風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)課件.ppt

1、1 風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程,2 翼型的空氣動力學(xué),單元六 風(fēng)力發(fā)電基本理論,3 葉片基本理論,4 變流技術(shù),風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)理論,氣流動能為：,一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程,m-空氣質(zhì)量，v -氣流速度,單位時(shí)間內(nèi)氣流流過截面積為S的氣體所具有的動能為：,1.風(fēng)能的計(jì)算,在國際單位制中， 的單位是 kg/m3； 的單位是m/s， 的單位是W。,風(fēng)能的大小與氣流密度和通過的面積成正比，與氣流速度的立方成正比。其中 和 是隨地理位置、海拔、地形等因素而變。,重播,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,2.理想風(fēng)輪與貝茲(Betz)理論,假設(shè)條件：,1）氣體通過風(fēng)輪時(shí)沒有阻力；,2）氣流經(jīng)過風(fēng)輪掃掠面時(shí)是均勻的；,3）氣流通

2、過風(fēng)輪前后的速度為軸向方向。,因此：,前后空氣體積相等：,S1v1=Sv=S2v2,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,2.理想風(fēng)輪與貝茲(Betz)理論,單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪上的受力：,F= mv1-mv2,風(fēng)輪吸收的功率：,風(fēng)輪吸收的功率又等于風(fēng)輪前后動能（單位時(shí)間）的變化：,求其最大功率可令 得 ，,2.理想風(fēng)輪與貝茲(Betz)理論,經(jīng)過風(fēng)輪風(fēng)速變化產(chǎn)生的功率為：,風(fēng)力機(jī)的理論最大效率：,貝茲理論的極限值,最大理想功率為：,風(fēng)力發(fā)電機(jī)從自然風(fēng)中所能索取的能量是有限的，其功率損失部分為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,3.風(fēng)力機(jī)的主要特性系數(shù),1) 風(fēng)能利用系數(shù) ：,風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率：,2) 葉尖速

3、比 ：,表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片圓周速度與風(fēng)速比來衡量,風(fēng)輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸到能量的大小和程度,且,風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，單位: r/s,風(fēng)輪角頻率，單位: rad/s,風(fēng)輪半徑，單位: m,上游風(fēng)速，單位: m/s,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,3.風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特性系數(shù),3) 轉(zhuǎn)矩系數(shù) ：,氣流作用下的風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,4) 推力系數(shù) ：,氣流作用下的風(fēng)輪機(jī)產(chǎn)生的推力,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,實(shí)際,4.動量定理,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,風(fēng)力機(jī)的理論最大效率：,理想,4.動量定理,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,作用在整個(gè)風(fēng)輪上的軸向力(推力),作用在風(fēng)輪平面dr 圓環(huán)上的轉(zhuǎn)矩,實(shí)際,作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩,4.動量定

4、理,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,作用在整個(gè)風(fēng)輪上的軸向力(推力),作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩,實(shí)際,4.動量定理,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,作用在整個(gè)風(fēng)輪上的軸向力(推力),作用在整個(gè)風(fēng)輪上的轉(zhuǎn)矩,風(fēng)輪軸功率,風(fēng)輪功率系數(shù),實(shí)際,風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論,一般旋轉(zhuǎn)尾跡的這部分動能將隨轉(zhuǎn)子力矩的增大而增加。所以，低轉(zhuǎn)速風(fēng)輪（小轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩）要比高轉(zhuǎn)速（低轉(zhuǎn)矩）產(chǎn)生大的尾跡旋轉(zhuǎn)損失。（功率不變）,葉片的幾何參數(shù),葉片長度是葉片展向方向上的最大長度,葉片弦長是葉片各剖面處翼型的弦長。用c（或l）來表示,1. 葉片的幾何參數(shù),葉片是風(fēng)輪的主要部件，是機(jī)組捕捉風(fēng)能部件，葉片的橫向剖面叫翼型。,葉片的幾何參數(shù),1) 葉片的翼型,

5、2. 翼型的幾何參數(shù)與氣流角,風(fēng)向,葉片的幾何參數(shù),弦長,攻角,升力角,零升力角,攻角：來流方向與弦長線的夾角,升力角：來流方向與零升力線夾角,零升力角：弦長線與零升力線夾角,弦長：兩端點(diǎn)連線方向上翼型的最大長度,A,前緣,B,后緣,1) 葉片的翼型,2. 翼型的幾何參數(shù)與氣流角,葉片的幾何參數(shù),最大厚度,最大厚度：即弦長法線方向之翼型最大厚度,翼型中線最大彎度,彎度：翼型中線與弦長間的距離。,翼型中線,升力如何產(chǎn)生？,葉片的幾何參數(shù),升力與阻力(D為阻力，L為升力 ),平板與氣流方向垂直時(shí)的情況，此時(shí)平板受到的阻力最大，升力為零,當(dāng)平板與氣流方向有夾角時(shí)，在平板的向風(fēng)面會受到氣流的壓力，在平

6、板的下風(fēng)面會形成低壓區(qū)，平板兩面的壓差就產(chǎn)生了側(cè)向作用力F，該力可分解為阻力D與升力L。,當(dāng)夾角較小時(shí)，平板受到的阻力D較?。淮藭r(shí)平板受到的作用力主要是升力L。,截面為流線型的翼片阻力很小，即使與氣流方向平行也會有升力，因?yàn)橐砥戏綒饬魉俣缺认路娇?，跟?jù)流體力學(xué)的伯努利原理，上方氣體壓強(qiáng)比下方小，翼片就受到向上的升力作用。,葉片的幾何參數(shù),壓力中心即氣動合力的作用點(diǎn)，是合力作用線與翼弦的交點(diǎn)。作用在壓力中心上的只有升力與阻力，而無力矩。 壓力中心的位置通常用距前緣的 距離表示，大多數(shù)普通翼型的氣動中心位于0.25倍弦長處。,壓力中心（又稱氣動中心）,A,B,2) 葉片上的氣動力,總的氣動力，C

7、r總氣動系數(shù),C,升力：與氣流方向垂直 Cl升力系數(shù),阻力：與氣流方向平行 Cd阻力系數(shù),相對前緣點(diǎn)由F產(chǎn)生的力矩,Cd、Cl是由設(shè)計(jì)的葉片決定的固有參數(shù)，也是氣動力計(jì)算的原始依據(jù)。,葉片的幾何參數(shù),2. 翼型的幾何參數(shù)和氣流角,壓力中心,前緣,后緣,2.升力和阻力的變化曲線,對有限長槳葉，葉片兩端會產(chǎn)生渦流，造成阻力增加。,葉片的幾何參數(shù),升力系數(shù)與阻力系數(shù)是隨攻角變化的,升力系數(shù)隨攻角的增加而增加，使得槳葉的升力增加，但當(dāng)增加到某個(gè)角度后升力開始下降；阻力系數(shù)開始上升。,失速點(diǎn),截面形狀（翼型彎度、翼型厚度、前緣位置）、表面粗糙度等都會影響升力系數(shù)與阻力系數(shù)。,翼型幾何參數(shù)對翼型空氣動力特

8、性的影響,前緣半徑的影響,它對翼型的最大升力系數(shù)有重要影響：雷諾數(shù)為9106，翼型的最大升力系數(shù)Clmax變化圖可知：前緣半徑較大時(shí)，翼型有更高的最大升力系數(shù)。,相對厚度的影響,翼型相對厚度對翼型最大升力系數(shù)Clmax的影響圖,同一翼型系列中，當(dāng)相對厚度增加時(shí)，將使最小阻力增大。另外，最大厚度的位置靠后時(shí)，可以減小最小阻力。相對厚度對俯仰力矩系數(shù)的影響很小。,彎度的影響,一般情況下，增加彎度可以增大翼型的最大升力系數(shù)Clmax ，特別是對前緣鈍度較小和較薄的翼型尤為明顯。另外，當(dāng)最大彎度的位置靠前時(shí)，最大升力系數(shù)較大。,翼型幾何參數(shù)對翼型空氣動力特性的影響,表面粗糙度的影響,由于受到沙塵、油污

9、和雨滴的浸蝕，使風(fēng)力機(jī)葉片表面，特別是前緣變得粗糙。而翼型表面粗糙度，特別是前緣粗糙度對翼型空氣動力特性有重要影響。,翼型幾何參數(shù)對翼型空氣動力特性的影響,使邊界層轉(zhuǎn)捩位置前移，轉(zhuǎn)捩后邊界層厚度增厚，減少了翼型的彎度，從而減小最大升力系數(shù)；使層流邊界層轉(zhuǎn)捩成湍流邊界層，使摩擦阻力增加。另外，當(dāng)在翼型的適當(dāng)位置，如在翼型下表面后緣貼粗糙帶時(shí)，則可以增大升阻比。,翼型表面結(jié)冰的影響,翼型幾何參數(shù)對翼型空氣動力特性的影響,風(fēng)力機(jī)在冬季寒冷地區(qū)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)?shù)蜏氐男∷闻鲎诧L(fēng)輪葉片，在風(fēng)輪葉片上會生成霜冰或光冰，使風(fēng)輪葉片剖面形狀改變。,雖然霜冰增加了風(fēng)力輪葉片的表面粗糙度，但是由于霜冰形成非常流線型的形

10、狀，因此，對翼型空氣動力特性影響較小。 當(dāng)翼型表面生成光冰時(shí)，則葉片前緣的形狀發(fā)生改變，葉片上的升力減小，阻力增大，焦點(diǎn)位置也發(fā)生改變。這樣，不但影響風(fēng)力機(jī)的功率輸出，還影響風(fēng)力機(jī)的控制，嚴(yán)重時(shí)會造成風(fēng)力機(jī)損壞。,3. 旋轉(zhuǎn)葉片的氣動力(葉素分析),基本思想,1) 將葉片沿展向分成若干微段葉片元素(簡稱葉素)； 2) 視葉素為二元翼型，即不考慮展向的變化； 3) 作用在每個(gè)葉素上的力互不干擾； 4) 將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，求得作用在葉輪上的氣動扭矩與軸向推力。,取一長度為dr的葉素，在半徑r處的弦長為l。,葉片的幾何參數(shù),3. 旋轉(zhuǎn)葉片的氣動力(葉素分析),葉片的幾何參數(shù),3.

11、旋轉(zhuǎn)葉片的氣動力(葉素分析),風(fēng)向,v,- u,w,運(yùn)動旋轉(zhuǎn)方向,安裝角（節(jié)距角）： 回轉(zhuǎn)平面與葉片截面弦長的夾角,驅(qū)動功率dPw=dT,葉片的幾何參數(shù),相對 速度,傾斜角,風(fēng)輸入的總氣動功率:P=vFa,旋轉(zhuǎn)軸得到的功率:Pu=T,風(fēng)輪效率=Pu/P,3. 旋轉(zhuǎn)葉片的氣動力(葉素分析),風(fēng)向,v,- u,w,運(yùn)動旋轉(zhuǎn)方向,驅(qū)動功率dPw=dT,葉片的幾何參數(shù),葉片的基本理論,四、渦流理論（葉片數(shù)的影響及實(shí)際風(fēng)力機(jī)Cp曲線）,對于有限長的葉片，風(fēng)輪葉片下游存在著尾跡渦，它形成兩個(gè)主要的渦區(qū)：一個(gè)在輪轂附近，一個(gè)在葉尖。有限葉片數(shù)由于較大的渦流影響將造成一定的能量損失，使風(fēng)力機(jī)效率有所下降。,1

12、) 中心渦，集中在轉(zhuǎn)軸上； 2) 每個(gè)葉片的邊界渦； 3) 每個(gè)葉片尖部形成的螺旋渦。,渦流理論,葉片靜止時(shí)，據(jù)赫姆霍茲定理，葉片附著渦和后緣尾渦組成馬蹄渦系。簡化后，將葉片分成無限多沿展向?qū)挾群苄〉奈⒍巍?當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，從后緣拖出的尾渦系將變成一個(gè)由螺旋形渦面組成的復(fù)雜渦系。而且隨著渦與渦之間的相互干擾，該渦系不斷變形。,渦流理論,渦流理論,葉片數(shù)無限多，且實(shí)度一定，從而葉片尖部后緣拖出的尾渦形成一個(gè)管狀的螺旋形渦面。,葉片的基本理論,四、渦流理論（葉片數(shù)的影響及實(shí)際風(fēng)力機(jī)Cp曲線）,有限葉片數(shù)由于較大的渦流影響將造成一定的能量損失，使風(fēng)力機(jī)效率有所下降。,Betz極限,理想的Cp曲線,實(shí)際

13、的Cp曲線,型阻損失,0,實(shí)際風(fēng)力機(jī)曲線如下圖所示：,失速損失,變流技術(shù),變流技術(shù),：一種電力變換的技術(shù)，相對于電力電子器件制造技術(shù)而言，是一種電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)。,內(nèi)容,：用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換的電路，對電路進(jìn)行控制，以及用這些技術(shù)構(gòu)成更為復(fù)雜的電力電子裝置和系統(tǒng)。,整流技術(shù),斬波技術(shù),逆變技術(shù),變流技術(shù),整流技術(shù),變流技術(shù),整流技術(shù),不可控電路,半控電路,全控電路,由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。,由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負(fù)載電源極性不能改變，但平均值可以調(diào)節(jié)。,整流元件都是可控的，其輸出直流電壓的平均值及極

14、性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié),變流技術(shù),整流技術(shù),不可控電路,半控電路,全控電路,由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。,由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負(fù)載電源極性不能改變，但平均值可以調(diào)節(jié)。,整流元件都是可控的，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié),常規(guī)整流環(huán)節(jié)廣泛采用了二極管不控整流電路或晶閘管相控整流電路，對電網(wǎng)注入了大量諧波及無功，造成電網(wǎng)“污染”。,PWM技術(shù)+整流技術(shù),PWM整流器,變流技術(shù),整流技術(shù),PWM整流器,三相橋式PWM整流電路,三相橋式PWM整流電路，是最基本的PWM整流電路

15、之一，應(yīng)用最廣。,優(yōu)點(diǎn)：交流輸入側(cè)能得到較高的功率因數(shù)；減小電流的畸變并且能夠?qū)⒃偕芰炕仞伣o交流側(cè)；保持直流側(cè)的電壓恒定(由整流器本身的特點(diǎn)決定),變流技術(shù),斬波技術(shù),將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。,基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。,變流技術(shù),斬波技術(shù),降壓斬波電路 （Buck Chopper）,升壓斬波電路 （Boost Chopper）,典型用途 拖動直流電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。,變流技術(shù),斬波技術(shù),降壓斬波電路 （Buck Chopper）,升壓斬波電路 （Boost Chopper）,變

16、流技術(shù),斬波技術(shù),降壓斬波電路 （Buck Chopper）,升壓斬波電路 （Boost Chopper）,典型用途 用于直流電動機(jī)傳動 用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路 用于其他交直流電源中,變流技術(shù),斬波技術(shù),降壓斬波電路 （Buck Chopper）,升壓斬波電路 （Boost Chopper）,變流技術(shù),逆變技術(shù),與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電,交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變 交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變,逆變技術(shù),變流技術(shù),電壓逆變電路,電流逆變電路,直流側(cè)電源性質(zhì),直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。 阻感負(fù)載時(shí)需提供無功功率

17、。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。,電壓型全橋逆變電路,特點(diǎn),逆變技術(shù),變流技術(shù),電壓逆變電路,電流逆變電路,180導(dǎo)電方式,每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度相差120,任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通,每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行,直流側(cè)電源性質(zhì),逆變技術(shù),變流技術(shù),電壓逆變電路,電流逆變電路,直流側(cè)電源性質(zhì),特點(diǎn),直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。 交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。 直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。,電流型三相橋式逆變電路,

18、逆變技術(shù),變流技術(shù),電壓逆變電路,電流逆變電路,直流側(cè)電源性質(zhì),目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。 逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合。 PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。,逆變技術(shù),變流技術(shù),電壓逆變電路,電流逆變電路,直流側(cè)電源性質(zhì),三相橋式PWM型逆變電路,典型的變流技術(shù),不可控整流+Boost+逆變方案,風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為頻率變化、幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷麟姡?jīng)過Boost電路升壓后，再經(jīng)過三相逆變器變換為三相恒幅交流電連接到電網(wǎng)。,實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率利用風(fēng)能,在小功率

19、和兆瓦級直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中均有應(yīng)用,典型的變流技術(shù),雙PWM背靠背方案,風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，發(fā)電機(jī)定子通過背靠背變流器和電網(wǎng)連接。,實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)調(diào)速和輸送到電網(wǎng)電能的優(yōu)良控制,九洲電氣股份有限公司,典型的變流技術(shù),不控整流+BOOST+IGBT逆變?nèi)β首兞髌?變流器采用“二級管不控整流+升壓斬波+PWM逆變”的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)將變壓變頻的交流電轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)要求的交流電，完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng),1.5MW全功率風(fēng)電變流器控制箱,安全保護(hù)系統(tǒng),控制系統(tǒng)保護(hù),微機(jī)控制器抗干擾保護(hù),抗干擾系統(tǒng),微機(jī)控制器,注意總線的驅(qū)動能力；總線的終端負(fù)載；防止總線競爭。在有干擾時(shí)，采取措施，保證微機(jī)正常工作,原則,安全保護(hù)系統(tǒng),控制系統(tǒng)保護(hù),微機(jī)控制器抗干擾保護(hù),抗干擾系統(tǒng),微機(jī)控制器,原則,信號傳輸,信號傳輸線路使用屏蔽電纜；注意傳輸線最大長度的限制。,電源電路,減少電源