《风力发电原理》教案(版)_风力发电教案小学

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第1章 绪论

 风力发电过程中，风轮将风能转化机械能，发电机将机械能转化电能

 在能量转化与传递过程中，风能的特性是决定因素

 自然风是一种随机的湍流运动，影响风电机组中机械设备、电气设备的稳定性，对电网造成冲击

 风能是太阳能的一种表现形式

 风能密度高低关系到风电度电成本高低

1.1 风的形成

 温度不是独立参量，而是系统的几何参量、力学参数、化学参数和电磁参量的函数

 大气运动遵循大气动力学和热力学变化的规律。空气运动与大气压力的分布及变化

 静力学方程： dppgdz

1.当dz>0时，dp

2.气压随高度增加而减少的快慢主要取决于空气的密度。

3.某一高度z上的气压等于从该高度直到大气上界的单位截面积空气柱的重量。这是大气静力学气压定义。

 单位气压高度差（气压差）：在垂直气柱中，每改变单位气压时所对应的高度差

hdz180001t dpgp1.气压愈低（即温度愈高），单位气压高度差愈大

2.温度愈高，单位气压高度差愈大 1.1.1 大气环流

 环流原因：日地距离和方位不同，所接受的太阳辐射强度各异

 科氏力：由于地球自转形成的地球偏向力的存在，这种力称为科里奥利力，简称偏向力或科氏力。在此力作用下，在北半球使气流向右偏转，在南半球使气流向左偏转。 三圈环流 1.1.2 季风环流

1.季风环流

季风：在一个大范围地区内，它的盛行风向或气压系统有明显的季风变化。这种在一年内随着季节的不同，有规律转变风向的风

东北亚季风和南亚季风对我国天气气候变化都有很大影响

 形成季风环流的因素：

 海陆差异：冬季，风从大陆吹向海洋；夏季，风从海洋吹向大陆

 行星风带的季节转换转换：5个风带在北半球的夏季向北移动，冬季向南移动

 地形特征：青藏高原  季风指数

 它是由地面冬夏盛行风向之间的夹角来表示的，当夹角在120°-180°之间，认为是属于季风，然后1月和7月盛行风向出现的频率相加除以2，即I=（f1+f2）/2为季风指数

I>40%季风区

I=40%-60%为较明显区季风区

I>60%为明显季风区。2.局地环流

1.海陆风：以日为周期（湖陆风）

2.山谷风 1.1.3 风力等级

 根据风速大小来划分的。国际上采用英国人蒲福于1805年所拟定的，称为“蒲福风级”。从静风到飓风共分为13级。1946年以来风力等级修改，由13级变为17级。

风级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 称谓 无风 calm 软风 light air 轻风slight breeze 微风 gentle breeze 和风 fresh breeze 清风 strong breeze 强风 near gale 疾风 gale 大风 strong gale 烈风 violent strom 狂风 storm 暴风 violent storm 飓风 hurricane

一般描述 烟直上

仅烟能表示风向，但不能转动风标 人面感觉有风，树叶摇动，普通之风标转动

树叶及小枝摇动不息，近期飘展 尘土及碎纸被风吹扬，树分枝摇动

有叶小树开始摇摆

树木枝摇动，电线发出呼呼啸声，张伞困难

小树枝被吹折，步行不能前进 建筑物有损坏，烟囱被吹倒 树被风拔起，建筑物有相当破坏 极少见，如出现必有重大灾害

m/s

VN0.10.824N1.505

VNmax0.20.824N1.5050.5N0.56 VNmin0.10.824N1.5050.56 1.1.4 风的测量

1.测风系统

 风的测量包括风向测量和风速测量

 风向测量：风的来向

 风速测量：单位时间内空气在水平方向上所移动的距离

 组成

 传感器：将模拟信号转换成数字信号。包括：风速传感器、风向传感器、温度传感器、气压传感器

 主机：对传感器发出的信号进行采集、计算和存储，由数据记录装置、数据读取装置、微处理器、就地显示装置组成 数据存储装置：

 电源：提高系统工作可靠性，要求两备用电源

 安全与保护装置：要求在输入信号和主机、环境之间增设保护和隔离装置。提高数据准确的可靠性

2.风速测量

1.风速计

 旋转式风速计：风杯和螺旋桨叶片，最常用的传感器是风杯

 压力式风速计：利用流体的全压力与静压力之差来测定风的动压

2p1pp0pV21cV21c1/2

 散热式风速计：被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关

 声学风速计

2.风速记录

 机械式，电接式，电机式，光电式 3.风速表示

 风速大小与风速计安装高度和观测时间有关

 高度：10m  时间：2min，10min和瞬时风速。风能资源计算时选用10min平均风速

3.风向测量

 分类：单翼型、双翼型和流线型等

 组成：尾翼、指向杆、平衡锤和旋转主轴

 传送和指示方法：电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘。最常用的是光电码盘

 风向杆的安装方位指向正北 1.2 风能资源

1.2.1 风能的特点

 在1个标准大气压、0℃条件下，空气的密度是淡水密度的1.293‰，淡水密度是空气密度的773.3倍

 风能资源的储量取决于这一地区风速的大小和有效风速的持续时间

 风吹过后必须经过前后、左右各10倍直径距离后才能恢复到原来的速度

 理论开发风能储量： RWS/100a  实际可开发量： R0.785R/10

 全国风能实际可开发量为2.53×1011W  有效风能密度和可利用的年累计小时两个指标表示

等级 风资源丰富区 风资源次丰富区 风资源可利用区 风资源贫乏区

风资源丰富区 东南沿海、山东和辽东半岛沿海及岛屿 内蒙古和甘肃北部 松花江下游地区

风资源次丰富区 沿海地区 三北地区 青藏高原中部和北部地区

风资源可利用区 两广沿海 大、小兴安岭山地

三北中部

风资源贫乏区 以四川为中心 雅鲁藏布江河谷 塔里木盆地西部 年有效风功率密

度W/m2

>200 200-150 150-100

风速年累计小时数h

>5000 5000-4000 4000-2000

年平均风速

m/s

>6 5.5 5 4.5

'6 1.2.2 中国风能资源分布特点 1.3 风能的数字描述

1.3.1 风特性

 100m高度以下的地表层的风

 风特性分为平均风特性和脉动风特性

 平均风特性包括：

 平均风速

 平均风向

 风速轮廓

 风频曲线

 脉动风特性包括：

 脉动风速

 脉动系数

 风向

 湍流强度 1.平均风速和风向

 瞬时风速由平均风速和脉动风速组成：VtVV't  平均风速： V1t2Vtdt t1t2t1 不同时距计算平均风速时，其值不同，时距10min到1h范围内功率谱曲线比较平坦

 我国规范规定的时距为10min  我国规范规定的高度为10m  平均风向

 风向一般由16个方位表示，即北东北（NNE）、东北（NE）、东东北（ENE）、东（E）、东东南（ESE）、东南（SE）、南东南（SSE）、南（S）、南西南（SSW）、西南（SW）、西西南（WSW）、西（W）、西西北（WNW）、西北（NW）、北西北（NWN）、北（N）。静风记为C

 平均风向

 以正北为基准，顺时针，东风为90°，南风为180°，西风为270°，北风为360°

2.脉动风速

 在某时刻t，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值，其时间的平均值为零：V'tVtV

 湍流强度：描述风速随时间和空间变化的程度，反映风的脉动强度，是确定结构所受脉动风载荷的关键参数。

 湍流强度

 描述风速随时间和空间变化的程度，反映风的脉动强度，是确定结构所受脉动风载荷的关键参数。

 湍流强度：10min时距的脉动风速均方根与平均风速的比值： u'v'w'/3u'v'w'/3 222222uvw222V 与离地高度与地表面粗糙度有关

 阵风因子：阵风持续期内平均风速的最大值与10min时距的平均风速之比

 持续期越大，对应的阵风因子越小

 阵风系数同湍流强度有关，湍流强度越大，则阵风系数越大  湍流功率谱密度

 形成原因：许多不同尺度的涡运动组合而成的，空间某点的脉动风速是由不同尺度的涡在该处形成的各种频率的脉动叠加而成的

 作用：描述涡流中不同尺度的涡的动能在湍流脉动动能所占的比例

3.平均风速和风向的表示

 风（向）玫瑰图：根据各方向风出现的频率按相应的比例长度绘制在图上

 盛行风向  风向旋转方向  最小风向频率

 平均风速和风向的表示

 风能玫瑰图：反映风能资源，包含风向和风速的信息

 风向频率：在一段时间内各种风向出现的次数占观测总次数的百分比

 风速频率：在一个月或一年的周期中发生相同风速的时数占这段时间刮风总时数的百分比。

 直线的长度表示一年内这个方向的风的时间百分数

 生产中用到图种类

 风速分布图

 风功率密度分布图         风速功率密度月变化图

风速功率密度日变化图

风向玫瑰图

风功率玫瑰图

风速和功率分布

月风向玫瑰图

月风能玫瑰图

月风速功率玫瑰图

4.平均风速随高度变化

 在大气边界层中，平均风速随高度发生变化，其变化规律称为风剪切或风速廓线

 风速廓线符合对数律分布或指数分布

 对数律分布

 在近地层中，造成风在近地层中的垂直变化的原因有动力因素和热力因素

uu*ZlnKZ0u*

 指数律分布

0

Znunu1Z

1 α值的变化与地面粗糙度有关

类别

α值

A B C D 0.12 0.16 0.20 0.30 场所

近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠

田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区

密集建筑物群的城市市区

密集建筑群且建筑面较高的城市市区

10 1.3.2 风能公式 1.空气密度

   

p0.378e 1.27610.00366t1000p—气压，hPa

t—气温，℃

e—水汽压，hPa

风的统计特性的重要形式是风速的频率分布，资料的长度至少有3年以上的观测记录，风电场前期的风资源测量工作要求1年以上，且数据的完成率为95% 2.风速的统计特性

 威布尔分布

kxPxcc

k1xkexp

c 其中，k和c为威布尔分布的两个参数，k称为形状参数，c称为尺度参数

 c=1，标准威布尔分布

 k=1，指数型；k=2，瑞利分布；k=3.5，正态分布

 风速频率分布一般为偏态，风力愈大的地区，分布曲线愈平缓，峰值降低右移

3.风能公式

 风能：E11mV2tAV3td2V3tWh 228 风功率：P8d2V3W

4.平均风能密度和有效风能密度

1V3 21T1V3dt  平均风能密度 WT02 风能密度 W 实际应用，计算某地年（月）风能密度：WymW1t1W2t2Wntn

t1t2tn11 第2章 风力发电的基本原理

2.1 工作原理

 为什么大型并网风力机仅到20世纪的中后期才获得应用？

 常规发电还能满足需要，社会生产力水平不够高，还无法顾及降低环境污染和解决偏远地区的供电

 能够并网的风力发电机的设计与制造，只有在现代高技术出现后才有可能，20世纪初期是造不出现代风力发电机

 风力机风轮运转（叶片旋转）工作原理

 当气流流经上下翼型形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低，凹面较平缓，使气流速度减缓，压力较高，因而产生作用于叶面的升力。

 现代风力发电的原理

 利用风力带动风轮叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促进发电机发电

 两种物质流

 能量流

 信息流：控制系统的功能是过程控制和安全过程。过程控制包括起动、运行、暂停、停止

 信息流的作用

 变桨距风机根据风速变桨  变速型风机根据风速变速  根据风向变化对风

 需停机时，执行气动刹车和机械制动  风力机的主要组成

 机械组成：风轮、机舱、塔架和基础

 功能构成：变桨系统、发电系统、主传动系统、偏航系统和控制系统

 风轮

 作用：把风的动能转变为机械能的重要部件

 要求：强度高、重量轻

 材料：玻璃钢或其他复合材料（如碳纤维） 发电机

 作用：由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机均匀运转，把机械能转变为 电能的装置

 塔架

 作用：支承风轮、尾翼和发电机的构架

 要求：高且强度高 2.2 风力发电基本原理

1.1919年德国的A ·贝茨（Betz）理论

 贝茨（兹）假设

 风轮没有锥角、倾角和偏角，全部接受风轮风能（没有轮毂），叶片无限多，对空气流没有阻力

 风轮叶片旋转时么有摩擦阻力；风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等

 风轮流动模型可简化成一个单元流管，不考虑尾流旋转

 作用在风轮上的推力是均匀的  贝茨理论

 质量守恒 S1V1S2V2SV

 欧拉定理（动量定理）FSVV1V2  风轮吸收额功率为 PFVSV2V1V2

111mV12mV22SVV12V22 222VV21222 能量守恒 PWSVV1V2SVV1V2V1

22 动能定理 WVVPS12V1V2

2 求P的最大值 2dP1SV122V1V23V22 dV24 当 V2 则 Pmax V1 38SV13 27 理论最大效率（理论风能利用系数）：Cmax8SV13Pmax16270.59

31127SV13SV132214  风力机实际吸收的有用功率为: P1CPSV13 2 推导过程所用理论

 质量守恒

 欧拉定理（动量定理）

 动能定理

 能量守恒

2.叶素理论

 1889年，Richard Froude提出叶素理论

 作用：从叶素附近流动来分析叶片上的受力和功能交换

 叶素：风轮叶片在风轮任意半径r处的一个基本单元，它是由r处翼型剖面延伸一小段厚度dr而形成

 叶素

 叶素理论假设

 叶片分割成无限多个叶素，每个叶素厚度无限小，叶素为二元翼型

 叶素都是独立，之间不存在相互作用，通过各叶素气流不相互干扰

 忽略叶片长度的影响

 叶素剖面和气流角、受力关系

1W2CCrdr

212 阻力：dDWCCDdr

2 升力：dL 合速度：W 进一步计算的V sin1W2CdrCx 215 dFxdLcosdDsin dFrdLsindDcos 其中

1W2CdrCr 2 ClcosCdsinCx

ClsinCdcosCy

1W2BCCxdr 2 周推力：dTBdFx 转矩：dMBdFr1W2BCCrrdr 23.涡流理论

 涡流流动假设

 忽略叶片翼型阻力和叶梢损失的影响

 忽略有限叶片数对气流的周期性影响

 叶片各个径向环断面之间相互独立

 风轮涡流示意图

 涡流引起的风速可看成是由3个涡流系统叠加的结果

 中心涡：转轴上

 附着涡：叶片上

 螺旋涡（自由涡）：叶片尖部

 在风轮旋转平面处气流的轴向速度：V1V1

 其中，α为轴向诱导因子；V1V2 V1 风轮变径r处的切向速度U1b 第3章 风力机

 风力发电的优越性

 建造费用低廉

 产生电力无需其他任何消耗  没有环境污染

 运行简单，无人值守  实际占地少

3.1 风力机概念

 风力机是以风力作能源，将风力转化为机械能而做功的一种动力机

 一种能截获流动的空气所具有的动能并将风轮叶片迎风扫掠面积内的一部分动能转化为有用机械能的装置

 又称风动机、风力发动机和风车 3.2 风力机的分类

1.按风力机风轮轴所在的空间位置来分

 水平轴风力机：风轮轴平行或接近平行于水平

 上风向风力机

 下风向风力机

 垂直轴风力机：风轮轴垂直于水平面

2.按风力机功率大小来分

 微型风力机：1kW以下

 小型风力机：1~10kW  中型风力机：10~100kW  大型风力机：100~1000kW  巨型风力机或兆瓦级风力机：1000kW以上 3.按正常工作状态下的转速分：

 高速风力机：叶尖速比λ（高速性系数）大于3  低速风力机

4.按叶片数目的多少分

 少叶（翼）式风力机：叶片数目小于或等于4片

 多叶片风力机 5.按叶片工作原理分

 升力型风力机

 阻力型风力机

6.按叶片升力翼型的形状分

 螺旋桨式

 达里厄式

7.按功率调节方式分

 定桨距风力机

 普通变桨距型（正变距）风机  主动失速型（负变距）风机 8.按传动形式分

 高传动比齿轮箱型（双馈型） 直接驱动型

 中传动比齿轮箱型（半直驱）3.3 水平轴风力机

 水平轴风力机的优势

 升力比阻力大得多

 升力装置可以得到较大的叶尖速比 λ  价格和功率之比较低

 上风式风力机：水平轴风力机的风轮在塔架的前面迎风旋转  固定桨距：在高风速时依靠叶片翼型及叶片内部构造达到自动失速以限制风力机转速及输出功率的目的

 桨距可调：分全翼展桨距可调及部分翼展可调 1.风轮

 作用：将风能转化为机械能，是风力发电机接收风能的部件

 叶片的翼型和材料强度决定了风轮吸收风能的效率和叶片寿命

 相对轮毂安装叶片转动的称变桨距风轮 2.风力发电机

 直流发电机

 同步交流发电机

 异步交流发电机

 交流永磁发电机

3.塔架

 作用：用来支撑风力机及机舱内（或机座上）各种设备，并使之离开地面一定高度，以使风力机能处于良好的风况环境下运转

4.机舱（或机座）

 作用：用来支撑风轮以及与风轮相连的齿轮传动（变速）装置、调速装置及调向机构等

5.调向装置

 使风轮能随着风向的变化随时都迎着风向，以最大限度地获取风能

6.调速装置

 当风速不断变化时使风轮的转速维持在一个接近稳定不变的范围内。

7.刹车制动装置

 使风力发电机停止动转的装置

8.增速器及联轴器

 由于风轮的转速低而发电机转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴与高速的发电机轴接一个增速器

 高速联轴器：增速器与发电机之间

 低速联轴器：风轮轴与增速器之间 3.4 垂直轴风力机

1.优点

 寿命长，易安装

 利于环保

 无需偏航对风

 叶片制造工艺简单

 叶片仅受沿展向的张力

 无塔影效应

 运行条件宽松 2.缺点

1.风能利用率

2.启动风速

3.增速结构

4.难控制易失速

5.加工工艺不成熟 3.达里厄型风力机

4.旋转涡轮式风力机 第4章 风力发电机组

4.1 风力发电机组的分类和构成

1.风力发电机组的分类

1.根据风力机轴的空间位置分类

 水平轴风力发电机组

 风轮围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直  垂直轴风力发电机组

 风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，可以接受来自任何方向的风，无须对风；齿轮箱和发电机可以安装在地面上，减轻风力机发电机组承重，且方便维护

 叶片越多，转得越慢，叶片数多的风力机通常称为低速风力机，它在低速运行时，有较大的转矩。它的启动力矩大、启动风速低，因而适用于磨面、提水

 叶片数目少的风力机通常称为高速风力机，它在高速运行时有较高的风能利用系数，但启动风速较高，适用于发电 2.根据风轮的迎风方式分类

 上风型水平轴风力发电机组

 风首先通过风轮再穿过塔架，风轮总是面对来风方向，风轮在塔架“前面”，必须有某种调向装置来保持风轮迎风

 下风型水平轴风力发电机组

 风首先通过塔架在穿过风轮，风轮在塔架“后面”，能够自动对准风向。

3.根据风轮与发电机之间的连接方式分类

 变速式风力发电机组

 带有增速齿轮箱

 直驱式风力发电机组

 风轮直接驱动同步多极发电机

4.根据叶片能否围绕其纵向轴线转动分类

 定桨距式风力发电机组

 当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，在转速恒定的条件下，风速增加超过额定风速时，如果风流与叶片分离，叶片将处于“失速”状态，风轮输出功率降低

 变桨距式风力发电机组

 风速变化时，桨叶的迎风角能随之变化 5.根据发电机组负载形式分类

 并网型风力发电机组

 通过并网逆变器直接馈入电网，然后电力通过电网再输送给用电户

 离网型风力发电机组

 独立于现有电网，需要蓄电池蓄能

2.风力发电机组的构成

 一次能源系统：叶片、轮毂

 主传动系统：主轴、主轴轴承、齿轮箱、联轴器

 支撑系统：导流罩、机舱罩、底盘、塔筒、基础      发电系统：同步发电机（永磁式同步发电机）、异步发电机（双馈式异步发电机）

制动系统：机械制动（液压系统）、空气动力制动、偏航系统

变桨系统

避雷系统 4.2 一次能源系统

1.叶片的构造

 材料：玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝。 复合材料以玻璃纤维或碳纤维为增强材料，树脂为基体。优点：比重小，强度较高；易成型性好；耐腐蚀性强；维护少，以修补。 钢材主要用于叶片内部结构的连接件

2.叶片叶柄结构

 采用螺栓与轮毂连接，形成悬臂形式：螺纹件预埋件、钻孔组装式

 木质、铝合金挤压成型等弦长、钢制、钢纵梁玻璃钢、玻璃钢

3.叶片数

 两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比较高。

 对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。 接受程度 4.轮毂

 固定式轮毂：铸造结构或焊接结构  铰链式轮毂

 用于有叶柄的单叶片和二叶片风轮。

 叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。

5.叶片的基本几何定义

 叶尖

 叶片投影面积  叶片翼型  中弧线  前缘  后缘  几何弦

 平均几何弦长  气动弦长  厚度  相对厚度  弯度  安装角  扭角  几何攻角

6.叶片的基本几何定义

 当攻角增大时，升力系数Cl成线性递增，当攻角达到某一值α时，Cl突然下降，这一现象称为失速。α称为临界攻角。

 压力中心点：对于某一特定攻角，翼型总对应一特殊点，空气动力对这个点的力矩为零，将该点称为压力中心点

 气动力效率：在某一攻角下，升力与阻力之比称为升阻比，又称气动力效率，即：cotCl Cd

7.风轮的几何定义与参数

 风轮直径  风轮扫掠面积  风轮偏角        桨距角 风轮锥角 风轮仰角 风轮额定转速 风轮最高转速 风轮实度 叶尖速比 4.3 主传动系统

 组成：主轴、主轴承、齿轮箱、联轴器 1.主轴及主轴承

 受力形式：轴向力、径向力、弯矩、转矩和剪切力  主轴轴心通孔作用？

 主轴安装方式：

 挑臂梁：两点支撑  悬臂梁：三点支撑

 优点：前点为刚性支撑；后点为弹性支撑（齿轮箱）。

 主轴承

 双列调心滚子轴承。特点：能够补偿轴的绕曲和同心误差。 结构特点。径向孔：润滑油通道  进行淬火原因？

 轴承座运行时允许有微量油渗出！

2.齿轮箱（增速箱） 润滑油净化和温控系统

 粘度对温度的影响?  粘度高，齿轮箱润滑部位不能得到充分润滑。 粘度下降，对啮合齿面油膜的形成不利。 为何要控制温度？

 易生成点蚀、胶合和磨损现象。 润滑方式

 飞溅润滑  强制润滑  过滤器工作方式

 粘度高，液压油通过粗、精两个过滤装置（单向阀开）。 粘度低，液压油只通过粗过滤器装置（单向阀关）

 截止阀作用：更换滤芯时将过滤器壳体内的油液排出  放气接头作用：将系统中的气泡排除。 润滑系统冷却方式：风冷式  机组起动前，先启动润滑油泵！ 齿轮箱安装过程

 激光对中  人工盘动  电机反向拖动  分阶段加负载  联轴器

 挠性联轴器

 无弹性弹性元件联轴器  金属挠性元件联轴器  刚性联轴器

 无键连接，可传递转矩、轴向力或两者的复合载荷，承载能力高，定心性好  万向联轴器：适用于有大角位移的两轴之间的连接

 轮胎联轴器：补偿性能和缓冲减振能力大，但随扭角增加，两轴会产生相当大的附加轴向力

 膜片联轴器：中间体带有力矩限制器，当传动力矩过大时可以自动打滑。

 连杆联轴器：特点：保护套的表面有不同的图层，保护套与轴之间的摩擦力始终是保护套和轴套之间摩擦力的2倍，从而保证滑动永远只会发生在保护套与轴套之间。4.4 支撑系统

1.机舱

 机舱底盘

 性能要求：高强度、高刚度和减振特性  结构特点

 分为两部分：前机舱底盘为铸件；后机舱底盘为焊接件。

 机舱罩

 结构特点

 分为下舱罩和上舱罩两部分，加中空式加强筋

 与底盘连接利用带有橡胶减震器的螺栓将机舱连接板与机舱底盘支架连接。

 整流罩

 外部呈流线型，有利于减小风对机舱的作用力 2.塔筒

 功能

 支撑位于空中的风力发电系统，塔架与基础相连接，承受风力发电系统运行引起的各种载荷，同时传递这些载荷到基础，使整个风力发电机组能稳定可靠地运行。

 分类

1.拉索式塔架

 通过数根钢索固定在离散的地基上，由每根钢索的调节螺栓调节长短，保证整个风力发电机组对地基的垂直度。 适用小型风电机组。2.桁架式塔架

 采用钢管或角铁焊接成截锥形桁塔支撑在地基上，桁塔的横截面多为正方形或正多边形。

 适用于中小型风力机

3.塔筒式塔架  钢制塔架

 采用强度和塑性较好的多段钢板进行滚压，对接焊成截锥式筒体，两端与法兰盘焊接而构成截锥塔筒  钢混组合塔架  钢筒夹混塔

 塔架结构

 安装方式

 采用高强度螺栓穿过内翻式法兰将塔筒连接。 高度确定

 ≤25m：HtgRHzgAz  >25m：Htg:D1:1

 平台

 为方便安装螺栓，平台距法兰处1.1m左右。 电缆及其固定

 通过电缆卷筒与支架固定  电缆卷筒作用

 保证电缆有一定的自由旋转，同时承载相应部分的电缆重量。

 内梯与外梯  塔架的固有频率

 振幅大小于激振频率和塔架的固有频率有关。

 f12g y 1mlgl3mgl3 yEJx83 JxD4d464

 受力频率

 风轮转子残余的旋转不平衡质量引起的振动频率=转速n  塔影、不对称空气来流、风切变、尾流引起的振动频率=Nn  f≥（1+20%）n或Nn  f>Nn：刚性塔

 n

 塔架-风轮系统振动模态

 分析模态作用

 在交变力、交变力矩作用下的振型、振幅和频率，为解决风力机的动态稳定性问题提供依据

 固有频率改变

 随着离心力增加，叶片的刚性增加，从而固有频率提高。3.基础

1.厚板块基础

 抵制倾覆力矩和机组重力偏心力。可承受偏心力距为WB/6。 形式

 平面板块基础  平放机座基础

 嵌入式塔架和倾斜板块基础  岩石床打锚基础

2.多桩基础

 适用土质疏松的地质。3.混凝土单桩基础 4.支撑系统保护

1.连接件的维护

 力矩检测；防腐 2.结构件的维护

 外观检查；防锈及补漆（底漆、面漆）；焊点处检查；电缆破损检查 3.塔基水平度检测

 下塔筒外法兰盘上选取4个监测点 4.塔筒标识维护

 标识清晰

4.5 制动系统

 制动的两种分类：

 运行制动  紧急制动  制动装置：

 机械制动  空气动力制动

电网监测制动命令动力源风况监测主控系统功率放大机械制动风机停止风机监测停机指令空气动力制动制动系统的工作原理

1.机械制动

 工作原理：

 利用非旋转元件和旋转元件之间的相互摩擦来阻止转动和转动的趋势。 分类

 常开式  常闭式  制动器

 工作状态分类

 常闭式和常开式  盘式制动器

 钳盘式：固定式和浮动式（固定和摆动） 全盘式  锥盘式

 制动器安装方式

 避免制动轴受到径向力和弯矩，钳盘式制动器应成对分布。 PM，制动力矩在低速轴很大。

 失速型风力机常用低速轴机械制动（可靠性角度考虑） 变桨距风力机在高速轴制动，但易发生制动的不均匀性。

2.空气动力制动

 特点

 空气动力制动并不能使风轮完全静止下来，只能使其转速限定在允许的范围内。

 定桨距风力机采用的空气动力装置为

 叶尖扰流器

 工作过程：当转速增加时，叶尖的离心力增大，叶尖扰流器克服液压力的作用脱离叶片主体转动到制动位置。

 叶尖扰流器还可以作为液压系统出现故障的保护装置。

4.6 变桨系统

 变桨距

 使叶片绕其安装轴旋转，改变叶片的桨距角，从而改变风力机的气动特性  类型

 液压变距型  电动变距型 1.液压变桨距系统类型

1.组成 桨距控制器、数码转换器、液压控制单元、执行机构、位移传感器

液压站桨距角给定桨距控制器-转换为桨距信号A/D转化器位移传感器D/A转化器伺服阀或比例阀液压缸变桨机构桨距角

2.驱动形式分类

 单独变桨

 特点：可靠性高；需要精确的同步变距控制  统一变桨

 工作过程

2.电动变桨距系统

1.总体结构  工作过程

 主控制器根据风速、发电机功率和转矩等，把指令信号发送至电动变桨距控制系统

 电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈至主控器。

第3个独立桨距装置风速风向仪第2个独立桨距装置主控制器变压输入控制器输出器功率调节电机转速蓄电池驱动器第1个独立桨距装置伺服电机减速器

2.单元组成 伺服电机的作用。 电机编码器的作用。 减速器采用的形式。

3.变桨减速器的润滑  润滑方式

 浸油润滑、油脂润滑  油脂检查

3.变桨轴承

 一般采用4点角接触球轴承

4.7 偏航系统

 偏航定义

 水平轴风力发电机风轮绕垂直轴的旋转  偏航分类

 主动偏航  被动偏航 1.偏航系统的功能

 跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。 解缆功能

 在反复调整方向过程中，有可能发生沿着同一方向累计转了许多圈，造成机舱与塔底之间的电缆扭绞现象。

 偏航阻尼器功能

 使机舱平稳转动  偏航计数器功能

 记录偏航系统旋转圈数的装置。

2.偏航系统的组成和工作原理

风向信号控制器-偏航计数器功率放大器执行机构风力机风轮偏向监测元件 偏航计数器功能

 记录偏航系统旋转圈数的装置。 偏航具体过程

 组成 偏航轴承；偏航驱动装置；偏航制动器；偏航液压回路  齿圈与偏航轴承做成一体  齿圈形式

 内齿圈  外齿圈  偏航轴承

 内、外齿圈特点  偏航驱动

 偏航驱动的安装方式。 偏航制动

 与主传动制动器的区别：不设置弹簧。

3.偏航系统的维护

 偏航轴承

 维护：密封带必须保持没有灰尘，清洗其他部件时，避免清洁剂接触到密封带或进入滚道系统。

 安装偏航轴承后要找出4个合适的测量点并在支承和连接支座上标注，并记录相应数据，此数据作为以后测量数据的基准。

4.偏航系统的常见故障

 齿圈齿面磨损  液压管路泄露  偏航压力不稳  异常噪声

 偏航定位不准确  偏航计数器故障

4.8 液压系统

 作用：

 液压系统主要用于控制变桨距机构和机械制动，也用于偏航驱动与制动。1.液压元件

 动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件。

 动力元件：将机械能转换为液压压力能。

 控制元件：控制系统压力、流量、方向以及进行信号转换和放大。 执行元件：将流体的压力能转换为机械能。 辅助元件：保证系统正常工作。1.液压泵

 分类：按结构与压力分类  液压泵的性能参数

 额定压力  理论排量  功率  效率

2.液压阀

 分类

 方向控制阀  压力控制阀  流量控制阀  方向控制阀：

 普通单向阀

 液控单向阀  换向阀

 压力控制阀

 溢流阀（作用）：定压；安全；卸载；减压阀；顺序阀

 压力继电器  流量控制阀

 节流阀（作用）：节流调速；阻尼；压力缓冲

 调速阀  分流集流阀  电液伺服阀：根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力的液压控制阀

 电液比例阀：用比例电磁铁代替普通电磁换向阀电磁铁的液压控制阀。它也可以根据输入电信号连续成比例地控制系统流量和压力。

3.液压缸

 是液压系统中的执行元件，是将输入的液压能转化为机械能的能量装置，它可以方便地获得直线往复运动。

4.辅助装置

1.蓄能器

 应急油源  吸收压力脉动  减小液压冲击  辅助能源 2.过滤器

 作用：保证液压油的清洁  分类：表面型；深度型；磁性 3.油箱

 分为总体式和分体式 4.热交换器

 分为风冷式、水冷式和冷媒式 5.密封装置

 分为接触性密封和非接触性密封

5.定桨距风力机液压系统:

1.蓄能器的作用

 当主油路断开时，由蓄能器储存的能量提供压力，使叶尖扰流器与叶片保持一致。

2.突开阀的作用

 当风速超过切出风速时，突开阀自动换向，系统的压力被释放，叶尖扰流器脱离叶片，实现紧急刹车保证机组的运行安全性。

3.压力继电器作用

 监测刹车油缸的压力大小，保持油缸中压力稳定，使刹车装置安全可靠。

6.变桨距风力机液压系统

1.停机、待机

2.开桨

3.顺桨

7.液压系统的维护

1.设备的检查

 油位

 行程开关和限位块  油温  紧固件

 过滤器和空气滤清器 2.液压油

 选用原则

 液压系统的液压油应该与生产企业指定的牌号相符。 温度高选用粘度高的油液  更换液压油的要求

 液压系统中的油液或添加到液压系统中的油液必须经常过滤，即使是初次用的新油也要过滤

 清洗过滤器和空气滤清器

 清洗前要确保电机未起动。 故障排除和更换元件

 通常液压系统元件都可以用现场维护人员来完成8.液压系统常见故障：

 出现异常振动和噪声  输出压力不足  油温过高

 液压泵的起停太频繁

4.9 避雷系统

 风轮叶尖和风速传感器保护

 叶尖处设有接闪器  风速传感器的避雷针  机舱外壳

 瞬态电流不允许经过轴承等精密部件

 机舱的保护

 传动系统齿轮箱、发电机、钢架和机舱构成等位体，避免电压过高对部件的破坏。 电气设备的保护

1.电源系统的保护

 三级保护原理

 防雷击浪涌保护器  浪涌保护器  终端设备保护器

2.控制柜内主控器的电源保护

 变压器输出端并联加装防雷器 3.测控线的保护

 在变送器前段加装模拟信号防雷器或开关信号防雷器。4.地基防雷接地体

 由垂直接地体和环形接地体组成。

第5章 风力发电技术

1.变桨距控制是为了尽可能地提高风力机风能转化效率和保持风力机输出功率平稳

2.变桨距型风力机在各种工况可按最佳参数运行，使输出功率曲线得到优化，可使桨叶和整机的受力状况大为改善，还可以使发动机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上的高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机

3.变桨控制系统实际上是一个随动系统，变桨距控制器是一个非线性比例控制器

5.1 发电系统

5.1.1 发电系统的构成 1.发电系统的总体结构

至电网开关柜变流器变压器发电机

2.变压器

 变压器的工作原理

 通常两个绕组中一个接到交流电源，称为一次绕组，简称一次侧。另一个接到负载，称为二次绕组，简称二次侧。

 原理：一次、二次电压决定于一次二次绕组匝数之比。 变压器的分类及结构

 用途分类：

 电力变压器（220kV超高压，35-110kV中压，10kV配电变压器） 特种变压器（电炉、整流） 仪用互感器（电压、电流互感器） 冷却方式：

 油浸式变压器和干式变压器  变压器的分类及结构

 结构

 铁心：分铁心柱和铁轭

 材料：表面涂的含桂量较高的厚度为0.35mm硅钢片制成。 目的：提高磁路的磁导率和降低铁心内的涡流损耗。

3.开关电器

 开关电器分类

1.低压刀开关、接触器、高压负荷开关：正常工作下开端或闭合正常工作电流。2.熔断器：开断过负荷电流或短路电源 3.高压隔离开关：检修时隔离电源。4.自动分断器：预定的记忆时间内根据选定的计数次数在无电流的瞬间自动分段故障电路。

5.高压短路器、低压空气短路：

 开断或闭合正常工作电流，或过负荷电流或短路电流。 具有灭弧装置

 真空断路器

 真空灭弧室

 断路器的结构

 分装式、固定式、手车式三种结构。 用途

 以真空作为灭弧和绝缘介质的断路器，多用于10~35kV的配电系统中

 交流接触器

 用途：接通或断开电动机或其他设备的主电路  结构

 主触头：电流较大，接在电动机主电路  辅助触头：电流较小，接在控制电路。 灭弧装置

 熔断器

 最简单且最有效的短路保护电路。

4.继电器

 用途：用来保护电动机使之免受长期过载的危害。 不能用作短路保护

 热惯性  中间继电器

 用途：传递信号和同时控制多个电路，或直接用来控制小容量电动机或其他电气执行元件。

5.母线与电缆

1.母线

 定义：在各级电压配电装置中，将发电机、变压器与各种电器连线的导线。 分类

 软母线：电压较高的户外配电装置  硬母线：电压较低的户内外配电装置 1.母线材料

 铜母线

 铝母线：电阻率稍高于铜，但比铜经济

 钢母线：电阻率高于铜7倍，适用于高压小容量电路。2.母线的截面形状

 矩形截面：一般用于35kV及以下的户内配电装置中。 圆形截面：35kV以上的户外配电装置中（可防电晕）。 槽型截面：配电时，当三条以上矩形母线不能满足要求。

2.电力电缆

1.电力电缆的种类

 电压、使用环境、线芯数、结构特征、绝缘材料 2.电力电缆的结构特点

 油纸绝缘电缆  塑料绝缘电缆  交联聚乙烯绝缘电缆  橡胶绝缘电缆 3.电力电缆基本结构：

 电缆的基本结构由线芯、绝缘层、保护层组成47 5.1.2 变流器

1.电力电子器件

1.电力电子器件的概念和特征

 被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换及控制的电子器件。

 主要参数：电功率大小  处理功率级别大

 由信息电子来控制电力电子器件。

2.电力电子器件的分类 1.按控制性分类

 不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件  半控型器件：通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。

 全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断。

2.按驱动信号分类

 电流驱动型和电压驱动型

3.不可控器件—电力二极管

 特征：正向导电性和反向阻断性

 原理：正向电压UF大于阈值电压UT0时，导通。UF为二极管的正向同态压降。当反

向电压超过一定数值（URB0）后，二极管的反向电流迅速增大，产生雪崩击穿，URB0称为反向击穿电压。

4.半控型器件—晶闸管

 又称可控硅整流器

 组成：门极（G）、阳极（A）和阴极（K） 特征：电流触发性；单向特性；半控型特性 5.电力场效应晶体管——电力MOSFET  原理：用栅极电压来控制漏极电流，实现电流的通断。 分类：P沟道和N沟道

 特点：栅极电压UGS越高，反型层越厚，导电沟道越宽，漏极电流越大；驱动功率小；反应效率快

6.绝缘栅型双极性晶体管——IGBT  特点

 驱动方便，开关速度快

 导通后呈电阻性质，电力压降高。 电压驱动型

 通流能力强、耐压等级高

2.AC-DC变换电路

1.不控整流—二极管

1.大小取决于输入电压和电路形式 2.特点

 电流稳定——电感滤波  电压稳定——电容滤波

 同时稳定——电感与电容组成LC滤波电路 3.分类

 半控桥和全控桥

2.相控整流—晶闸管

 通过控制门极的触发延迟角，就能控制晶闸管的导通时刻。1.分类

 半控桥  全控桥 2.特点

 控制方便

 产生的谐波对电网会产生二次污染

3.斩波整流—PWM 1.特点

 网侧功率因素高、谐波含量低  网侧电流畸变小，功率因素任意可控  体积、质量小 2.分类

 拓扑结构：电压型和电流型

 是否有能量回馈：无能量回馈的整流器（PFC）和有能量回馈的开关模式整流器（SMR） 动态响应速度

 适当控制整流器交流端的幅值和相位可获得所需大小和相位的输入电流。

3.DC-DC交换电路

1.特点

 可将一种电流电变换成另外一种固定或可调电压的直流电。2.分类

 不隔离式  隔离式

4.DC-AC变换电路分类

 电压型  电流型

 单相半桥  单相全桥  三相桥式 5.AC-AC变换电路

 分类

 频率不变而仅改变电压大小的AC-AC电压变压器

 直接将一定频率的交流电变换为较低频率交流电的相控式AC-AC直接变换器，在直接变频的同时也可以实现电压变换，实现降频降压变换。

6.风力发电机组变流器的应用技术

 支撑风力发电机组大功率变流器的主要技术有： 1.正弦脉宽调制技术

 将参考波形与输出调制波形进行比较，并根据两者比较结果确定逆变桥壁的开关状态

2.大功率变流技术

 采用器件串联技术来提高电压等级  采用器件并联技术来提高输出电流  采用模块并联技术 3.多重化技术

 指在电压源型变流器中，为减少谐波，提高功率等级，将输出的PWM波错位叠加，使输出波形更加正弦波。

4.低电压穿越技术

 当电网发生故障如电压跌落时，风力发电机组仍需要保持与电网的连接，只有故障严重时才允许脱网。

5.计算机软件控制技术