《风力发电技术》陈铁华编|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《风力发电技术》

【作　者】陈铁华编

【丛书名】卓越工程能力培养与工程教育专业认证系列规划教材

【页 数】 248

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2021.02

【ISBN号】978-7-111-67172-5

【分 类】风力发电-高等学校-教材

【参考文献】 陈铁华编. 风力发电技术. 北京：机械工业出版社, 2021.02.

图书封面：

图书目录：

《风力发电技术》内容提要：

本书比较全面地介绍了风力发电系统组成及工作原理、风力发电机组结构、并网运行与控制及风电机组安全保护等内容。全书共8章，包括风力发电原理、风力发电机组结构、风力发电机及变流器、变桨偏航制动系统、液压系统、风力发电机组运行与控制、风电场SCADA系统、风力发电机组安全与保护。 本书可作为大学本科和高等职业技术学院及各类风电技术培训班的教学用书，也可作为风电场和风电领域里管理人员、技术人员及风电爱好者自学读物。

《风力发电技术》内容试读

第1章

风力发电概述

人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前，风能曾经作为重要的动力，用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面及锯木等。到了19世纪末，开始利用风力发电，尤其是在石油危机后，世界各国开始研制风力发电机，尽管过程曲折，但20世纪70年代以后，风力发电还是进入了一个蓬勃发展的阶段。

1.1风力发电的能量转换过程

1.1.1风力发电机组工作过程

风力发电机组（简称风电机组）工作过程如图1-1所示，风力机将风能转换为机械能，主传动系统将机械能传递到发电系统将机械能进一步转换为电能，并将电能通过电气设备送到电力系统中。因此，风电机组主要由风力机、齿轮箱、发电机及附属设备组成，其功能是将风能转换为电能。风力发电过程包括两方面内容，其一是能量转换，其二是对能量转换过程的控制。

电网

变压器

风

M Qr

Mm 22m

P

主传动系统

制动装置

发电系纷

转速测量

变桨距系统

风力机

调速

测风

风速、风向

功率测量

系统

控制系统

偏航系统

图1-1风电机组工作过程

1.能量转换

风力机所捕获的是风的动能，风的动能大小可用风功率来表示。风功率是指单位时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能。在时间t内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能为

1

风力发电技术

(1-1)

2

式中W一风能(J);

p—空气密度(kg/m3)；v一来流速度(m/s);

A一面积(m2)。

所以风功率为

Pw-W/i-2pA

(1-2)

由式(1-2)可见，风功率与风速的三次方成正比。当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率为

P.=M2,

式中P,一风轮的输出功率(W)；

M,一风轮的输出转矩(N·m);

2.一风轮的角速度(rad/s)。

风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可以使转矩和转速发生变化，于是有

P=MO=M.O.nm

(1-3)

式中Pm一主传动系统的输出功率(W);

Mm一主传动系统的输出转矩(N·m);2m一主传动系统的输出角速度(rad/s);刀m—主传动系统的总效率。

主传动系统将动力传递给发电系统，发电系统把机械能变为电能。发电系统的输出功率为

P.=√3U1cosφ=Pm7e

(1-4)

式中P。一发电系统的输出功率(W);

U一三相绕组上的线电压(V);

一流过绕组线电流（A);

cos中一功率因数；

门。一发电系统的总效率。

对于并网型风电机组，发电系统输出的电压经过变压器升压后，即可输入电网。

2.能量转换控制

能量转换控制由风电机组的控制系统完成，包括风力发电过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。当出现恶劣的外部环境或机组零件突然失效时，应该紧急停机。

图1-1中，风速、风向、风力机转速、发电机功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，这些是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行处理和比较，及时发出控制指令，即输出信息。

对于变桨距机组，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统

2

第1章

风力发电概述

改变风轮叶片的桨距角，从而控制风电机组输出功率。在起动和停止过程中，也需要改变叶片的桨距角。

对于变速型机组，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力机最大限度地捕获风能。

当风轮的轴向与主风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴线位置，使风轮始终对准来风方向。

当需要停机时，控制系统发出停机指令，除了借助变桨系统实现空气制动外，还可以通过安装在传动轴上的机械制动装置实现机械制动。

1.1.2风力发电机组的主要参数

1.风轮直径D(或风轮扫掠面积)

风轮直径是指风轮在旋转平面上的投影圆的直径，风轮扫掠面积是指风轮在旋转平面上的投影面积。风轮直径的大小与风轮的功率直接相关。风轮直径（或风轮扫掠面积）说明机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量，是机组能力的基本标志。

风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，低风速区宜选用较大直径的风轮，高风速区宜选用较小直径的风轮。

2.额定功率

额定功率是与机组配套的发电机铭牌功率，其定义是在正常工作条件下，风电机组按设计要求达到的最大连续输出的电功率。

风电机组的额定功率和风轮直径（或风轮扫掠面积）是风电机组最主要的参数，是产品型号的组成部分。

在风电机组产品样本中，都有一个功率曲线图，

600变桨距风机

如图1-2所示，横坐标是风速，纵坐标是机组的输

500

出功率。功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机400

定桨距风机

组开始向电网输出功率时的风速称为切人风速。随着风速的增大，输出功率上升，输出功率大约与风

200

速的三次方成正比，达到额定功率值时的风速称为额定风速。此后风速再增大，由于风轮的调节，功

100

率保持不变。定桨距风轮因失速有个过程，超过额

10152025

风速/(m/s)

定风速后功率略有上升，然后又下降。如果风速继

图1-2风功率曲线图

续增大，为了保护机组的安全，规定了允许机组正

常运行的最大风速，称为切出风速。机组运行时遇到这样的大风时必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为零，功率曲线到此终止。

3.风能利用系数Cp

风轮接受的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值称为风能利用系数。它表示风轮从自然风能中吸收能量的程度，即能量转换效率，是衡量风力机性能的主要指标。根据贝茨理论，风力机的最大风能利用系数是59%，而实际的风力机是达不到这个理想数据的，各种形式的风轮接受风力的风能利用系数是不同的，阻力型风力机的风能利用系数较低，升力型风力机的风能利用系数较高。综合考虑风力发电机组风轮的风能利用系数和机械

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风力发电技术

传动系统效率、发电机效率等，即风力发电机的全效率，表1-1列出了各种形式的风力发电机的全效率。

表1-1不同形式风力发电机的全效率

风轮形式

全效率

阻力型垂直轴风力机（平板式）

不超过12%

阻力型垂直轴风力机（风杯式）

不超过7%

阻力型垂直轴风力机(S形)

不超过25%

升力型垂直轴风力机

15%-30%

多叶片风轮水平轴风力机

10%-30%

扭曲叶片风轮水平轴风力机(1-10kW)

15%-35%

扭曲叶片风轮水平轴风力机(10-100kW)

30%-45%

扭曲叶片风轮水平轴风力机(100kW以上)

35%-50%

4.实度σ

风轮的实度是指叶片在风轮旋转平面上的投影面积的总和与风轮扫掠面积之比，实度大小取决于尖速比，如图1-3所示。对于水

平轴风力机，σ=BS/(πR2);对于垂直轴

风力机，G=BC/(2πR),B是叶片个数。

实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。实度大的风轮尖速比较低，实度小的风轮，尖速比较高，对于风力提水机，因为需要转矩大，所以风轮实度取的

a)水平轴风力机风轮

b)垂直轴风力机风轮

大；对于风力发电机，因为要求转速高，

图1-3风轮实度

所以风轮实度取的小。自起动风电机组的

实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速小，要求实度大。通常风电机组的实度为5%~20%。

实度的大小要考虑以下两个重要因素：1)风轮的转矩特性，特别是起动转矩。2)风轮的转动惯量及电机传动系统特性。

5.尖速比入

风轮的尖速比是风轮的叶尖线速度和风速之比。尖速比是风电机组的一个重要设计参数，通常在风电机组总体设计时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风电机组没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机的风轮就具有较高的效率。不同的尖速比意味着所选用或设计的风轮实度具有不同的数值。设计要求的尖速比是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。

在同样直径下，高速风电机组比低速风电机组成本要低，由阵风引起的动载荷影响亦要小一些。另外，高速风电机组运行时的轴向推力比静止时大。高速风电机组的起动转矩小、起动风速大，因此要求选择最佳的弦长和扭角分布。如果采用变桨距的风轮叶片，那么在风轮起动时，桨距角要调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。当确定了风电机组尖速比范围之后，要根据风轮设计转速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后再用公式入三

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第1章

风力发电概述

R2/m(v为风速)进行尖速比的计算，确定其设计参数。

6.桨距角B或安装角

叶片径向位置时，叶片翼型弦线与风轮旋转面间的夹角即为桨距角，如图1-4所示。

7.叶片攻角

相对风速与叶片弦线之间的夹角即为叶片攻角，如图1-4所示。

8.与风力机运行相关的风速

风速Dw桨距角B

1)起动风速：风力机由静止开始转动，并能连续运转的

转速

最小风速。

风入口相

对速度

2)切入风速：风力机对额定负载开始有功率输出时的最

攻角a

转向

F

小风速。

3)切出风速：由于调节器作用，使风力机对额定负载停止功率输出时的风速。

翼型弦线

4)安全风速：风力机在人工或自动保护时不致破坏的最

风向

大允许风速。

轮

5)有效风速：由于风的随机性（不稳定），风力机不可能始终在额定风速下运行，所以风力机就有一个工作风速范

平

围，即从切入风速到切出速度，称为工作风速，即有效风速。

6)额定风速v1：又称为风轮设计风速，是设计与制造部图14叶片的桨距角和攻角门给出的使机组达到规定输出功率的最低风速。它与额定功率

相对应，即风电机组达到额定功率输出时，轮毂高度处的设计风速。额定风速是一个非常重要的参数，直接影响风电机组的尺寸和成本。额定风速取决于安装风电机组地区的风能资源，风能资源既要考虑平均风速的大小，又要考虑风速的频度。

知道了平均风速和频度，就可以确定额定风速1的大小，如可以以全年获得最大能量为原则来确定额定风速；也有人提出，以单位投资获得最大能量为原则来选取额定风速。

9.额定转速

空气在标准状态下，对应于机组额定风速时的风轮转速即为额定转速。

1.2风力发电机组的分类

1.2.1按照转轴布置方式分类

风电机组按照风轮旋转轴与风向的关系，可分为水平轴风电机组和垂直轴风电机组。水平轴风电机组风轮的旋转轴与风向平行，垂直轴风电机组风轮的旋转轴与地面或风向垂直。

1.水平轴风电机组

水平轴风电机组按照风向、风轮和塔架的相对位置，又分为上风向型和下风向型，风轮在塔架之前的称为上风向风电机组，反之，风轮在塔架后面的则称为下风向风电机组，如图1-5、b所示。下风向风电机组由于风轮处于塔架的下风向，受塔影影响较大，这一方面影响了风能利用系数，同时使疲劳载荷的幅值增大，同样叶片的疲劳寿命较上风向机型低，因

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风力发电技术

此下风向风电机组目前很少采用。

目前大型并网风电机组基本都是水平轴上风向型，具有对风装置（即偏航系统），使机舱能随风向改变而转动，保证风轮扫风面最大程度迎风。对于小型风电机组，为了降低成本，多数采用尾舵对风装置。

2.垂直轴风电机组

垂直轴风电机组按照叶片工作原理可分为阻力型和升力型。阻力型的典型代表为S型，

升力型按照叶片形式又可分为H型和Φ型，如图1-5c~e所示。

垂直轴风电机组在风向改变时无需对风，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，在这点上相对水平轴风电机组是一大优点，但垂直轴风电机组起动困难，大型机组不能自起动，需要电力系统驱动才能起动。

a)水平轴上风向型

b)水平轴下风向型

避雷针

张线

叶片

中轴

抱闸制动

机架

齿轮箱

发电机

c)S型

d)H型

e)Φ型

图15风电机组分类示例

1.2.2按照风力机功率调节方式分类

1.定桨距型风电机组

定桨距风电机组的主要结构特点是叶片与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，叶片桨距角不能随之变化。这一特点给定桨距风电机组提出了两个必须解决的问题：一是当风速高于额定风速时，桨叶必须利用翼型本身固有的失速特性（即当风速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低)，来限制发电机的功率输

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···试读结束···