能源与动力工程导论论文

2024年3月26日发(作者：最好的翻译软件)

能源与动力工程导论论文

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

人类很早就已经开始利用风，公元前 200 年就存有记述。19 世纪之前，社会生产力

高，风能够获得了广为的利用;在步入 19 世纪之后，廉价的蒸汽机已经开始发生，加之

当时燃料，风能的利用所占到比重逐渐降至最低点。当今，随着人类经济社会和各行各业

的飞速发展，社会对能源需求量也在不断减少，尤其就是对煤、石油等化石燃料市场需求

越来越小。但是人类的大量采矿和采用，这些资源在逐渐耗竭，引致几次资源危机的出现，

尤其就是 1973 年，出现的石油危机导致的影响最小;此外，轻易冷却化石燃料对环境也

可以导致轻微的污染。同时，煤、石油也被誉为“工业的粮食”、“工业的血液”，冷却

只是利用了它们的化学能，导致非常大的浪费。基于对环境保护的注重，对化石燃料的节

约，世界各国纷纷把对可以再生能源的利用做为将来的能源发展方向，而对风能的利用又

就是关键的组成部分，目前风能够主要利用方式就是发电。先将风的动能转变成机械动能，

再将机械能转变为电能，这就是风力发电。它具备无污染、设备使用寿命短、范围广等优

点，这也就是其它传统发电方式不具备的优点。一般来说，当风速达至三级时就存有利用

价值，但通常少于 4 米/秒时才适宜用以发电。根据实验数据，以一台 55kw 风力机为基

准，风速在 9.5 米/秒时，机组输出功率为额定值 55kw，;当风速为 8 米/秒时，功率增

加为 38kw;风速在 6米/秒时，只有 16kw;而风速只有 5 米/秒时，仅为 9.5kw。因此风

速越慢，输出功率越大，经济效益也越高。当前我国仍以火电机组居多，对煤炭等化石能

源需求量非常大，且这些化石燃料不容再造，还是工业生产的关键原料，轻易冷却用作发

电就是非常大的浪费，还可以污染环境。风力发电就是一种无污染的发电方式，且风能就

是一种可以再生能源，合乎我国的可持续发展战略。我国的风力资源多样，大多数地区的

年平均风速都在 4 米/秒以上，在西北、东北、青藏高原和东南沿海地区和部分岛屿，年

平均风速更高;尤其就是新疆山口地区，几乎全年都就是大风天。在这些地区，发展风力

发电就是很存有前景的。

1.2 国内外研究现状

人类利用风力历史很长，但在数千年的时间里，主要就是利用风能够转变为其它形式

的机械能，直至 1877 年才问世第一台风力发电机。1941 年美国研制成功世界上第一台

兆瓦级风力发电机，使大规模风力发电沦为了可能将。然而当时化石燃料价格低廉，风力

发电被边缘化，并未受到重视，直至 1973 年能源危机的出现，使得风力发电获得了较慢

的发展，1987 年，美国研制成功 3.2mw 风力发电机，与此同时，加拿大研制出 34mw 风

力发电机组。至 2022 年底，存有 16个欧洲国家、4 个亚太国家、4 个美洲国家风电装

机容量少于 1000mw。2022 年加拿大追加装机容量 1599mw，28 个欧盟国家追加装机总容

量超过 11159mw，同时，巴西追加装机容量也吻合 1000mw。我国就是最早利用风能的国

家之一，但利用风力发电起步较晚，直至 1986 年才在山东荣成创建第一座风力发电场。

近年来我国风电发展较慢，年风电装机容量以 10%以上的速度快速增长，2022 年我国追

加风电装机容量 1609 万 kw，并在西藏投入使用该省第一座风电场，总装机容量少于

9000 万 kw，年发电量超过134.0twh，沦为第三小电源，共计 16 个省(市)风力发电总计

并网量少于 100万 kw。预计至 2022 年，风电装机容量将达至 2.5 万 kw。与此同时我

国独立自主研发的风电设备所占到比重也越来越小，2022 年仅 10%，至 2022 年少于

70%，价格也从“十一五”初期的 7000 元/kw 降至了 4000 元/kw。

第 2 章 风力发电及运行仿真

2.1 风力发电

风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是当前风能利用的主要形式，风力发电机主

要有机舱、叶片、塔架、导流罩、风轮轴、齿轮增速箱、发电机、和风向标、风速仪等组

成。机舱：装有并保护风力发电机重要设备。叶片：风力使叶片转动，将风能转化为机械

能，传送到风轮轴。塔架：搭载风力发电设备，通常的，高度越高，风力发电机所受风速

越大，叶片可以造得更大，输出功率也越大。导流罩：迎风状态时，风会沿着导流罩均匀

分流，使每个叶片都接受相同的风力。风轮轴和齿轮增速箱：将叶片的机械能传送给齿轮

增速箱，再通过齿轮增速箱加速后带动发电机发电。风向标和风速仪：目前风力发电机组

最高只能承受 25 米/秒风速，因此需要时刻检测风速和风向。当风速超过最大设计时可

立刻采取措施，保证整个设备的安全。风力发电机组有双馈型、永磁型等。风力发电也分

为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。

2.2 风速、贝兹理论、叶尖速比以及机械转矩

风速是指空气的移动速度。衡量风能是否能用于发电的指标通常是年平均风速。相较

于励磁同步发电机，永磁同步发电机有着以下优点：(1)、结构简单、可靠性高。励磁发

电机需要外加一个励磁绕组。当励磁绕组因电流过大导致发热时间过长时，可能会烧坏。

永磁发电机采用永磁体提供磁场，不会引起发热等问题，使用寿命长，结构也较励磁绕组

简单，造价低廉。(2)、体积小、重量轻。永磁体体积比励磁绕组小，相应的发电机体积

也可以造得小，重量也得到减轻。(3)、效率高。励磁发电机需要励磁电源，以及碳刷、

滑环，运行时增加了机械摩擦损耗。永磁发电机无需电励磁，理论上只有少量机械损耗，

效率高。一般的，发电机转速在 25r/s~100r/s 时，励磁发电机效率只有 50%左右，而永

磁发电机可达 80%。(4)、运行方便，成本低。风力发电机组一般都离地 20 米甚至更高，

检修困难，采用励磁发电机装置励磁电源困难，且检修间隔时间短。永磁同步发电机检修

间隔时间长，无需增加励磁设备。由于有着以上优点，本文以永磁同步发电机作为风力发

电系统主机。永磁同步发电机的转子的磁链由永磁体磁场强度决定。将定子电压在q0d 同

步旋转坐标系下进行分解，其中，同步旋转坐标系的 d 轴是转子磁链的方向。

第 3 章 微电网及风力发电机并网最佳条件 ........16

3.1 微电网 ......... 16

3.2 风力发电机并网最佳条件 ..... 17