1、風力發電機介紹目錄1. 風力發電發展的推動力 2.風力發電的相關參數2.1.風的參數2.2.風力機的相關參數（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4.2.傳動裝置4.3.迎風機構4.4.發電機4.5.塔架4.6.避雷系統4.7.控制部分5.風力發電機的變電并網系統5.1.（恒速）同步發電機變電并網技術5.2.（恒速）異步發電機變電并網技術5.3.交直交并網技術5.4.風力發電機的變電站的布置6.風力發電場7.風力機發展方向1. 風力發電發展的推動力： 1) 新技術、新材料的發展和運用；2) 大型風力機制造技術及風力

2、機運行經驗的積累；3) 火電發電成本（煤的價格）上漲及環保要求的提高（一套脫硫裝置價格相當一臺鍋爐價格）。2. 風力發電的相關參數：2.1.風的參數：2.1.1. 風速： 在近300m的高度內，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的指數，平坦地區平均值為0.190.20。2.1.2.風速頻率曲線：在一年或一個月的周期中，出現相同風速的小時數占這段時間總小時數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，出現相同風向的小

3、時數占這段時間總小時數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. 風力機的相關參數（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；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Betz的理論，理想風輪最大風能的利用系數Cpmax=16/27=0.593，是風輪轉化為有用功的能 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：葉輪的轉角速度； R：葉輪的半徑； V：風速；圖3：Cp和 的關系特性曲線-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，此現象稱為葉片失速。3. 風力機的種類：風力機是將風能轉化為其它能的機械；其結構多種多樣，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多選用三葉片結構，兆瓦級風力機由于造價因素多選用二葉片結構。下文就水平軸風力機的風輪機構、傳動裝置、發電機、塔架、避雷系統作具體的介紹：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構示意圖4.1. 風輪機構：4.1.1. 葉片：是風力機主要構成部分，當今95%以上的葉片都采用玻璃鋼復合材料，質量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片的技術含量高，屬風力機的關鍵部件，大型風力機的葉片往往由專業廠家制造。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:在風力機功率調節中，牽涉到變漿距、定漿距的概念。變漿距、定漿距調節方式的比較見表1。表1: 各種功率調節方式比較4.1.3.1. 變漿距風輪： 變漿距調節機構：能自動改變葉片的安裝角，以適應風力機各工況下的功率、轉速的調整。可為電液伺服或電子機械結構。 快速應急順漿機構：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）結構。4.1.3.2. 定漿距風輪：葉片的安裝角固定，結構簡單，在額定風速以內，葉片的升力系數和風能利用系數較高，當風速超過額定值時，葉片進入

7、失速狀態（見前面所述(圖五)），致使葉片升力不再增加，葉片結構復雜、成本高。葉尖氣動剎車機構：在風力機緊急停機時，可通過葉輪上的液壓機構將葉尖剎車機構轉到橫切風的位置。4.2. 傳動裝置：風輪轉速約為3050 r/min，發電機轉速約為10001500 r/min，需傳動裝置，要求效率高、質量輕、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，在緊急停車或檢修時用。4.3. 迎風機構：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，上風式風力機應有電動迎風機構，迎風機構應有電纜纏繞解繞功能。4.4. 發電機：4.4.1. （恒速）同步發電機：（恒速）同步發電機的優

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

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

10、制的變速運行風力發電機KVS-33：額定功率：350KW，最大輸出功率：450KW，風速范圍：4.529.1 m/s。在兆瓦級風力發電機中應用變流技術（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，變流技術在高壓直流輸電系統中得到廣泛應用。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 優點：變速運行風力發電機可在不同的風速下通過調節葉輪轉速w維持最佳的葉尖速度比（l=wR/V），以保持風能利用系數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電機的載荷沖擊，使風力機運行更可靠、平穩。4.5. 塔架：作用：支撐風力機回轉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。按發電機和塔架的關系分：一塔一機，一塔二機。 如圖10:一塔二機示意圖一塔二機優點(如圖10所示)：1) 由于沒有塔影效應（指由塔架造成的氣流

12、渦流區對風力機產生的影響），塔架可采用鋼筋水泥結構，降低造價。2) 兩臺發電機可共享設備（如：液壓、控制器、變送電設備、迎風機構、避雷設備）。3) 可使機組安裝過程簡化。4.6. 避雷系統：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、機艙都應采取不同的避雷器件和防雷技術，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控制見第三部分。)5. 風力發電機的變電并網系統：5.1. （恒速）同步發電機變電并網技術：由于風速的不確定性，風力機的可調速性能很難達到同步發電機要求的精度，同步

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

14、1. 直接并網：發電機轉速接近同步速時直接并網。缺點：并網瞬間存在三相短路現象，異步發電機將受到45倍額定電流的沖擊，系統電壓會瞬時下降。5.2.2. 降壓并網方式：在發電機與系統之間串接電抗器、電阻以減少合閘瞬間沖擊電流與電網電壓的下降的幅度，并網穩定后，再將電抗器、電阻退出。5.2.3. “軟并網”方式：在發電機與系統之間串雙向可控硅，并網時通過調節可控硅的導通角使電機平穩并網。可限制電機在聯網和大、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框圖。圖11：軟切入裝置的系統框圖5.2.4. 準同期并網方式：發電機轉速接近同步速時,先用電容激磁，建立額定電壓，

15、然后對已激磁建壓的發電機的電壓和頻率進行調整。使其與電網系統一致再并網。缺點：需高精度的調速器和整步、同期設備。5.3. 交直交并網聯接方式：該方法首先將發電機發出的交流電變成直流電，再經逆變器變換成與電力系統頻率同步的交流電。(參見前節變速運行風力發電機所述)根據整流器輸出直流電壓的高低，可分兩種并網方式：1) 對整流器輸出直流電壓低的情況，一臺發電機用一臺逆變器，再升壓并網，如圖12所示；2)對整流器輸出直流電壓高的情況，所有發電機共用一臺逆變器，再升壓并網，如圖13所示。 圖12:一臺發電機用一臺逆變器圖13:所有發電機共用一臺逆變器 5.4. 風力發電機的變電站的布置： 風力發電機單機容量小，出口電壓低(異步發電機的出口電壓為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。1) 一個風力發電機與一個升壓器相聯，再通過升壓器與電網相聯。2) 所有風力發電機與一個升壓器相聯，再通過升壓器與電網相聯。3) 根據具體情況，將風力發電場劃分為幾個發電單元，每個發電單元包括幾臺距離相近的風力發電