1、風力發(fā)電機介紹目錄1. 風力發(fā)電發(fā)展的推動力 2.風力發(fā)電的相關(guān)參數(shù)2.1.風的參數(shù)2.2.風力機的相關(guān)參數(shù)（以水平軸風力機為例）3.風力機的種類3.1.水平軸風力機3.2.垂直軸風力機4.水平軸風力機詳細介紹4.1.風輪機構(gòu)4.2.傳動裝置4.3.迎風機構(gòu)4.4.發(fā)電機4.5.塔架4.6.避雷系統(tǒng)4.7.控制部分5.風力發(fā)電機的變電并網(wǎng)系統(tǒng)5.1.（恒速）同步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù)5.2.（恒速）異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù)5.3.交直交并網(wǎng)技術(shù)5.4.風力發(fā)電機的變電站的布置6.風力發(fā)電場7.風力機發(fā)展方向1. 風力發(fā)電發(fā)展的推動力： 1) 新技術(shù)、新材料的發(fā)展和運用；2) 大型風力機制造技術(shù)及風力

2、機運行經(jīng)驗的積累；3) 火電發(fā)電成本（煤的價格）上漲及環(huán)保要求的提高（一套脫硫裝置價格相當一臺鍋爐價格）。2. 風力發(fā)電的相關(guān)參數(shù)：2.1.風的參數(shù)：2.1.1. 風速： 在近300m的高度內(nèi)，風速隨高度的增加而增加，公式為：V：欲求的離地高度H處的風速；V0：離地高度為H0處的風速（H0=10m為氣象臺預報風速的高度）；n：與地面粗糙度等因素有關(guān)的指數(shù)，平坦地區(qū)平均值為0.190.20。2.1.2.風速頻率曲線：在一年或一個月的周期中，出現(xiàn)相同風速的小時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風速頻率。圖1：風速頻率曲線2.1.3. 風向玫瑰圖(風向頻率曲線)：在一年或一個月的周期中，出現(xiàn)相同風向的小

3、時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風向頻率。以極座標形式表示的風向頻率圖叫風向玫瑰圖。圖2：風向玫瑰圖2.2. 風力機的相關(guān)參數(shù)（以水平軸風力機為例）：2.2.1. 風力機的軸功率Pw：r：空氣密度（Kg/m3）； V：風速（m/s）；A：風輪葉片掃掠面積（m2）；Cp：風能利用系數(shù)；是風輪所接收的能量與通過風輪掃掠面積的全部風的動能的比值，根據(jù)Betz的理論，理想風輪最大風能的利用系數(shù)Cpmax=16/27=0.593，是風輪轉(zhuǎn)化為有用功的能 量上限。2.2.2. 葉尖速度比：為葉尖的速度與風速的比值：=wR/Vw：葉輪的轉(zhuǎn)角速度； R：葉輪的半徑； V：風速；圖3：Cp和 的關(guān)系特性曲線-低

4、速風輪 -高速風輪2.2.3. 葉片幾何攻角a和升力系數(shù)CY葉片幾何攻角a：為翼型上合成氣流的方向與翼型幾何弦的夾角；升力系數(shù)CY：為升力與最大升力的比值；圖4: 葉片幾何攻角a圖5: CY和 a 的關(guān)系特性曲線A-有彎度翼型 B-對稱翼型葉片的失速：由上圖可看出，葉片處于某幾何攻角時升力最大，超過這個角度時升力急劇降低，此現(xiàn)象稱為葉片失速。3. 風力機的種類：風力機是將風能轉(zhuǎn)化為其它能的機械；其結(jié)構(gòu)多種多樣，圖6示意了各種類型風力機的示意圖。3.1. 水平軸風力機：風輪軸線安裝位置與水平夾角不大于150的風力機叫做水平軸風力機。3.2. 垂直軸風力機：風輪軸線安裝位置與水平面垂直的風力機叫做

5、垂直軸風力機。4. 水平軸風力機詳細介紹：水平軸風力機是當今普遍應(yīng)用、推廣的機型，是風能利用的主要形式。中小型風力機為運行平穩(wěn)多選用三葉片結(jié)構(gòu)，兆瓦級風力機由于造價因素多選用二葉片結(jié)構(gòu)。下文就水平軸風力機的風輪機構(gòu)、傳動裝置、發(fā)電機、塔架、避雷系統(tǒng)作具體的介紹：圖6：各種類型風力機的示意圖圖7:水平軸風力機的機艙結(jié)構(gòu)示意圖4.1. 風輪機構(gòu)：4.1.1. 葉片：是風力機主要構(gòu)成部分，當今95%以上的葉片都采用玻璃鋼復合材料，質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片的技術(shù)含量高，屬風力機的關(guān)鍵部件，大型風力機的葉片往往由專業(yè)廠家制造。4.1.2. 輪轂：輪轂的作用是連接葉片和低速軸，要求能承受大的、復雜的載

6、荷，中小型風力機采用剛性連接，兆瓦級風力機采用蹺蹺板連接方式。4.1.3. 變漿距、定漿距的概念:在風力機功率調(diào)節(jié)中，牽涉到變漿距、定漿距的概念。變漿距、定漿距調(diào)節(jié)方式的比較見表1。表1: 各種功率調(diào)節(jié)方式比較4.1.3.1. 變漿距風輪： 變漿距調(diào)節(jié)機構(gòu)：能自動改變?nèi)~片的安裝角，以適應(yīng)風力機各工況下的功率、轉(zhuǎn)速的調(diào)整。可為電液伺服或電子機械結(jié)構(gòu)。 快速應(yīng)急順漿機構(gòu)：能使葉片的安裝角(圖四)快速趨近為0，可作為緊急停機的方法。可為氣動、液壓或機械（彈簧）結(jié)構(gòu)。4.1.3.2. 定漿距風輪：葉片的安裝角固定，結(jié)構(gòu)簡單，在額定風速以內(nèi)，葉片的升力系數(shù)和風能利用系數(shù)較高，當風速超過額定值時，葉片進入

7、失速狀態(tài)（見前面所述(圖五)），致使葉片升力不再增加，葉片結(jié)構(gòu)復雜、成本高。葉尖氣動剎車機構(gòu)：在風力機緊急停機時，可通過葉輪上的液壓機構(gòu)將葉尖剎車機構(gòu)轉(zhuǎn)到橫切風的位置。4.2. 傳動裝置：風輪轉(zhuǎn)速約為3050 r/min，發(fā)電機轉(zhuǎn)速約為10001500 r/min，需傳動裝置，要求效率高、質(zhì)量輕、體積小和傳動比范圍大。傳動裝置有氣（液）動和機械制動機構(gòu)，在緊急停車或檢修時用。4.3. 迎風機構(gòu)：它是使風輪保持最佳的迎風位置的裝置，下風式風力機具有自動對風的能力，上風式風力機應(yīng)有電動迎風機構(gòu)，迎風機構(gòu)應(yīng)有電纜纏繞解繞功能。4.4. 發(fā)電機：4.4.1. （恒速）同步發(fā)電機：（恒速）同步發(fā)電機的優(yōu)

8、點是其勵磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機的電壓和無功功率，發(fā)電機效率高。同步電機要通過同步設(shè)備的整步操作達到準同步并網(wǎng)（并網(wǎng)困難），由于風速變化大，以及同步發(fā)電機要求轉(zhuǎn)速恒定（50Hz0.2），風力機必需裝有良好的變漿距調(diào)節(jié)機構(gòu)。4.4.2. （恒速）異步發(fā)電機：異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、造價低，異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時，由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負荷，因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高，不需要同步設(shè)備的整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。缺點是并網(wǎng)時沖擊電流幅值大，不能產(chǎn)生無功功率。雙繞組可變極（4/6極）異步發(fā)電機能在兩種不同的額定轉(zhuǎn)速下運行，可解決低風速時發(fā)電機的效率問題。4.4.

9、3. 變速運行風力發(fā)電機： 變速運行風力發(fā)電機：可采用類同于（恒速）異步/同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，通過對它們在結(jié)構(gòu)及控制方法的改進來提高變速風力發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率。 變流裝置：新型全功率因數(shù)變流裝置具有變頻并網(wǎng)功能，在微處理器的支持下可控制發(fā)電機的輸出功率因數(shù)（從而具有了無功補償能力），此外，新型全功率因數(shù)變流裝置還具有諧波抑制功能，可向共用電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能。圖8示意了全功率因數(shù)變流器主電路結(jié)構(gòu)框圖，圖9示意了全功率因數(shù)變流器主電路原理示意圖。圖8:全功率因數(shù)變流器主電路結(jié)構(gòu)框圖圖9:全功率因數(shù)變流器主電路原理示意圖美國風力發(fā)電機制造商U.S Kenetech/WindPower 1993年研

10、制的變速運行風力發(fā)電機KVS-33：額定功率：350KW，最大輸出功率：450KW，風速范圍：4.529.1 m/s。在兆瓦級風力發(fā)電機中應(yīng)用變流技術(shù)（交直交）有：國名機型安裝地點額定功率（kW）建成年份美國Mod-5B/Kahuku Pt32001987瑞典Nordic 1000 10001995荷蘭NEWECS-45/Medemblik10001985加拿大EOLE/Cap Chat40001987意大利GAMMA 60/Alt Nurra15001992另外，變流技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。工程名稱國家功率（MW）電壓線路長度(KM)換流閥型式投運年份舟山群島中國5010056

11、晶閘管1987葛州壩-上海中國12005001080晶閘管1989因特芒廷美國1600500784晶閘管1986 優(yōu)點：變速運行風力發(fā)電機可在不同的風速下通過調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速w維持最佳的葉尖速度比（l=wR/V），以保持風能利用系數(shù)Cp最大(參見圖三)，從而能捕捉更多的風能。消除了在風速變化時對恒速運行風力發(fā)電機的載荷沖擊，使風力機運行更可靠、平穩(wěn)。4.5. 塔架：作用：支撐風力機回轉(zhuǎn)部分并使風輪在一定高度受風，按塔架的材料分：角鋼或鋼管桁架塔和圓錐鋼管塔。按發(fā)電機和塔架的關(guān)系分：一塔一機，一塔二機。 如圖10:一塔二機示意圖一塔二機優(yōu)點(如圖10所示)：1) 由于沒有塔影效應(yīng)（指由塔架造成的氣流

12、渦流區(qū)對風力機產(chǎn)生的影響），塔架可采用鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，降低造價。2) 兩臺發(fā)電機可共享設(shè)備（如：液壓、控制器、變送電設(shè)備、迎風機構(gòu)、避雷設(shè)備）。3) 可使機組安裝過程簡化。4.6. 避雷系統(tǒng)：1994年丹麥超過6%的風力機遭雷擊，LM公司估計每年有1%2%的風葉遭雷擊，所以并網(wǎng)運行的大型風力機的防雷是非常重要的。對葉片、塔架、機艙都應(yīng)采取不同的避雷器件和防雷技術(shù)，以增加風力機的避雷能力。4.7. 控制部分：(風力機單機控制及風力場系統(tǒng)控制見第三部分。)5. 風力發(fā)電機的變電并網(wǎng)系統(tǒng)：5.1. （恒速）同步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù)：由于風速的不確定性，風力機的可調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機要求的精度，同步

13、發(fā)電機的并網(wǎng)困難，常采用下面幾種方法：5.1.1. 常規(guī)自動準同步并網(wǎng)方式：準同步并網(wǎng)方式就是對已勵磁的發(fā)電機的電壓和頻率進行調(diào)節(jié)，使其與系統(tǒng)同步，然后并網(wǎng)。由于風速的不確定性，通過此方法并網(wǎng)很困難。5.1.2. 自同步并網(wǎng)方式：發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高接近同步速（80%90%額定轉(zhuǎn)速）時，將未加勵磁的同步發(fā)電機投入電力系統(tǒng)，延時13秒后再加勵磁，發(fā)電機會自行拉入同步運行。5.2. （恒速）異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù)：異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時，由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負荷，因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高，不需要同步設(shè)備的整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。常采用下面幾種方法：5.2.

14、1. 直接并網(wǎng)：發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速時直接并網(wǎng)。缺點：并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，異步發(fā)電機將受到45倍額定電流的沖擊，系統(tǒng)電壓會瞬時下降。5.2.2. 降壓并網(wǎng)方式：在發(fā)電機與系統(tǒng)之間串接電抗器、電阻以減少合閘瞬間沖擊電流與電網(wǎng)電壓的下降的幅度，并網(wǎng)穩(wěn)定后，再將電抗器、電阻退出。5.2.3. “軟并網(wǎng)”方式：在發(fā)電機與系統(tǒng)之間串雙向可控硅，并網(wǎng)時通過調(diào)節(jié)可控硅的導通角使電機平穩(wěn)并網(wǎng)。可限制電機在聯(lián)網(wǎng)和大、小電機切換(異步電機變極運行)時的瞬變沖擊電流。圖11示意了軟切入裝置的系統(tǒng)框圖。圖11：軟切入裝置的系統(tǒng)框圖5.2.4. 準同期并網(wǎng)方式：發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速時,先用電容激磁，建立額定電壓，

15、然后對已激磁建壓的發(fā)電機的電壓和頻率進行調(diào)整。使其與電網(wǎng)系統(tǒng)一致再并網(wǎng)。缺點：需高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備。5.3. 交直交并網(wǎng)聯(lián)接方式：該方法首先將發(fā)電機發(fā)出的交流電變成直流電，再經(jīng)逆變器變換成與電力系統(tǒng)頻率同步的交流電。(參見前節(jié)變速運行風力發(fā)電機所述)根據(jù)整流器輸出直流電壓的高低，可分兩種并網(wǎng)方式：1) 對整流器輸出直流電壓低的情況，一臺發(fā)電機用一臺逆變器，再升壓并網(wǎng)，如圖12所示；2)對整流器輸出直流電壓高的情況，所有發(fā)電機共用一臺逆變器，再升壓并網(wǎng)，如圖13所示。 圖12:一臺發(fā)電機用一臺逆變器圖13:所有發(fā)電機共用一臺逆變器 5.4. 風力發(fā)電機的變電站的布置： 風力發(fā)電機單機容量小，出口電壓低(異步發(fā)電機的出口電壓為400690V)，為降低電力在傳輸過程中的損耗，需要用升壓器對電壓升壓，然后在傳輸并網(wǎng)。1) 一個風力發(fā)電機與一個升壓器相聯(lián)，再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。2) 所有風力發(fā)電機與一個升壓器相聯(lián)，再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。3) 根據(jù)具體情況，將風力發(fā)電場劃分為幾個發(fā)電單元，每個發(fā)電單元包括幾臺距離相近的風力發(fā)電