能源與動力工程導論論文

2024年3月26日發(作者：最好的翻譯軟件)

能源與動力工程導論論文

第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義

人類很早就已經開始利用風，公元前 200 年就存有記述。19 世紀之前，社會生產力

高，風能夠獲得了廣為的利用;在步入 19 世紀之后，廉價的蒸汽機已經開始發生，加之

當時燃料，風能的利用所占到比重逐漸降至最低點。當今，隨著人類經濟社會和各行各業

的飛速發展，社會對能源需求量也在不斷減少，尤其就是對煤、石油等化石燃料市場需求

越來越小。但是人類的大量采礦和采用，這些資源在逐漸耗竭，引致幾次資源危機的出現，

尤其就是 1973 年，出現的石油危機導致的影響最小;此外，輕易冷卻化石燃料對環境也

可以導致輕微的污染。同時，煤、石油也被譽為“工業的糧食”、“工業的血液”，冷卻

只是利用了它們的化學能，導致非常大的浪費。基于對環境保護的注重，對化石燃料的節

約，世界各國紛紛把對可以再生能源的利用做為將來的能源發展方向，而對風能的利用又

就是關鍵的組成部分，目前風能夠主要利用方式就是發電。先將風的動能轉變成機械動能，

再將機械能轉變為電能，這就是風力發電。它具備無污染、設備使用壽命短、范圍廣等優

點，這也就是其它傳統發電方式不具備的優點。一般來說，當風速達至三級時就存有利用

價值，但通常少于 4 米/秒時才適宜用以發電。根據實驗數據，以一臺 55kw 風力機為基

準，風速在 9.5 米/秒時，機組輸出功率為額定值 55kw，;當風速為 8 米/秒時，功率增

加為 38kw;風速在 6米/秒時，只有 16kw;而風速只有 5 米/秒時，僅為 9.5kw。因此風

速越慢，輸出功率越大，經濟效益也越高。當前我國仍以火電機組居多，對煤炭等化石能

源需求量非常大，且這些化石燃料不容再造，還是工業生產的關鍵原料，輕易冷卻用作發

電就是非常大的浪費，還可以污染環境。風力發電就是一種無污染的發電方式，且風能就

是一種可以再生能源，合乎我國的可持續發展戰略。我國的風力資源多樣，大多數地區的

年平均風速都在 4 米/秒以上，在西北、東北、青藏高原和東南沿海地區和部分島嶼，年

平均風速更高;尤其就是新疆山口地區，幾乎全年都就是大風天。在這些地區，發展風力

發電就是很存有前景的。

1.2 國內外研究現狀

人類利用風力歷史很長，但在數千年的時間里，主要就是利用風能夠轉變為其它形式

的機械能，直至 1877 年才問世第一臺風力發電機。1941 年美國研制成功世界上第一臺

兆瓦級風力發電機，使大規模風力發電淪為了可能將。然而當時化石燃料價格低廉，風力

發電被邊緣化，并未受到重視，直至 1973 年能源危機的出現，使得風力發電獲得了較慢

的發展，1987 年，美國研制成功 3.2mw 風力發電機，與此同時，加拿大研制出 34mw 風

力發電機組。至 2022 年底，存有 16個歐洲國家、4 個亞太國家、4 個美洲國家風電裝

機容量少于 1000mw。2022 年加拿大追加裝機容量 1599mw，28 個歐盟國家追加裝機總容

量超過 11159mw，同時，巴西追加裝機容量也吻合 1000mw。我國就是最早利用風能的國

家之一，但利用風力發電起步較晚，直至 1986 年才在山東榮成創建第一座風力發電場。

近年來我國風電發展較慢，年風電裝機容量以 10%以上的速度快速增長，2022 年我國追

加風電裝機容量 1609 萬 kw，并在西藏投入使用該省第一座風電場，總裝機容量少于

9000 萬 kw，年發電量超過134.0twh，淪為第三小電源，共計 16 個省(市)風力發電總計

并網量少于 100萬 kw。預計至 2022 年，風電裝機容量將達至 2.5 萬 kw。與此同時我

國獨立自主研發的風電設備所占到比重也越來越小，2022 年僅 10%，至 2022 年少于

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

第 2 章 風力發電及運行仿真

2.1 風力發電

風能是一種清潔的可再生能源，風力發電是當前風能利用的主要形式，風力發電機主

要有機艙、葉片、塔架、導流罩、風輪軸、齒輪增速箱、發電機、和風向標、風速儀等組

成。機艙：裝有并保護風力發電機重要設備。葉片：風力使葉片轉動，將風能轉化為機械

能，傳送到風輪軸。塔架：搭載風力發電設備，通常的，高度越高，風力發電機所受風速

越大，葉片可以造得更大，輸出功率也越大。導流罩：迎風狀態時，風會沿著導流罩均勻

分流，使每個葉片都接受相同的風力。風輪軸和齒輪增速箱：將葉片的機械能傳送給齒輪

增速箱，再通過齒輪增速箱加速后帶動發電機發電。風向標和風速儀：目前風力發電機組

最高只能承受 25 米/秒風速，因此需要時刻檢測風速和風向。當風速超過最大設計時可

立刻采取措施，保證整個設備的安全。風力發電機組有雙饋型、永磁型等。風力發電也分

為離網型風力發電系統和并網型風力發電系統。

2.2 風速、貝茲理論、葉尖速比以及機械轉矩

風速是指空氣的移動速度。衡量風能是否能用于發電的指標通常是年平均風速。相較

于勵磁同步發電機，永磁同步發電機有著以下優點：(1)、結構簡單、可靠性高。勵磁發

電機需要外加一個勵磁繞組。當勵磁繞組因電流過大導致發熱時間過長時，可能會燒壞。

永磁發電機采用永磁體提供磁場，不會引起發熱等問題，使用壽命長，結構也較勵磁繞組

簡單，造價低廉。(2)、體積小、重量輕。永磁體體積比勵磁繞組小，相應的發電機體積

也可以造得小，重量也得到減輕。(3)、效率高。勵磁發電機需要勵磁電源，以及碳刷、

滑環，運行時增加了機械摩擦損耗。永磁發電機無需電勵磁，理論上只有少量機械損耗，

效率高。一般的，發電機轉速在 25r/s~100r/s 時，勵磁發電機效率只有 50%左右，而永

磁發電機可達 80%。(4)、運行方便，成本低。風力發電機組一般都離地 20 米甚至更高，

檢修困難，采用勵磁發電機裝置勵磁電源困難，且檢修間隔時間短。永磁同步發電機檢修

間隔時間長，無需增加勵磁設備。由于有著以上優點，本文以永磁同步發電機作為風力發

電系統主機。永磁同步發電機的轉子的磁鏈由永磁體磁場強度決定。將定子電壓在q0d 同

步旋轉坐標系下進行分解，其中，同步旋轉坐標系的 d 軸是轉子磁鏈的方向。

第 3 章 微電網及風力發電機并網最佳條件 ........16

3.1 微電網 ......... 16

3.2 風力發電機并網最佳條件 ..... 17