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风力发电概况论文
风 力 发 电 概 况 论 文
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风电场内的风特性指的是近地面大气边界层最底层100m 以下气流的流动情况。用风速的大小、方向和湍流强度等反映风特性的特征量描述。一般可分为平均风特性和脉动风特性来进行研究。
平均风特性平均风特性包括：平均风速、平均风向、风速廓线和风频曲线等。一般来说，这类数据由常年的气象数据记录得出。
平均风向。风向指风的方向， 一般用16个方位来表示。根据气象台站提供的记录数据，按月，季节、年来统计风向变化的平均值，来判断某一地区的风向变化情况， 下面以我国某一沿海城市的测风数据为例绘制出风向玫瑰图加以说明。其中，各方位辐射线的长度代表风向频度， 即不同方位上记录的次数占全月总记录次数的百分比。从图中不难看出：此地秋冬季节盛行东北风，而春节有两个主风向：东北和东南。夏季风向变化较大主要是西南和东南方向范围内变化。
平均风速。风速是指单位时间内空气在水平方向上移动的距离， 平均风速是指在某时距内，空间某点上各瞬时风速的平均值。其值的大小与时距的选取有很大的关系。由范德豪芬的实验可知，周期在10min 到1h 范围内功率频谱曲线比较平坦， 平均风速时距取在此范围内可忽略湍流引起的天气变化， 我国规范规定的时距为10min。平均风速随时间和空间变化，但具有一定的统计规律，如日、月、季节变化规律。平均风速的日变化规律最为显着。除去天气变化因素的影响， 秋季最大风速出现在上午10 点到12 点之间， 冬季最大风速大多数出现在午后。两者最小风速出现在下午18 点到20 点之间。产生这种变化的原因是由于太阳辐射的日变化而导致的地面热力不均造成的。不同地区，不同季节因太阳辐射条件不同会有所不同。
脉动风特性
脉动风具有随机性, 随时间和空间随机地变化。包括：脉动风速、脉动系数、风向变化、湍流强度、湍流积分尺度、脉动风功率谱和空间相关系数等。
脉动风速。脉动风速指的是某时刻t，空间某点上的瞬时风速与平均风速的差值。其表达式为
V'(t)=V(t)-V (1)
脉动风速的变化情况可由气象台站的统计数据得出。
湍流强度。湍流强度反应的是风速随时间和空间的变化程度，反应脉动风的相对强度，脉动风速受地表特征和温度层结构及地表粗糙度和高度的影响强烈。
3 风力发电机组类型、结构组成、工作原理
根据风力发电机的运行特征，风力发电机可分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机和变速风力发电机。
恒速风力发电机
恒速风力发电机系统如图1所示，采用了笼型异步发电机，发电机通过变压器直接接入电网。因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，所以通常称之为恒速风力发电机。并网运行时，异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场，这恶化了电网的功率因数，易使电网无功容量不足，影响电压的稳定性。为此，一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高，比较适合风力发电这种特殊场合，在风力发电发展的初期，笼型异步发电机得到了广泛的应用，有效地促进了风电产业的兴起。
图1 笼型恒速发电机系统
随着风力发电应用的深入，恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来，主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上l％一5％内运行，输人的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限，将进入不稳定运行区。因此，在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合用，以充分利用中低风速的风能资源。另外，风速的波动使风力机的气动转矩随之波动，因为发电机转速不变，风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力。而且，由于风力机的速度不能调节，不能从空气中捕获最大风能，效率较低。齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性，影响了系统效率，增加了噪声。
有限变速风力发电机
有限变速风力发电机系统如图2所示，发电机采用绕线式异步发电机。绕线式异步发电机转子外接可变电阻，其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率，使发电机的转差率可增大至10％，实现有限变速运行，提高输出功率。同时，采用变桨距调节及转子电流控制，以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。然而，由于外接电阻消耗了大量能量，电机效率降低了。有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统。
图2 绕线式有限变速发电机系统
变速风力发电机
由双馈异步发电机(Doubly fed induc