2021风力发电系统.docx

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1、风力发电系统目录第 1 章风能在可再生能源中的角色11. 1可再生能源及其应用11. 1. 1 可再生能源11. 1. 2 电 能 来源21. 1. 3 风能与太阳能21. 2风力发电在电能中的地位31. 2. 1 总装机容量31. 2. 2 技术标准和地域影响61. 2. 3 政 府 规定8第 2 章风力机 102. 1概述102. 2风能转换原理102. 2. 1 功率转换与功率系数102. 2. 2 力 和 转矩122. 3风情与利用152. 3. 1 风速的统计分布2. 3. 2 风能的统计分布 15 162. 3. 3 风能功率与气动转矩的特性172. 4功率特性与能量输出192.

2、4. 1 控制系统与功率限制192. 4. 2 风级212. 4. 3 功 率 特性212. 4. 4 年均输出能量22风力发电系统第 3 章发电机 263. 1概述263. 2异步电机263. 2. 1 工 作 原理263. 2. 2 特征方程和等效电路273. 2. 3 无 功 补偿363. 2. 4 自 激 运行373. 3同步电机403. 3. 1 工 作 原理403. 3. 2 特征方程和等效电路403. 3. 3 非常规电机类型443. 4电机比较48第 4 章电气设备 494. 1概述494. 2常规电气设备494. 3电力电子变流器494. 3. 1 简介494. 3. 2 外

3、部换相逆变器514. 3. 3 自换相逆变器544. 3. 4 带中间电路的变流器594. 3. 5 直流直流斩波器594. 3. 6 交流电力控制器614. 4储能设备624. 4. 1 简介624. 4. 2 电化学储能634. 4. 3 电 气 储能664. 4. 4 机 械 储能67第 5 章风力发电系统 715. 1概述715. 2系统纵览715. 2. 1 简介715. 2. 2 并网风力发电系统72目录5. 2. 3 电气岛供应系统735. 2. 4 带电力传输的风泵系统745. 3并网风力发电系统745. 3. 1 简介745. 3. 2 直接并网异步发电机755. 3. 3

4、静态级联异步发电机765. 3. 4 同步发电机835. 3. 5 商业运行系统实例875. 4电气孤岛用风力发电系统905. 4. 1 联合发电系统5. 4. 2 孤立发电系统 90 91第 6 章性能和运行管理1006. 1概述1006. 2系统组件建模1006. 2. 1 代 表 模型1006. 2. 2 异步电机模型1056. 2. 3 同步电机模型1126. 2. 4 变换器建模1176. 2. 5 传动系建模1196. 3风力发电系统的控制1226. 3. 1 简介1226. 3. 2 并网风力发电系统控制1236. 4运行管理基础1276. 4. 1 简介1276. 4. 2 运

5、 行 状态1276. 4. 3 电网故障应激128第 7 章并网和电能质量1297. 1电网连接基础1297. 1. 1 简介1297. 1. 2 并网的许用额定功率7. 1. 3 功率波动和电网应激 129 1317. 2标准要求1337. 2. 1 相关安全设定133风力发电系统7. 2. 2 无功补偿 1337. 2. 3 防雷保护 7. 3系统运行监管 7. 3. 1 简 介 1331351357. 3. 2 有功功率和频率 1357. 3. 3 无功功率和电压 1377. 3. 4 短路和不离网运行 7. 4电能质量 7. 4. 1 谐 波 1371381387. 4. 2 电压偏差

6、和闪变 1397. 4. 3 音频传输兼容性 7. 5噪声发射 7. 5. 1 简 介 1431441447. 5. 2 WES 噪 声 发射145第 8 章风能的未来 1488. 1近海风力发电 8. 1. 1 简 介 1481488. 1. 2 底 座 1488. 1. 3 并 网 1498. 1. 4 具体问题 8. 2电力一体化及前景 8. 2. 1 混合发电中的风能 1521521528. 2. 2 跨国电网集成1538. 2. 3 2020 年 展 望 153附 录 155附录 A符 号 列 表 附录 B中英文对照缩略语 155156参 考 文 献 158第 1 章风能在可再生能源

7、中的角色1. 1可再生能源及其应用1. 1. 1可再生能源众所周知， 地球上的化石能源是有限的， 并且世界石油、 天然气和煤炭产量在未来可见的几十年之内将达到高峰， 其价格也会不断攀升。 与此同时， 世界上许多国家和地区对于核能的广泛应用都有政治上的顾虑。 在这样的背景下， 可再生能源将成为满足人类日益增长的能源需求的重要组成部分。 可再生能源对环境几乎不产生破坏， 不产生任何废气排放。 作为传统化石能源的代用能源， 可再生能源的广泛使用能够有效地减少 CO2 和 SO2 的排放。 因此在对抗气候变化的过程中， 可再生能源无疑起到重要角色。可再生能源主要来自于太阳辐射， 地球和月球的引力也有不

8、少贡献。 表 1- 1 列出了可再生能源的一次能源来源、 能量媒介、 转化原理以及技术利用手段。 水能、 风能、 太阳能和生物质能对能源需求的贡献较为显著， 可再生能源的最主要的应用形式是发电。表 1- 1 可再生能源一次能源来源、 能量媒介、 转化原理以及技术利用手段一次能源来源能 量 媒 介转 化 原 理技术利用手段太阳水蒸发、 降水、 融化水电站风大气流动风力发电站波浪运动波浪发电站太阳能海流海流能发电站加热地表和大气热能发电设施、 热泵太阳辐射太阳能集热发电、 太阳能光伏发电生物质生物质产生热电厂地球同位素衰变地热热电厂月球引力潮汐潮汐发电站几十年前， 人类就开始大规模地使用水力发电站

9、， 或者修建抽水蓄能设施来利用水力能源， 但是大容量的风能利用设备则于 20 世纪 80 年代才开始兴建。 随着技术的进步， 风力发电设备的单机容量早已迈入了兆瓦级， 大量的风力发电场也在兴建中， 并且保持着极高的增长率。第 1 章风能在可再生能源中的角色11太阳能发电有直接和间接两种形式： 直接法就是利用光伏电池把太阳能的光辐射能转变为电能； 间接法则是集中太阳能去加热水， 利用产生的蒸汽去发电。可再生能源的价格在一定程度上已经具有与传统化石能源一争高低的能力， 但在大多数地区， 可再生能源的应用还要依靠政策、 法规的支持。 从成本方面来讲， 与太阳能光伏发电的高成本和高维护要求相比， 风力

10、发电的成本在很久以前就降低到有足够的竞争优势了。1. 1. 2电能来源从图 1- 1 中可以看出， 在世界范围内煤炭、 石油和天然气等化石能源仍然是主要的发电用能源 （65% ）， 核能 （16% ） 和水能 （17% ） 以几乎相同的份额紧随其后， 占总量 2% 的可再生能源主要包括风能、 生物质能和太阳能。 在图 1- 1 中， 目前开发程度最高的可再生能源水力发电被单独列出， 所以可再生能源的比例才显得相对较少WEC04 。1. 1. 3风能与太阳能图 1- 1 世界净发电量 （2004 年）a） 世界各地分布及电力来源 b） 各组成部分风能和太阳辐射能的单位面积功率密度相近， 当考察某

11、地区的技术可开发功率密度时， 它们的数值都相对不高。 例如风速为 20m / s 的风， 在垂直于风速的平面内， 理论气流动能密度为 1. 04kW/ m2 ； 以太阳辐射最强的夏至日中午， 按照北纬 50地区计算， 太阳能辐射通量为 1. 05kW/ m2 。 这两种可再生能源还具有不稳定性。 现有风能系统功率转换效率为 40% 50% ， 目前商业可用硅电池的光伏发电效率则为 12% 18% 。欧洲陆上风电场 （按照年平均风速 5. 5m / s， 每年 1700h 满功率输出， 按照最佳效率为 45% 计算） 的单位风轮扫略面积的年电能输出为 800 1000kWh / （ m2 a）。

12、太阳能光伏系统的比发电量例如德国北部为 700 900kWh / kWp 。 假设每 5m2 的光伏电池能够提供 1kW 的峰值功率， 那么相应的单位光伏发电面积的能量产出为 160kW/ （ m2 a）。 在上述估算当中， 发电机和变换器的损耗已经考虑在内。 不可否认地， 当与燃煤、 燃油和燃气相比较时， 所报道的数量是相对较低的， 而显而易见的用一个相当的单位面积比较是不可取的。1. 2风力发电在电能中的地位1. 2. 1总装机容量截至到 2002 年底， 全世界风电场的总装机容量约为 32GW。 图 1- 2 列出了图 1- 2 已安装的风能发电功率和年发电量 （2002 年）a） 装机

13、容量 （ 单位： TWh） b） 电能输出 （ 单位： GWh）世界范围内地区的风电总量统计数据eia ， 从中可以明显看出， 欧洲在风能利用领域走在了全世界的前沿， 以 76% 的总装机容量份额雄踞榜首。 北美洲近年来风力发电也发展迅猛， 截止 2002 底占据了 16% 的份额。2006 年的粗略统计数据说明， 全世界风电场的总装机容量在 65GW 左右， 其中 47GW 的容量都位于欧盟国家， 美国国内的装机容量超过 11GW。 2007 年， 全世界新增装机容量约为 20GW GWEC，08 update ， 到 2007 年底， 世界风电场总装机容量达到了 94GW， 其中欧盟国家拥

14、有 56. 5GW， 美国拥有 16. 8GW。 从 20 世纪80 年代开始， 风力发电行业迎来了爆发式的增长， 同时由于技术发展和大规模风力发电经济性提高， 每千瓦时的成本显著降低。 这些进步来源自结构分析和设计的先进技术采用、 叶片设计与制造技术的完善、 电力电子技术和变速技术的大量采用Ram07 ， 这一切都使得风力发电技术成为发展速度最快的 “ 绿色” 技术。图 1- 3 GWEC07 列出了世界上风力发电装机容量最大的 10 个国家和其统计数据。 除欧洲以外， 美国、 印度和中国的风力发电装机容量及其增长趋势也都十分可观。 除了这些国家和地区的情况外， 参考文献 IEA06 列出了

15、国际能源机构（ IEA） 27 个成员国 2006 年的风能发展报告。图 1- 3 前 10 个国家和地区装机容量和 2006 年新增装机容量表 1- 2 列出了 2006 年各个欧洲国家的新增装机容量和截止到 2006 年年底的累计风电总装机容量， 从中可以看出， 德国仍然居于欧洲各国 2006 年风电新增装机容量和截止到 2006 年年底累计风电总装机容量之首， 西班牙次之， 丹麦则是人均风能发电量最大的国家。 参考文献 ewea 还列举了欧盟 15 国、 欧盟 25 国和整个欧洲的风电总装机容量。表 1- 2 2006 年欧洲新增装机容量和截止到 2006 年年底的累计风电总装机容量 （

16、 单位： MW）国家和地区2006 年新增装机容量截止到 2006 年年底累计装机容量德国223320622西班牙158711615丹麦123136意大利4172123英国6341963葡萄牙6941716法国8101567荷兰3561560欧盟 15 国740447644欧盟 25 国758848027整个欧洲770848545图 1- 4 来自于欧洲风能并网研究组织 （ EWIS ） 2007 年 1 月的调查报告EWIS07 ， 该报告也再次确认了欧盟风电装机集中于 10 个国家的事实。图 1- 4 欧洲各国风电安装情况单看德国的情况， 根据 2007 年的统计数据， 德国全年用电量的

17、14. 8% 由可再生能源提供， 其中风能是最主要的能源， 约占可再生能源的一半 （ 7. 2% ）。由于风能资源分布的不均衡性， 风力发电量也呈现出地区性的不均衡性。 在德国北部沿海地区， 在用电量的低谷时间内， 风能发电量甚至会超过当地的所有能源需求量。 因此风电的应用需要建立强大的高压输电网， 将局部电网中的过剩电能输送到工业密集地区的耗能中心。 德国已经计划在 2020 年前建成一条 1050km 长的超高压输电线路来专门输送风力发电发出的电能。 由于风力资源的地区不均衡分布和时间不均衡分布造成的储能问题， 也是制约风力发电事业发展的一个重要难题。另一目标， 公用电站已经开始确立新的要

18、求， 以让风场运行商在电网故障时能像传统电站一样， 有助于提供无功功率并具备穿越运行能力， 这对制造业提出了挑战。风轮机的发展还体现在单机容量的增加上。 图 1- 5 给出了德国 1987 2007 年的单机容量End08 ， 目前平均单机容量已经达到了 1800kW， 制造商已经可以大批量提供 2. 3 3MW 的机组。 考虑到未来修建的适用大容量风力发电机的海上风力发电场， 未来的平均单机容量还会大大增加。 目前最大容量的实验机组已经达到了 5MW 的容量。图 1- 5 德国平均单机装机容量增长情况1. 2. 2技术标准和地域影响风力发电技术和经济性的快速提高让大规模工业应用风能成为可能，

19、 并且现在不少国家的风能已经是总能源中不可小觑的一部分了。 在政府政策和法规的引导下， 在不远的将来将看到大量的、 多种多样的风力发电场建成投产， 风能也将成为传统化石能源的有力竞争对手。目前风能行业中最为广泛接受的电力技术标准是国际电工委员会 （ IEC） 颁布制定的 IEC61400 标准。 该标准制定时就是面向国际的， 广泛征集了很多专家、学者的意见， 内容涵盖了风力发电机的设计、 安全性规范和选址环境问题， 如噪声标准和电能质量要求等方面。建立风力发电场的过程一般来说如下所述： 首先对选址地区的风情做评估， 以选择恰当型号的风力发电机组； 计算设备投资成本、 运营维护成本， 评估在寿命

20、期内的利润。 由于有意投资风力发电场的资金来源很复杂， 如当地土地所有者、 私人公司、 专业投资机构和部分电力消耗大户企业等， 风电场的审批工作可能会变得非常复杂。 在一些风电已经高度开发的地区， 审批工作可能需要很长时间。可再生能源的大量使用能够替代传统化石能源， 减少温室气体的排放。 随着技术的进步， 以前怀疑风力发电不经济的观点已经消失。 但是目前公众和某些机构仍旧有对于风力发电破坏环境的疑虑， 这些观点和拉锯式的讨论无疑会拖慢风能事业的发展。 公众的主要疑虑如下：1. 噪声污染任何机械运转都无法避免产生振动， 进而发出噪声。 风力发电机组中， 最大的噪声来源就是叶片切风时产生的气动噪声

21、， 现在的风轮机制造商无不在尽力减少噪声。 为了保护生活在风力发电机周围的居民， 相关的管理机构也制定了各种法规限制。 除了人耳能听见的噪声外， 法规还规定了风力机的次声波噪声限制。2. 光影污染在风轮机周围居住的居民也会被旋转的叶片影子所影响， 有规律的明暗闪烁会给人带来类似在 disco （ 迪斯科） 中的感觉， 可能引起居民的不适。 为了保护附近居民， 风力发电场当地的管理部门都有最小间隔距离的要求， 如应大于风轮机总高度的 6 倍。3. 对当地动物的影响现行法规规定， 自然保护区内不准建立风力发电场。 目前对于风力发电场影响动物栖息环境的主要疑虑， 就是担心风轮机会损害鸟类。 截至目前

22、为止， 环境保护组织的大量调查报告都表明风力发电场对鸟类的损害是极其轻微的。4. 破坏当地景观毫无疑问， 修建了风力发电场以后， 其所在地的风景会受到影响。 在某些主要依赖旅游业收入的地区， 风力发电场的施工和修建可能会减少当地的游客， 一些游客可能不喜欢看见风电场， 进而减少当地经济收益。就德国目前的情况来讲， 已经很难在内陆地区找到可以新建风力发电场的地址了。 修建海上风力发电场将成为下一个发展阶段的主要目标， 但是海上风力发电场作为更加新兴的事物， 它对环境的影响还不甚明了 （参见 8. 1 节相关内容）。1. 2. 3政府规定欧洲对于风力发电事业的支持是非常到位的， 从成员国到欧盟都有

23、相应的支持政策， 根据 2001 年颁布的欧洲可再生能源指令 （77 / 2001 / EC）。 到 2010 年， 欧洲境内能源的 21% 必须由可再生能源提供。 根据这条指令， 欧盟的每个成员国都必须制定出自己的执行计划， 确保每个成员国都支持发展可再生能源。 具体行政引导手段由成员国自定， 方法多种多样， 比如保护上网的可再生电能的电价、 固定补贴价格、 可交易绿色凭证系统、 税赋抵减、 税收优惠等。图 1- 6 ISI06 描述了欧盟 25 国对于可再生能源的支持体系。 与此相比， 美国对于可再生能源的支持是通过联邦立法院制定的生产税抵减法案 （ PTC） 来实施的 AWEA 。图 1

24、- 6 欧盟 25 国可再生能源支持体系 此处原书为 “ SL” 为塞拉利昂简称， 有误， 此处似应为斯洛伐克。 译者注在实行固定上网电价的国家和地区 （ 如德国）， 电网运营商有义务保证风电场的电能能够就近馈入电网， 并且以一定的保护价格来收购可再生电能。 上网电能保护价格只存在于固定的一段时间之内， 随着风电场运营时间的增加， 保护价格也会逐渐降低。 风电上网电价中超过普通能源的价格差额最终会转给消费者。这种固定上网电价的政策已经在许多国家被证明有效， 它们能保证风电投资者的 此处原书为欧盟 25 国， 但以图来看应为欧盟 27 国实际情况。 译者注收益， 同时还能促进相关技术的进步。 在

25、丹麦和西班牙等国， 政府使用一种变相的固定上网电价 （ 该方法命名为固定补贴价格）， 可再生能源以常规电价上网， 政府补贴可再生能源生产厂商一定的资金。在英国、 比利时、 意大利、 波兰和瑞典， 政府通过可交易绿色凭证系统来支持可再生能源的发展。 发电商所生产的电力中， 必须有指定部分来自于可再生能源。 发电商产品的最终售价完全由发电商之间的市场竞争来决定。爱尔兰和法国以前实行的政策是固定电量竞标系统， 即由政府来出面招标， 投资者和发电厂商来投标， 最终低价者可以获得电力收购合同， 最终的电价由消费者来承担。 尽管这种竞标系统理论上可以获得最大收益， 但是由此而引出的额外管理监察成本也不低。

26、欧洲委员会在 2005 年 12 月做了一个报告， 报告评估了现行的可再生能源鼓励政策， 但是却没有做出在欧洲范围内统一政策的尝试。 根据该报告的调查结果， 现行最为有效的鼓励政策就是固定上网电价制度。德国在 1999 年颁布了 可再生能源法 BRD04 ， 并且实行了统一电价制度。2009 年 1 月又对 可再生能源法 进行了修正， 强调了未来发展海上风力发电场的重要性。 该法规保证了风力发电场的运营商可以以保护价格把满足电能质量要求的所有电能都卖到电网上， 该法规还包括了对其他可再生能源的资助和管理办法， 如制定了随着设备服役年限延长而递减的保护性参考电价。 保护电价和传统化石能源发电价格

27、的差额将转给终端消费者。 该法律的制定是各方长时间讨论和妥协的结果， 它代表了现在各方都能接受的一个价格框架协议， 并且会作为未来可再生能源支持工作的基础。第 2 章风力机2. 1概述风车的历史可以追溯至 2000 年前， 早期的风车主要用来磨制谷类和汲水。在 17 世纪和 18 世纪近代风车重要的代表荷兰风车以不同的形式出现， 并在欧洲被大量建造。 Western Mill 是 19 世纪风车另一种典型的结构， 应用于乡村地区， 在美国至今仍有应用。 现代的风能转换器发展起步于 20 世纪 20 年代， 但直到 80 年代人们才对它进行了专门研究， 其在可再生能源方面有着重要应用。从流体力学

28、角度来讲， 风力机分为阻力风力机和升力风力机： 阻力风力机直接利用吹到风轮上的风压， 效率很低， 只有 10% 20% ； 升力风力机则可以实现高得多的效率。 19 世纪初发表的一种适应理论 （ Joukowski1907） 推算出升力风力机效率的固有极限约为 59% 。现代风力机普遍采用高速旋转轴、 水平主轴、 上风向风轮和三叶片结构。 单机的容量也在稳步提高， 目前平均单机容量已经超过了 1. 7MW， 海上风力发电机的实验样机已有单机容量 6MW 的产品。本节中涉及的内容请参考阅读参考文献 Hau06， Gas02， Gas07 的相关内容。2. 2风能转换原理2. 2. 1功率转换与功

29、率系数由下式可知， 来自于以速度 v1 通过截面积 A 的气流动能的风能功率：P = Av3w（2- 1）21式中， 是空气密度， 其值取决于大气压力和空气湿度， 实际计算中可以近似认为 1. 2kg / m3 。 气流以恒定速度垂直于截面积 A 通过， 对于风力机， 截面 A 即为风轮的扫掠面积。 引入功率系数 cp ， 风力机获得的有效机械功率可以表示为=P 3p（2- 2）c 2 Av1假定流动着的空气为均匀介质， 到达风轮面之前速度为 v1 ， 通过风轮后由于部分能量转换为风轮的动能而速度降为 v3 （ 见图 2- 1）。 简化理论计算， 认为在第 2 章风力机27风轮面内气流平均速度

30、为 v2 = （ v1 + v3 ） / 2。 根据这些， Betz Bet26 经过计算指出当v3 / v1 = 1 / 3 时， 风力机可获得最大有效功， 此时功率系数 cp = 16 / 27 0. 59。 实际上， 由于损耗 （ 翼剖面损耗、 叶尖损耗和尾流效应损耗）， 风力机的最大功率系数为 cp，max = 0. 4 0. 5。 为了保证可以传递到负载端 （ 发电机、 泵） 的有效机械功， 考虑到轴承、 联轴器和变速器处的能量损耗， 式 （2- 2） 中要乘以机械传动系的效率进行修正。图 2- 1 风轮理想流体模型 （ Betz）叶尖转速比 是风轮一个非常关键的参数， 其定义为叶片

31、尖端的圆周切向速度与风速的比值， 即 =uD v12 v1（2- 3）式中， D 是风轮直径； 是风轮旋转的角速度。 请注意， 转速 n （ 通常以 r / min为单位） 与 （ 单位为 rad / s） 之间的转换关系为 = 2n / 60。对于一个旋转系统， 功率等于转矩 T 与角速度 的乘积 （ P = T）， 转矩系数 cT可以通过功率系数来推导， 即cT（ ） = cp （ ）（2- 4）根据式 （2- 1）， 转矩可表示为T = cT D Av2（2- 5）2 21由此可知， 转矩与风速的二次方 （ v2 ） 成正比， 能量与风速的三次方 （ v3 ）11成正比。图 2- 2 给

32、出了对于不同类型风轮的 cp （ ） 的典型曲线。 Betz （ 贝茨） 曲线显示的是恒定最大值直线， Betz （ 贝茨） 曲线旁是 Schmitz 考虑轴向气流下风向发生径向发散后修订的 cp 曲线， 根据 Schmitz 和之前 Glauert 的计算， 在叶尖转速比较小时， 这两条曲线有显著区别。 再结合参数 cT （ ） 曲线图 （ 见图 2- 3 ）， 就可以知道为什么会选择现在使用的三叶片水平轴风力机了。 一片、 两片或三片叶片的风力机被称为高速风力机， 具有较高的 cp 值， 但从 cT曲线可以看出， 这种高速风力机的起动转矩却比较低。 另外， 由于一叶片、 两叶片风轮在转矩波

33、动和噪声控制上仍然不够理想， 所以现在所有的风能系统中三叶片风轮占支配地位。通常设计风轮的 A 值为 5 8。图 2- 2 不同类型风轮的功率系数随叶尖转速比变化曲线图 2- 3 不同类型水平轴风力机转矩系数曲线2. 2. 2力和转矩根据翼形理论对一片叶片升力和阻力的计算， 可以得到风轮的主要参数。 假设一个宽为 b， 弦长为 t 的翼形单元， 有速度为 v1 的气流通过， 如图 2- 4 所示。攻角 为风向和翼形弦线的夹角， 得到升力 FA （ 垂直于气流方向） 和阻力 FW（ 平行于气流方向） 分别为F = c （ ） v2 tbAA2 1F = c （ ） v2 tb（2- 6）WW2

34、1注意， 这两个分力分别垂直、 平行于气流方向。 系数 cA 和 cW 表示了给定叶片轮廓的特征， 取决于攻角 。 将图 2- 4 中的范例应用于实际的非对称轮廓Schm56 ， 对于小的 值 （010 ）， 可以得到近似的比例关系为 cA = （5. 1 5. 8）， 而 cW 在此区间内相对较小。 称比值 = cA / cW 为升阻比。图 2- 4 特定翼剖面下升力系数 cA （ ） 和阻力系数 cW （ ） 随攻角变化曲线当风轮以角速度 旋转时， 叶片上距离旋转风轮轴线 r 处的圆周切向速度为 u（ r） = r。根据 Betz 理论， 风轮平面处的轴向风速为 v2 ， 其值为上风向风速

35、v1 的 2 / 3。 切向速度和轴向速度的矢量合成为该点处的相对风速 c（ r） ， c（ r） 与风轮平面之间成 角， 如图 2- 5 所示。 升力和阻力的微元变量 dFA 和 dFW 全都作用于该点附近的叶片面积 （ tdr） 内， 则力分解得到的切向力 dFt 和轴向力dFa 分别为图 2- 5 叶片作用风速和作用力示意图 dFt = c2 tdr cA sin - cW cos （2- 7）dFa 2 cA cos + cW sin （ R） = 1 + 2在给定的叶片轮廓上进行积分， 可通过切向力得到转矩， 轴向力合力得到轴向作用在风轮上的阻力。在叶尖处， r = R， 叶尖切向速

36、度为 uc（ R） = v2R。叶尖的相对风速为对于一个给定叶片角的风轮， 图 2- 6 Gas07 给出了其 cP （ ） 和 cT （ ） 曲线， 从而可知该风轮的设计最优叶尖转速比为 A = 6. 5。图 2- 6 三叶片风轮功率系数 cP （ ） 和转矩系数 cT （ ） 曲线功率系数 cP（ ） 和转矩系数 cT （ ） 是风轮基本特征参数 （ 见 2. 2 节、 2. 3 节）。 另外为计算风轮的轴向阻力， 定义了轴向阻力系数 cS （ 见图 2- 7）。 对于刚性叶片， 低 时 cS 值也很小， 并且在无负载速度 （ 高 ） 时， 测量的曲线类似一个受轴向风载圆盘的情况。图 2-

37、 7 阻力系数 cS （ ） 曲线转矩 T、 功率 P 和轴向阻力 S 都可以用参考力 FB 来表示。 FB 正比于风速的平方和风轮扫掠面积， 即F = BD2 v22. 3风情与利用2. 3. 1风速的统计分布2412T = cT（ ） D FBP = cP（ ） v1 FB S = cS （ ） FB（2- 8）一个地区的风速、 风向时间、 空间的变化规律及特性称为风情， 每个地区的风情都受到许多因素的影响， 如大的区域性气候影响， 小的局部地区地形影响， 并且风力的变化还明显受到季节影响， 甚至还有短期的随机变化等。 因此在风力发电场的选址工作中， 对风情的考察和预测是至关重要的。 一般

38、风情数据都是通过测风塔来观测和记录的， 测风塔能够监测某一固定高度的风情数据。 但是即便同一地区的记录数据在不同时间也会有一定的波动。地表的高低起伏无疑会对风情产生影响， 在风力机所在的高度范围内， 风速由低到高增加， 国际上常用一个指数函数来表示层流风速 v 和高度 z 之间的关ln（ z / z ）1 0系 ， 即v2 （ z2 ） = v1 ln（ z2 / z0 ）（2- 9）式中， v1 是在参考高度 z1 的水平层流风速； z0 是地面粗糙特征值， 它根据风电场周围的地形不同而取不同值。 例如， 如果周围是开阔平缓的农田， z0 取值0. 03m， 如果周围是稀疏的树林和灌木丛，

39、z0 取值 0. 1m， 如果周围分布着茂密的森林， z0 取值 0. 5 1. 6m。 本书的 2. 4. 4 节中， 在评估风力发电机的参考捕获能量时也使用了式 （2- 9）。一旦风速 v （ t） 有了一个明确的以高度表示的函数表达式， 那么风力发电机的捕获能量功率和总捕获能量都可以通过描述统计学方法来计算。首先把所考虑的风速范围划分为 k 个等级， 每个等级涵盖的风速范围都是v， 第 i （ i = 1， 2， 3， ， k） 个等级的平均风速为 vi 。 每隔一定的时间测量一次风速， 并且把测量的结果归入这 k 个等级的图谱之中。 把每次测量的风速 vi 都当作是时间段 ti 之内的

40、平均风速， 这样就可以计算 vi 风速的相对出现频率为Thi = ti（2- 10a）k式中T =i = 1 ti用直方图表示不同风速等级频度分布 hi （ vi ） 图 2- 8 是这种统计方式的一个例子， 在这个例子当中， 风速分级范围 v = 1m / s。通过长期的观测数据积累， 现在业界普遍认为风速等级频度图符合韦伯分布规律。 欧洲内陆地区的风速分布特征， 更是属于一种特殊的韦伯分布， 即瑞利分布 （ k = 2）。 hR （ ） = 2 v vexp - 4 2 （2- 10b）av式中 = vvav图 2- 8b 展示了随着参数 k 的变化， 风速韦伯分布的图形， 其中当 k =

41、 2 时， 韦伯分布又被称为瑞利分布， 这种分布被业界广泛接受。图 2- 8 风速分布示意图a） 直方图 b） 韦伯函数近似表示 （ 瑞利函数， 其中 k = 2）2. 3. 2风能的统计分布按照上面所述的风力分级统计方法， 对风能功率进行统计分级。 注意这里分类的功率是单位扫略面积上的比功率。 第 i 级功率出现的频率 Pi （ vi ） 为p = Pi = c v3（2- 11）iAp 2 i当风速过高时， 风轮机将启动功率限制策略。 因此从图中看到， 功率分布的图形类似于正态分布， 即Eei = pihik式中E =i = 1 pihi（2- 12）由于功率与风速之间是 3 次方的关系， 所以功率分布的峰值风速会比频度分布的峰值风速更高。 图 2- 9 中 v = 0. 5m / s， 对一个组测量数据进行分级，