风力发电机组的工作机理解析

风力发电机组是将风的动能转换为电能的系统。在风力发电机组中，存在着两种物质流：一种是能量流，另一种是信息流；两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理如图1-1所示。

图1-1 风力发电机组的工作原理

1.能量流

风力机所捕获的是风的动能，风的动能大小可以由风功率来表示。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。因为在t时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能为

式中 W——风能，单位为J；

ρ——空气密度，单位为kg／m³；

v——来流速度，单位为m／s；

A——面积，单位为m²。

所以风功率为

由式（1-1）可见，风功率与风速的立方成正比。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_r＝M_rΩ_r

式中 P_r——风轮的输出功率，单位为W；

M_r——风轮的输出转矩，单位为N·m；

Ω_r——风轮的角速度，单位为rad／s。

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

P_m＝M_mΩ_m＝M_rΩ_rη_m （1-2）

式中 P_m——主传动系统的输出功率，单位为W；

M_m——主传动系统的输出转矩，单位为N·m；(www.xing528.com)

Ω_m——主传动系统的输出角速度，单位为rad／s；

η_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

式中 P_e——发电系统的输出功率，单位是W；

U——三相绕组上的线电压，单位是V；

I——流过绕组的线电流，单位是A；

cosφ——功率因数；

η_e——发电系统的总效率。

对于并网型风力发电机组，发电系统输出的电流经过变压器升压后，即可输入电网。

2.信息流

信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时，应该紧急关机。

风速、风向、风力机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时地发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。

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，通过变桨距系统改变风轮叶片的桨距角（在指定的径向位置叶片弦线与风轮旋转面间的夹角），从而控制风力发电机组输出功率。在起动和停止的过程中，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的指向，使风轮始终对准来风方向。

当需要关机时，控制系统发出关机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。

实际上，在风力发电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。

应该指出，由于各种风力发电机组结构的不同，其工作原理也有差异，这里介绍的是比较典型的情况。