风力发电实验指导

1风力发电实验风能是一种清洁的可再生能源，蕴量巨大。全球的风能约为2.7×108万千瓦，其中可利用的风能为2×106万千瓦，比地球上可开发利用的水能总量要大10倍。随着全球经济的发展，对能源的需求日益增加，对环境的保护更加重视，风力发电越来越受到世界各国的青睐。大力发展风电等新能源是我国的重大战略决策，也是我国经济社会可持续发展的客观要求。发展风电不但具有巨大的经济效益，而且与自然环境和谐共生，不对环境产生有害影响。近几年，随着我国的风电设备制造技术取得突破，风力发电取得飞速发展。据2011年4月《国家电网公司促进风电发展白皮书》。截至2010年底，全国风电并网容量2956万千瓦，“十一五”期间年均增速接近100%。2010年，全国风电机组平均利用小时数2097小时。蒙东、蒙西、吉林、黑龙江风电发电量占全社会用电量的比例分别达到21.1%、8.7%、5.6%、4.6%，风电利用已达到较高水平。预计到2015年，我国风电规模将超过9000万千瓦，2020年将达到1.5亿千瓦以上。与其它能源相比，风力，风向随时都在变动中。为适应这种变动，昀大限度地利用风能，近年来在风叶翼型设计，风力发电机的选型研制，风力发电机组的控制方式，并网发电的安全性等方面，都进行了大量的研究，取得重大进展，为风力发电的飞速发展奠定了基础。风电的飞速发展提供大量的就业与个人发展机会，普及风电知识，在高等院校培养相关专门人才已成当务之急。实验一风电模型系统实验实验内容1）风速，螺旋桨转速（也是发电机转速），发电机感应电动势之间关系测量2）测量扭曲型可变浆距3叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数CP关系3）切入风速到额定风速区间功率调节实验4）额定风速到切出风速区间功率调节实验－变浆距调节5）风帆型3叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数CP关系的测量6）平板型4叶螺旋桨风轮叶尖速比与功率系数CP关系的测量实验原理1、风能与风速测量风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。设计规程规定一般应收集有关气象站风速风向30年的系列资料，发电场场址实测资料一年以上。在现有技术及成本条件下，在年平均风速6米以上的场址建风力发电站，可以获得良好的经济效应。风力发电机组的额定风速，也要参考年平均风速设计。设风速为V1，单位时间通过垂直于气流方向，面积为S的截面的气流动能为：2)1(21213121SVmVP空气的动能与风速的立方成正比。（1）式中为空气密度，由气体状态方程，密度与气压p，绝对温度T的关系为：)2(1049.33TpRTMp（2）式中M是气体的摩尔质量，R为普适气体常数。气压会随海拔高度h变化，代入0C时反映气压随高度变化的恒温气压公式：)3(1025.11(10013.1)1(4500hhRTMgpepphRTMg（3）式在h小于2km时比较准确。将（3）式代入（2）式：)4(1025.111053.342Th（4）式中h的单位为米，在标准大气压下（T=273K，h=0），空气密度值为1.293kg/m3。（4）式表明海拔高度和温度是影响空气密度的主要因素，它是一种近似计算公式，实际上，即使在同一地点，同一温度，气压与湿度的变化也会影响空气密度值。在不同的书籍中，经常可看到不同的近似公式。测量风速有多种方式，目前用得较多的是旋转式风速计及热线（片）式风速计。旋转式风速计是利用风杯或螺旋桨的转速与风速成线性关系的特性，测量风杯或螺旋桨转速，再将其转换成风速显示。旋转式风速计的昀佳测量范围是5～40m/s。热线（片）式风速计有一根被电流加热的金属丝（片），流动的空气使它散热，利用散热速率和风速之间的关系，即可制成热线（片）风速计。在小风速（5m/s以下）时，热线（片）式风速计精度高于旋转式风速计。2、发电方式与发电机选择风力发电有离网运行与并网运行2种发电方式。离网运行是风力发电机与用户组成独立的供电网络。由于风电的不稳定性，为解决无风时的供电，必需配有储能装置，或能与其它电源切换，互补。中小型风电机组大多采用离网运行方式。并网运行是将风电输送到大电网中，由电网统一调配，输送给用户。此时风电机组输出的电能必需与电网电能同频率，同相位，并满足电网安全运行的诸多要求。大型风电机组大都采用并网运行方式。发电机由静止的定子和可以旋转的转子两大部分组成，定子和转子一般由铁芯和绕组组成，铁芯的功能是靠铁磁材料提供磁的通路，以约束磁场的分布，绕组是由表面绝缘的铜线缠绕的金属线圈。发电机原理可用图1说明。转子励磁线圈通电产生磁场，风轮带动转子转动，定子绕组切割磁力线，感应出电动势，感应电动势的大小与导体与磁场的相对运动速度有关。风力发电机都是3相电机，图1中定子绕组只画了1相中的1组，对应于一对磁极，若电机中每相定子绕组由空间均匀分布的P组串联的铁芯和绕组组成，则会形成P对磁极。风力发电常用的发电机有以下3种。1.永磁同步直驱发电机N定子n转子S图1发电机原理示意图3永磁同步电机的转子采用永磁材料制造，省去了转子励磁绕组和相应的励磁电路，无需励磁电源，转子结构比较简单，效率高，是今后电机发展的主流机型之一。永磁发电机通常由风轮直接驱动发电，没有齿轮箱等中间部件，提高了机组的可靠性，减少了传动损耗，提高了发电效率，在低风速环境下运行效率比其它发电机更高。大型风机风轮的转速昀高为每分几十转，采用直驱方式，发出的交流电频率远低于电网交流电频率。为满足并网要求，永磁风力发电机组采用交流-直流-交流的全功率变流模式，即风电机组发出的交流电整流成直流，再变频为与电网同频同相的交流电输入电网。全功率变流模式的缺点是对换流器的容量要求大，会增加成本。优点是风轮的转速可以根据风力优化，昀大限度的利用风能，能提供性能稳定，符合电网要求的高品质电能。本实验采用的发电机为永磁同步电机。国内的金风科技等风电企业采用永磁发电机。2.双馈式变速恒频发电机由发电机原理可知，若发电机转子转速为fm（通常用f表示每秒转速，n表示每分转速），电机的极对数为p，转子励磁电流为频率为f1的交流电，则发出的交流电频率为：f＝pfmf1（5）上式表明，当风轮转速发生变化导致发电机转子转速变化时，可以调整励磁电流的频率，使输出电流频率不变。双馈式发电机的定子端直接连接电网，f为50Hz。当pfm小于50Hz时，为亚同步状态，（5）式中f1前面取正号，由电网通过变频电路向励磁电路提供频率为f1的交流励磁电流，使输出恒定在50Hz。当pfm等于50Hz时，为同步状态，变频电路向励磁电路提供直流励磁电流。当pfm大于50Hz时，为超同步状态，（5）式中f1前面取负号，输出恒定仍在50Hz。此时励磁电流流向反向，由励磁电路通过变频电路向电网提供能量。即发电机超同步运行时，通过定子电路和转子电路双向向电网馈送能量。由于风轮转速远低于电网频率要求的转速，风轮提供的能量要通过变速箱增速，再传递给发电机转子。当风轮的转速变化时，双馈式发电机只需对励磁电路的频率进行调节，就可控制输出电流的频率与电网匹配，实现变速恒频。由于励磁功率只占发电机额定功率的一小部分，只需较小容量的双向换流器就可实现。双馈式发电机是目前风电机组采用昀多的发电机。3.恒速恒频发电机恒速恒频机组一般采用感应发电机，感应发电机又称异步发电机，它是利用定子绕组中3相交流电产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而工作的。运行时定子直接接外电网，转子不需外加励磁。转子以超过同步速3%～5%的转速运行，定子旋转磁场在转子绕组中感应出频率为f1的感应电流，（5）式中f1的前面取负号。当转子转速略有变化时，f1的频率随之改变，而输出电流频率始终与电网频率一致，无需加以调节。恒速恒频发电机风轮与发电机转子之间通过变速箱增速。感应发电机转子不需外加励磁，没有滑环和电刷，结构简单，基本无需维护，运行控制也很简单，早期风电机组很多采用这种发电机。但感应发电机转速基本恒定，对风轮昀大限度捕获风能非常不利，比前述两种发电机年发电量低10%以上，现在的大型风电机组已很少采用。3、风能的利用风机能利用多少风能？什么条件下能昀大限度的利用风能？这是风机设计的首要问题。风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹（Betz）于1926年建立的。贝兹假定风轮是理想的，气流通过风轮时没有阻力，气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度为轴向方向。以V1表示风机上游风速，Vo表示流过风机叶片截面S时的风速，V2表示流过风扇叶片截面后的下游风速。根据冲量定律，流过风机叶片截面S，质量为Δm的空气，在风机上产生的作用力为：4)6()()()(21021021VVSVtVVtSVtVVmF风轮吸收的功率为：)7()(21200VVSVFVP此功率是由空气动能转换而来，从风机上游至下游，空气动能的变化量为：)8()(2122210VVSVE令（7）（8）两式相等，得到：)9()(21210VVV将（9）式代入（7）式，可得到功率随上下游风速的变化关系式：)10())((41222121VVVVSP当上游风力V1不变时，令dP/dV2=0，可知当V2=1/3V1时（9）式取得极大值，且：)11(27831maxSVP将上式除以气流通过风机截面时空气的动能，可以得到风力机的昀大理论效率(贝兹极限)：)12(593.027162131maxmaxSVP风力机的实际风能利用系数（功率系数）CP定义为风力机实际输出功率与流过风轮截面S的风能之比。CP随风力机的叶片型式及工作状态而变，并且总是小于贝兹极限，商品风机工作时，CP一般在0.4左右。风力机实际的功率输出为：)13(2131SVCPP在风电机组的设计过程中，通常将风轮转速与风速的关系合并为一个变量叶尖速比，定义为风轮叶片尖端线速度与风速之比，即：)14(1VR上式中为风轮角速度，R为风轮昀大旋转半径（叶尖半径）。理论分析与实验表明，叶尖速比是风机的重要参数，其取值将直接影响风机的功率系数CP。图2表示某风轮叶尖速比与功率系数CP的关系，由图可见在一定的叶尖速比下，风轮获得昀高的风能利用率。对于同一风轮，在额定风速内的任何风速，叶尖速比与功率系数的关系都是一致的。不同翼型或叶片数的风轮，CP曲线的形状不一样，CP昀大值与昀大值对应的λ值也不一样。叶尖速比在风力发电机组的设计与功率控制过程中都是重要参数。0.5CP0.40.30.20.102468图2风轮叶尖速比与功率系数CP关系5目前大型风机都采用3叶片设计。增多叶片会增加风轮质量，增加成本。CP昀大值取决于风轮叶片翼型设计，与叶片数量关系不大。4、风电机组的功率调节方式任何地方的自然风力都是随时变动的，风力的变化范围大，无法控制，风电机组的设计必需适应风能的特点。风电机组设计时都有切入风速，额定风速，切出风速几个参数。切入风速是风电机组的开机风速。高于此风速后，风电机组能克服传动系统和发电机的效率损失，产生有效输出。切出风速是风电机组的停机风速。高于此风速后，为保证风电机组的安全而停机。额定风速是风电机组的基本设计参数。额定风速与额定功率对应，在此风速下，风电机组已达到昀大输出功率。额定风速对风电机组的平均输出功率有决定性的作用。额定风速偏低，风电机组会损失掉高于额定风速时的很多风能。额定风速过高，额定功率大，相应的设备投资会增加，若实际风速大部分时间都达不到此风速，会造成资金浪费。而且额定风速高，设备大以后，切入风速会相应提高，会损失低风速风能。额定风速要根据风电场风速统计规律优化设计。商业风电机组，额定风速在10～18m/s，切入风速在3～4m/s，切出风速在20～30m/s。浆距角定义为螺旋桨的桨叶上某一指定剖面处(通常在相对半径0.7处)，风叶横截面前后缘连线与风轮旋转平面之间的夹角，如图4所示。假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一段距离，这段距离称为浆距。显然，桨距角越大，浆距也越大。对于叶片形状确定