旋转叶片的气动力(叶素分析),风向,v,- u,w,运动旋转方向,安装角（节距角）： 回转平面与叶片截面弦长的夹角,驱动功率dPw=dT,叶片的几何参数,相对 速度,倾斜角,风输入的总气动功率:P=vFa,旋转轴得到的功率:Pu=T,风轮效率=Pu/P,3. 旋转叶片的气动力(叶素分析),风向,v,- u,w,运动旋转方向,驱动功率dPw=dT,叶片的几何参数,叶片的基本理论,四、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）,对于有限长的叶片，风轮叶片下游存在着尾迹涡，它形成两个主要的涡区：一个在轮毂附近，一个在叶尖。有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力
12、机效率有所下降。,1) 中心涡，集中在转轴上； 2) 每个叶片的边界涡； 3) 每个叶片尖部形成的螺旋涡。,涡流理论,叶片静止时，据赫姆霍兹定理，叶片附着涡和后缘尾涡组成马蹄涡系。简化后，将叶片分成无限多沿展向宽度很小的微段。,当叶片旋转时，从后缘拖出的尾涡系将变成一个由螺旋形涡面组成的复杂涡系。而且随着涡与涡之间的相互干扰，该涡系不断变形。,涡流理论,涡流理论,叶片数无限多，且实度一定，从而叶片尖部后缘拖出的尾涡形成一个管状的螺旋形涡面。,叶片的基本理论,四、涡流理论（叶片数的影响及实际风力机Cp曲线）,有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失，使风力机效率有所下降。,Betz极限,
13、理想的Cp曲线,实际的Cp曲线,型阻损失,0,实际风力机曲线如下图所示：,失速损失,变流技术,变流技术,用电力电子器件构成各种电力变换的电路，对电路进行控制，以及用这些技术构成更为复杂的电力电子装置和系统。,变流技术,整流技术,变流技术,整流技术,不可控电路,半控电路,全控电路,由不可控二极管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。,由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。,整流元件都是可控的，其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节,变流技术,整流技术,不可控电路,半控电路,全控电路,由不可控二极
14、管组成，电路结构一定之后其直流整流电压和交流电源电压值的比是固定不变的。,由可控元件和二极管混合组成，在这种电路中，负载电源极性不能改变，但平均值可以调节。,整流元件都是可控的，其输出直流电压的平均值及极性可以通过控制元件的导通状况而得到调节,常规整流环节广泛采用了二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，对电网注入了大量谐波及无功，造成电网“污染”。,PWM技术+整流技术,PWM整流器,变流技术,整流技术,PWM整流器,三相桥式PWM整流电路,三相桥式PWM整流电路，是最基本的PWM整流电路之一，应用最广。,优点：交流输入侧能得到较高的功率因数；减小电流的畸变并且能够将再生能量回馈给交流侧；保
15、持直流侧的电压恒定(由整流器本身的特点决定),变流技术,斩波技术,将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。,基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。,变流技术,斩波技术,降压斩波电路 （Buck Chopper）,升压斩波电路 （Boost Chopper）,典型用途 拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。,变流技术,斩波技术,降压斩波电路 （Buck Chopper）,升压斩波电路 （Boost Chopper）,变流技术,斩波技术,降压斩波电路 （Buck Chopper）,升压斩波电路 （Boost Chopper
16、）,典型用途 用于直流电动机传动 用作单相功率因数校正（PFC）电路 用于其他交直流电源中,变流技术,斩波技术,降压斩波电路 （Buck Chopper）,升压斩波电路 （Boost Chopper）,变流技术,逆变技术,与整流相对应，直流电变成交流电,交流侧接电网，为有源逆变 交流侧接负载，为无源逆变,逆变技术,变流技术,电压逆变电路,电流逆变电路,直流侧电源性质,直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,电压型全桥逆变电路,特点,逆变
17、技术,变流技术,电压逆变电路,电流逆变电路,180导电方式,每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度相差120,任一瞬间有三个桥臂同时导通,每次换流都是在同一相上下两臂之间进行,直流侧电源性质,逆变技术,变流技术,电压逆变电路,电流逆变电路,直流侧电源性质,特点,直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。,电流型三相桥式逆变电路,逆变技术,变流技术,电压逆变电路,电流逆变电路,直流侧电源性质,目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技
18、术。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。,逆变技术,变流技术,电压逆变电路,电流逆变电路,直流侧电源性质,三相桥式PWM型逆变电路,典型的变流技术,不可控整流+Boost+逆变方案,风力机与永磁同步发电机直接连接，将风能转换为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流电，经过Boost电路升压后，再经过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接到电网。,实现最大功率跟踪、最大效率利用风能,在小功率和兆瓦级直驱型风力发电系统中均有应用,典型的变流技术,双PWM背靠背方案,风力机与永磁同步发电机直接连接
19、，发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。,实现对发电机调速和输送到电网电能的优良控制,九洲电气股份有限公司,典型的变流技术,不控整流+BOOST+IGBT逆变全功率变流器,变流器采用“二级管不控整流+升压斩波+PWM逆变”的结构,实现将变压变频的交流电转化为符合并网要求的交流电，完成风力发电机组的并网,1.5MW全功率风电变流器控制箱,安全保护系统,控制系统保护,微机控制器抗干扰保护,抗干扰系统,微机控制器,注意总线的驱动能力；总线的终端负载；防止总线竞争。在有干扰时，采取措施，保证微机正常工作,原则,安全保护系统,控制系统保护,微机控制器抗干扰保护,抗干扰系统,微机控制器,原则,信号传输,信
20、号传输线路使用屏蔽电缆；注意传输线最大长度的限制。,电源电路,减少电源变压器的泄漏磁通；采用性能好的稳压电源。,安全保护系统,控制系统保护,掉电往往出现在天气恶劣、风力较强时，紧急停机将会对风力发电机组的寿命造成一定影响。,电网掉电保护,安全保护系统,控制系统保护,电网掉电保护,掉电-彻底失去电源,产生原因： 雷击 电力传输电缆故障 自然灾害等,在控制系统电源中加设在线UPS后备电源。,安全保护系统,控制系统保护,电网掉电保护,在控制系统电源中加设在线UPS后备电源。,正常工作时,安全保护系统,控制系统保护,电网掉电保护,在控制系统电源中加设在线UPS后备电源。,电池工作时,安全保护系统,接地
21、保护,主要作用,保证电器设备安全运行 防止设备绝缘被破坏时可能带电，以致危及人身安全 保护装置迅速切断故障回路，防止故障扩大,安全保护系统,主要作用,主要方式,保护接地,保护接零,工作接地,外壳对地电压限制在安全电压以内，防止人身触电事故。,促使熔体在允许时间内切断故障电路，以免发生触电事故。,降低人体的接触电压，迅速切断故障设备。,接地保护,安全保护系统,主要作用,主要方式,接地保护,机组的接地体,安全保护系统,超速保护,风力发电机组通过三种不同的方法防止机组系统过速，三种方法相互独立并且都能使机组动作确保机组的安全运行。,转速超速保护,叶轮超速保护,发电机转速超过额定转速110%时，控制器发出正常停机指令，同时报告“叶轮过速”或“发电机过速”故障。,监控叶尖压力执行叶轮过速保护,受液压系统控制的“突开阀”在风轮超速时打开，使得机组停机保护,