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1、风力发电系统的基本原理风力发电的基本原理f叶片图1-1风力发电原理图风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖 动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再 通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的 风车技术，大约3m/s的微风速 度便可以开始发电。风力发电 的原理说起来非常简单，最简凤向 单的风力发电机可由叶片和 发电机两部分构成如图1-1所 示。空气流动的动能作用在叶 轮上，将动能转换成机械能， 从而推动片叶旋转，如果将叶 轮的转轴与发电机的转轴相连就会带动发电机发出电来。风力发电的特点（1）可再生的洁净能源风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资
2、源也不污 染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。（2）建设周期短一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。（3）装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装 一台投产一台。（4）可靠性高把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提 高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%， 高于火力发电且机组寿命可达 20 年。（5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价 都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中 大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电 高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的 将来
3、风力发电的造价和电价都将低于火力发电。（6）运行维护简单现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人 职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力 发电的大修问题。（7）实际占地面积小发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂 1%的土地，其余 场地仍可供农、牧、渔使用。（8）发电方式多样化 风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太 阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此 对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。（9）单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大， 与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定 的，有时
4、无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决 的实际问题。风力机发电机组分类水平轴风力机水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：定桨距失速型风力发电机组变桨距失速型风力发电机组变速恒频型风力发电机组1）定桨距失速型风力发电机组 定桨距失速型风力发电机组通过风轮叶片失速来控制风力发电 机组在大风时的功率输出，通过叶尖扰流器来实现极端情况下的 安全停机问题。2）变桨距失速型风力发电机组变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在低于额定风速 时通过改变桨距角，使其功率输出增加，或保持一定的桨距角运 行；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出，稳定在额定功率。3）变速恒频型风力发电机
5、组变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时 发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它 通过改变风轮转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比 下运行，输出最大的功率；在高于额定风速时通过改变叶片桨距 角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。风资源及风轮机概述1.2.1 风资源概述（1）风的起源 风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气，空 气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而 形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流， 太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的 公转轴之间存在 665的夹角，因此对地球上不同地
6、点太阳照射 角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地 球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正 比。（2）风的参数 风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方 向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度 即单位时间内空气流动所经过的距离。风速是指某一高度连续 10min 所测得各瞬时风速的平均值。 一般以草地上空 10m 高处的 10min 内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它 可以得知当地的主导风向。（3）风能的基本情况1 风能的特点风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、 可再生、须在有
7、风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外 不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 风能资源的估算风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流 在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为二 0.5 pV 3(1-1)式中o为风能(w)；p为空气密度(kg/m)；v为风速(m/s)。由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测 来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平 均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密 度，这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风 速V的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得二 0.5 pV 3
8、 P (V) dV(1-2)1.2.2风轮机的理论风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热 能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮 机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种 类型的风轮机。1.3风力发电机的结构与组成1.3.1风力发电机的分类风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分 为：小型(10kw以下)、中型(10100kw)和大型(100kw以 上)风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风 力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世 界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架 设到离地面较高
9、的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特 性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发 电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家 很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时 还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的 风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。1.3.2水平轴风力发电机的结构大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、 调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件(机舱机座回转体制动器等)组成的。(1) 机舱机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。(2) 风轮叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮
10、毂、主轴等。 风轮是风力发电机接受风能的部件。叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个 转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大 部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料(GRP )制造。叶片可分为变 浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力 发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风 力发电机的输出功率不会超过允许值。轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊 接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承 受的最大离心力载荷来设计。主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承 受的扭矩较大，其转速一般小于50r/m
11、in, 般由40Cr或其他高 强度合金钢制成。（3）增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风 轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采 用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较 高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。（4）联轴器 增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。（5）制动器 制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。（6）发电机 发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。 大型风电机（100-150 千瓦）通常产生 69
12、0 伏特的三相交流电。 然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至 1-3 万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电 机有以下几种： 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经 发明了交流电压 440/240V 的高效永磁交流发电机，可以做成多 对极低转速的，特别适合风力发电机。 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步 旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。（7）塔架塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆 锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转 子。（8）调速装置 风速是变
13、化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了 使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只 在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有 以下几种： 可变浆距的调速装置； 定浆距叶尖失速控制的调速装置； 离心飞球调速装置； 空气动力调速装置； 扭头、仰头调速装置。（9）调向（偏航）装置 调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装 置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控 制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改 变其方向时，风电机一次只会偏转几度。（10）风力发电机微机控制系统11 风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、
14、风速 计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器 温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频 率等传感器的信号经 A/D 转换，输送给单片机再按设计程序给 出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自 动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停 机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输 出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行 自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信， 出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出 程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守 的自动控制。（11）电缆扭缆计数器电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当 风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导 致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计 数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备 有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机， 然后解缆
