風(fēng)力發(fā)電原理及生產(chǎn)過程

1、風(fēng) 能發(fā)電的主要形式有三種： 一是獨立運行；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式 （如柴油機發(fā)電） 相結(jié)合；三是風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電。由于并網(wǎng)發(fā)電的單機容量大、發(fā)展?jié)摿Υ?，故本文所指的風(fēng)電，未經(jīng)特別說明，均指并網(wǎng)發(fā)電。1、小型獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)小型獨立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨立使用，單臺裝機容量約為100瓦-5千瓦，通常不超過10千瓦。它的構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機+充電器+數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機 由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來接受風(fēng)力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終 對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功 能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。因

2、風(fēng)量不穩(wěn)定，故小型風(fēng)力發(fā)電機輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電， 使風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生 的電能變成化學(xué)能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。2、并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)德國、丹麥、西班牙等國家的企業(yè)開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計算機模擬系統(tǒng)， 發(fā)展變槳距控制及失速控制的風(fēng)力機設(shè)計理論，采用新型風(fēng)力機葉片材料及葉片翼型，研制出變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機，開發(fā)了由微機控制的單臺及多臺風(fēng)力發(fā)電機組成的機群的自動控制技術(shù)，從而大大提高了風(fēng)力發(fā)電的效率及可靠性。在此基礎(chǔ)上，風(fēng)力發(fā)電機單機裝機容量可以達到600千瓦以上

3、。不少國家建立了眾多的中型及大型風(fēng)力發(fā)電場，并實現(xiàn)了與大電網(wǎng)的對接?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機多為水平軸式。 一部典型的現(xiàn)代水平軸式風(fēng)力發(fā)電機包括葉片、輪轂（與葉片合稱葉輪）、機艙罩、齒輪箱、發(fā)電機、塔架、基座、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、 液壓裝置等。其工作原理是：當(dāng)風(fēng)流過葉片時，由于空氣動力的效應(yīng)帶動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪透 過主軸連結(jié)齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱（或增速機）加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。 目前也有廠商推出無齒 輪箱式機組，可降低震動、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對較高。風(fēng)力發(fā)電機并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為59%實際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風(fēng)能效率約介于30-50%之間，經(jīng)過機電設(shè)

4、備轉(zhuǎn)換成電能后的總輸出效率約為20-45%。一般市場上風(fēng)力發(fā)電機的啟動風(fēng)速約為2.5-4米/秒，于風(fēng)速12-15米/秒時達到額定的輸出容量。當(dāng)風(fēng)速更高時，風(fēng)力發(fā)電機的控制機構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定 容量左右，為避免過高的風(fēng)速損壞發(fā)電機，大多于風(fēng)速達 20-25米/秒范圍內(nèi)停機。一般采 用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動性能及葉輪的輸出。依據(jù)目前的技術(shù)，3米/秒左右的風(fēng)速（微風(fēng)的程度）便可以進行發(fā)電。但在進行風(fēng)場評估時，通常要求離地 10米高 的年平均風(fēng)速達到 5-5.5米/秒以上。1 / 29風(fēng)機葉片從風(fēng)的流動獲得的能量與風(fēng)速的三次方成正比。風(fēng)速之外，葉輪直徑?jīng)Q定了可擷取風(fēng)能的多寡，約與葉

5、輪直徑平方成正比。葉片的數(shù)量也會影響到風(fēng)機的輸出。一般來說，2葉、3葉風(fēng)機效率較高，力矩較低，適用于發(fā)電。此外?，F(xiàn)代風(fēng)機的葉片多采用機翼的翼 型。近年來，風(fēng)電機組技術(shù)改進的主要方向是降低制造成本、提高單機容量、提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、自動控制等。主流風(fēng)電機組的單機容量為 600-2000千瓦，容量越大，發(fā)電效率越高， 技術(shù)難度越大。目前，國內(nèi)單機容量 750-2000千瓦的機組最受歡迎。國外正在開發(fā)、應(yīng)用 的機組單機容量是 3000-5000千瓦。2003年，德國Enercon公司安裝了第一臺 4500千瓦的 風(fēng)電機組樣機。目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機，它由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機

6、、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。 風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，它由氣動性能 優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機組一般為2-3個葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪通過傳動系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機。 上述這些部件都安裝在機艙平面上，整個機艙由高大的搭架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，必須要有迎風(fēng)裝置， 它根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機艙始終對風(fēng)。風(fēng)電機組的功率調(diào)節(jié)有兩種方式，一種是失速調(diào)節(jié)，另一種是變槳距調(diào)節(jié)一即葉片可以繞葉片上的軸轉(zhuǎn)動，改變?nèi)~片氣動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；整臺機組由電控系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制，

7、可以實現(xiàn)無人操作管理。風(fēng)力發(fā)電機主要包括水平軸式風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機等。其中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機是目前技術(shù)最成熟、生產(chǎn)量最多的一種形式。它由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝 置、控制系統(tǒng)、塔架等部件所組成。 風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，低速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪通過傳動系 統(tǒng)由增速齒輪箱增速， 將動力傳遞給發(fā)電機。 整個機艙由高大的塔架舉起，由于風(fēng)向經(jīng)常變化，為了有效地利用風(fēng)能，還安裝有迎風(fēng)裝置，它根據(jù)風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號，由控制 器控制偏航電機，驅(qū)動與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動，使機艙始終對風(fēng)。風(fēng)力發(fā)電場（簡稱風(fēng)電場），是將多臺大型并網(wǎng)式的風(fēng)力發(fā)電機安裝在風(fēng)能資源好的場地， 按照地形和主風(fēng)向

8、排成陣列，組成機群向電網(wǎng)供電。 風(fēng)力發(fā)電機就像種莊稼一樣排列在地面上，故形象地稱為 鳳力田風(fēng)力發(fā)電場于20世紀(jì)80年代初在美國的加利福尼亞州興起， 目前世界上最大的風(fēng)電場是洛杉磯附近的特哈查比風(fēng)電場，裝機容量超過50萬千瓦，年發(fā)電量為14億千瓦 時，約占世界風(fēng)力發(fā)電總量的23%。風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)越性可歸納為三點：第一，建造風(fēng)力發(fā)電場的費用低廉，比水力發(fā)電廠、 火力發(fā)電廠或核電站的建造費用低得多；第二，不需火力發(fā)電所需的煤、 油等燃料或核電站所需的核材料即可產(chǎn)生電力，除常規(guī)保養(yǎng)外，沒有其他任何消耗； 第三，風(fēng)力是一種潔凈的自然能源，沒有煤電、油電與核電所伴生的環(huán)境污染問題。制造風(fēng)能機械，利用風(fēng)力發(fā)電

9、是風(fēng)能利用的兩項主要內(nèi)容。風(fēng)力發(fā)動機是一種把風(fēng)能變2 / 29成機械能的能量轉(zhuǎn)化裝置。風(fēng)力發(fā)動機由5部分組成：screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;(1)風(fēng)輪。風(fēng)輪由二個或多個葉片組成，安裝在機頭上，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能 的主要部件。(2)機頭。機頭是支承風(fēng)輪軸和上部構(gòu)件(如發(fā)電機和齒輪變速器等)的支座， 它能繞塔架中的豎直軸自由轉(zhuǎn)動。(3)機尾。機尾裝于機頭之后，它的作用是保證在風(fēng)向變化時，使風(fēng)輪正對風(fēng)向。(4)回轉(zhuǎn)體。回轉(zhuǎn)體位于機頭底盤和塔架之間，在機尾力矩的作用下轉(zhuǎn)動。(5)塔架。塔架是支撐風(fēng)力發(fā)動機本體的構(gòu)架，它把風(fēng)力發(fā)動

10、機架設(shè)在不受周圍 障礙物影響的高空中。根據(jù)風(fēng)輪葉片的數(shù)目，風(fēng)力發(fā)動機分為少葉式和多葉式兩種。少葉式有24個葉片，具有轉(zhuǎn)速高，單位功率的平均質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點；常用在年平均風(fēng)速較高的地區(qū)。是目前主要用作風(fēng)力發(fā)電機的原動機。其缺點是啟動較為困難。多葉式一般有4-24個葉片，常用于年平均風(fēng)速低于34米/秒的地區(qū)；具有易啟動的優(yōu)點，因此利用率較高。由于轉(zhuǎn)速低，多用于直接驅(qū)動農(nóng)牧業(yè)機械。風(fēng)力發(fā)動機的風(fēng)輪與紙風(fēng)車轉(zhuǎn)動原理一樣，但是，風(fēng)輪葉片具有比較合理的形狀。 為了減小阻力，其斷面呈流線型。前緣有很好的圓角，尾部有相當(dāng)尖銳的后緣，表面光 滑，風(fēng)吹來時能產(chǎn)生向上的合力，驅(qū)動風(fēng)輪很快地轉(zhuǎn)動。對于功率較大的

11、風(fēng)力發(fā)動機， 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是很低的，而與之聯(lián)合工作的機械，轉(zhuǎn)速要求較高，因此必須設(shè)置變速箱， 把風(fēng)輪轉(zhuǎn)速提高到工作機械的工作轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)動機只有當(dāng)風(fēng)垂直地吹向風(fēng)輪轉(zhuǎn)動面 時，才能發(fā)出最大功率來，由于風(fēng)向多變，因此還要有一種裝置，使之在風(fēng)向變化時， 保證風(fēng)輪跟著轉(zhuǎn)動，自動對淮風(fēng)向，這就是機尾的作用。風(fēng)力發(fā)動機是多種工作機械的 原動機。利用它帶動水泵和水車，就是風(fēng)力提水機；帶動碾米機，就是風(fēng)力碾米機；此 類機械統(tǒng)稱為風(fēng)能的直接利用裝置。帶動發(fā)電機的就叫風(fēng)力發(fā)電機。它們均由兩大部分 組成，一部分是風(fēng)力發(fā)動機本體和附件，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置；另一部分是電 氣部分，包括發(fā)電機及電氣裝置，把機械能轉(zhuǎn)化

12、為電能，并可靠地提供給用戶。小風(fēng)力 發(fā)電機的容量不大，功率一般從幾瓦到幾千瓦，大都具有結(jié)構(gòu)簡單，搬運方便的優(yōu)點。 按風(fēng)力發(fā)動機與發(fā)電機的連接方式分，有變速連接的和直接連接的兩種。在風(fēng)能的利用中，蓄能是一個重要的問題。特別是對于風(fēng)力發(fā)電，在很大程度上，3 / 29 其生命力由蓄能裝置（如蓄電池）的可靠程度來決定。有了蓄能裝置，在有風(fēng)的時候， 把多余的能量儲存起來；在無風(fēng)時，輸出應(yīng)用。各種蓄能方式的研究是風(fēng)能利用的一個 急待解決的重要任務(wù)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要分為風(fēng)能資源評估與預(yù)測，風(fēng)力發(fā)電裝備制造技術(shù)，風(fēng)電機組測試、近海風(fēng)電技術(shù)、風(fēng)電對公共電網(wǎng)的影響等幾個方面。1,能資源的評估與預(yù)測國外已經(jīng)對風(fēng)能資

13、源的測試與評估開發(fā)出許多的測試設(shè)備和評估軟件，在風(fēng)電場選址，特別是微觀選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化軟件。如丹麥RIS國家研究實驗室開發(fā)的用于風(fēng)電場微觀選址的資源分析工具軟件 WASP ；美國TureWind Solutions公司開發(fā)的 MesoMap和Sitewind 風(fēng)能資源評估系統(tǒng)等。在風(fēng)電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計上也開發(fā)出了成熟的軟件。國外還對風(fēng)力機和風(fēng)電場的短期及長期發(fā)電預(yù)測作了很多研究，精確度可達90%以上。2.風(fēng)力發(fā)電裝配制造技術(shù)1）單機容量繼續(xù)穩(wěn)步上升20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的舊式機組單機容量僅為20KW 60KW。單機容量增大后的直接好處是能以數(shù)目較少的風(fēng)電機組完成相同的發(fā)電量

14、，從而節(jié)省土地使用面積。目前單機容量最大的風(fēng)電機組是由德國Repower公司生產(chǎn)的，容量為 5MW ,葉輪直徑達130m ,安裝在120m 高的塔架上，預(yù)計 2010年將開發(fā)出10MW 的風(fēng)電機組。對容量在2MW 以上的機組歐洲主要考慮在海上安裝。2）風(fēng)輪輸出功率控制方式有失速調(diào)節(jié)和變槳距調(diào)節(jié)兩種失速控制是在轉(zhuǎn)速不變的條件下，風(fēng)速超過額定植后，葉片發(fā)生失速，將輸出功率限制在一定范圍內(nèi)。失速控制的優(yōu)點是葉片與輪轂之間沒有活動部件，不需要復(fù)雜的控制程序，在失 速過程中功率波動?。黄淙秉c是風(fēng)力發(fā)電機組的性能的限制，啟動風(fēng)速較高，在風(fēng)速超過額 定值時發(fā)電功率有所下降，同時需要葉間剎車裝置，機組動態(tài)負荷

15、較大。4 / 29變槳距調(diào)節(jié)是沿槳葉的縱軸旋轉(zhuǎn)葉片，控制風(fēng)輪的能量吸收，保持一定的輸出功率，變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點是機組啟動性能好，輸出功率穩(wěn)定，機組結(jié)構(gòu)受力小，停機方便安全；缺點是增 加了變槳距裝置，增加了故障幾率，控制程序比較復(fù)雜。兩種控制方式各有利弊，各自適應(yīng)不同的運行環(huán)境和運行要求。從目前市場情況看，采用變 槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)電極組較多。3）無齒輪箱系統(tǒng)的市場份額迅速擴大齒輪傳動不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪音，更是造成機械故障的主要原因，而且為減少機械磨損需要潤滑清洗等定期維護。采用無齒輪箱的直驅(qū)方式雖然提高了電機的設(shè)計成本，但卻有效的提高了系統(tǒng)的效率及運行可靠性。在德國2004年所安裝的風(fēng)電機

16、組中，就有40.9%采用了無齒輪箱系統(tǒng)。.風(fēng)電機組測試技術(shù)德國、丹麥、荷蘭、美國、希臘等國家對風(fēng)電機組的設(shè)計和測試技術(shù)都做過很多研究，制定 了國際標(biāo)準(zhǔn)，建立了認證體系，并都有自己的檢測機構(gòu)，其他國家的產(chǎn)品只有通過其檢測才 能進入。我國對風(fēng)電機組的測試技術(shù)做過一定研究，但不系統(tǒng)。.風(fēng)電與電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電能夠順利并入一個國或地區(qū)電網(wǎng)的電量，主要取決于電力系統(tǒng)對供電波動反應(yīng)的能力。變化不定的風(fēng)力給電網(wǎng)帶來的問題，遠比懷疑論者估計的低。很多涉及到現(xiàn)代歐洲電網(wǎng)系統(tǒng)的評估表明，電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)電容量占20%并不存在技術(shù)問題。但是，當(dāng)大規(guī)模的風(fēng)電并入電網(wǎng)后，風(fēng)電與電網(wǎng)間的相互影響及相互作用規(guī)律還是需要進一步研究。風(fēng)

17、電技術(shù)發(fā)展趨勢隨著風(fēng)電工業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電技術(shù)和風(fēng)電系統(tǒng)也在不斷的發(fā)展，以滿足其自身技術(shù)，應(yīng)對風(fēng)速變化、成本、環(huán)境以及穩(wěn)定運行等各方面的要求。其主要趨勢包括以下幾個方面：.主要發(fā)展水平軸風(fēng)力機5 / 29垂直軸的主要優(yōu)點是全風(fēng)向、變速裝置及發(fā)電機可以置于地面，但其主要缺點是軸距過長，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高。目前主流風(fēng)力機都采用水平軸設(shè)計，其優(yōu)點是風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，傳動軸距短。對大型風(fēng)電機組來說經(jīng)濟性更好。其缺點是需要根據(jù)風(fēng)向調(diào)節(jié)機艙的位置，需要有對風(fēng)裝置。同時由于變速裝置及發(fā)電機布置在塔架頂端，增加了塔架的投資和安裝維護的難度。.從風(fēng)輪到發(fā)電機的新型驅(qū)動方式目前從風(fēng)輪到發(fā)電機的新型驅(qū)動方式主要有三種：

18、一種是通過齒輪箱多級變速驅(qū)動雙饋異步電機，簡稱雙饋式，這是目前市場上的主流產(chǎn)品。第二種是風(fēng)輪直接驅(qū)動多級同步發(fā)電機，簡稱為直驅(qū)式。直驅(qū)式風(fēng)機具有節(jié)約投資，減少傳動鏈損失和停機時間，以及維護費用低，可靠性好等優(yōu)點，在市場上正占有越來越大的份額。但直驅(qū)發(fā)電機體積大而笨重。第三種是單級增速裝置加多級發(fā)電機技術(shù)，簡稱為混合式?；旌鲜絾渭壴鏊傺b置以提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速，但速度低于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機所需要的轉(zhuǎn)速，同時配以類似于直驅(qū)發(fā)電機的多級電機。該裝置介于 純變速裝置驅(qū)動和直驅(qū)之間，旨在融合兩者的優(yōu)點而避免其缺點。.變槳距調(diào)節(jié)方式迅速取代失速調(diào)節(jié)從目前市場情況來看變槳距調(diào)節(jié)方式能充分克服失速調(diào)節(jié)的缺陷，得到了迅速的應(yīng)

19、用。這點在前面已有了較詳細的論述。除此之外，改善聲學(xué)特性，改善空氣動力學(xué)特性，改善軸傳動效率，滿足高風(fēng)速或低風(fēng)速地 區(qū)以及復(fù)雜地形的運行要求等也是風(fēng)電機組設(shè)計的發(fā)展趨勢。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)如圖 2,首先通過槳葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機轉(zhuǎn)動的機械能，由于風(fēng)機的轉(zhuǎn)速大多比較低，需要用齒輪箱將風(fēng)機的轉(zhuǎn)速升高到發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速附近，再經(jīng)過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能,電力電子變流器將發(fā)電機輸出的電能轉(zhuǎn)換為合適幅值或頻率的電壓、電流，經(jīng)過并網(wǎng)變壓器升壓后接入大電網(wǎng)。對于目前出現(xiàn)的一些低轉(zhuǎn)速發(fā)電機，圖中的齒輪箱可以省去。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、功率等運行狀態(tài)的控制可以通過改變風(fēng)機槳葉的節(jié)距角實現(xiàn)，也可通過電力電子變流器來調(diào)

20、節(jié)發(fā)電機的電磁力矩完成。對于小型風(fēng)力發(fā)電機組來說，通過電力電子變流器來調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁力矩的方法更方便，可以省掉變槳距機構(gòu)，減小6 / 29系統(tǒng)設(shè)計制造的難度。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個主要部件是風(fēng)力機和發(fā)電機，而風(fēng)力機的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)和發(fā)電機的變速恒頻發(fā) 電技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，另外用于變流器系統(tǒng)的電力電子技術(shù)直接決定了產(chǎn)生的電能質(zhì)量,這三項技術(shù)同時也是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵核心技術(shù)。一、風(fēng)力機的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)a）風(fēng)力機的特性曲線風(fēng)力機通過葉輪捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。由空氣動力學(xué)特性可知，通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能不能全部被葉輪吸收利用，可以定義出一個風(fēng)能利用系數(shù)Cp：式

21、中：t時間內(nèi)葉輪吸收的風(fēng)能；t時間內(nèi)通過葉輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能；單位時間內(nèi)葉輪吸收且轉(zhuǎn)換的機械能，即風(fēng)力機的機械輸出功率；單位時間內(nèi)通過葉輪掃掠面的風(fēng)能，即風(fēng)力機的輸入功率。對一臺實際的風(fēng)力機，其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械輸出功率的表達式為：式中： 一一空氣密度（kg/m3）；A葉輪的掃掠面積（m2）;D葉輪的直徑（m）。7 / 29系數(shù)，反映了風(fēng)力機吸收利用風(fēng)能的效率，是一個與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪直徑均有關(guān)系的量。風(fēng)力機的儲的功率特性通常用風(fēng)能利用系數(shù)（葉尖速比）曲線來表示，如圖 3所示。儲的功率發(fā)電機I】門六二十電機轉(zhuǎn)速X同步轉(zhuǎn)速血動機圖4異步電機輸出功率曲線Fig.4 Curve of IM ou

22、tput power恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中， 多采用籠型異步電機作為并網(wǎng)運行的發(fā)電機，并網(wǎng)后在電機機械特性 曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行，如圖4所示，異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。 當(dāng)風(fēng)力機傳給發(fā) 電機的機械功率隨風(fēng)速而增加時， 發(fā)電機的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。 運行點發(fā)生改 變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速 3%5%時達到最大值，若超過這個轉(zhuǎn)速， 異步發(fā)電機進入不 穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車，這是十分危險的。b）變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的異步發(fā)電機都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)可以使風(fēng)力機在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運行的重要優(yōu)點，越來越引起人們的重

23、視。從風(fēng)力機的運行原理可知，這就要求風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速并保持一個恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機組輸出最大的功率，最大限度的利用風(fēng)能，提高了風(fēng)力機的運行效率。自上世紀(jì)90年代開始，國外新建的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻方式，特別是兆瓦級以上大容量風(fēng)電系統(tǒng)，因為此時最大限度捕獲風(fēng)能、提高發(fā)電效率的意義十分重要?？捎糜陲L(fēng)力發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)多種，如交一一交系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)、爪極式發(fā)電機系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)等，8 / 29這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機與電力電子裝置相結(jié)合實現(xiàn)變速恒頻的，有的

24、是通過改造發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻的。這些系統(tǒng)都有自己的特點， 可以適用于各種不同場合。為充分利用風(fēng)能，應(yīng)深入研究各種變速恒頻技術(shù)。下面將對各種電機系統(tǒng)加以簡單介紹。(1)交一直一交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)這種系統(tǒng)中的變速恒頻控制是在電機的定子電路中實現(xiàn)的。由于風(fēng)速的不斷變化， 風(fēng)力機和發(fā)電機也隨之變速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率。發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電首先通過三 相橋式整流器整流成直流電， 再通過逆變器直流電變換為恒定電網(wǎng)頻率的交流電。因此，變頻器的容量和發(fā)電機系統(tǒng)的容量相同。這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時沒有電流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響。 在此系統(tǒng)中可以采用的發(fā)電機有同步發(fā)電機、鼠籠型異步電機、繞線式異步電機

25、和永磁發(fā)電機等。而在這幾種發(fā)電機中，鼠籠型異步電機和永磁發(fā)電機最為常用，因為其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都很簡單容易制造和維護，并且沒有滑環(huán)和電刷，勵磁方式也比較簡單，尤其是永磁同步電機不需要外部勵磁。(2)磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)這種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計的高頻交流發(fā)電機和一套電力電子變換電路組成。發(fā)電機本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率，與普通同步電機不同的是，它不用直流電勵磁，而是用頻率為的低頻交流電勵磁(即為所要求的輸出頻率，一般為50Hz),當(dāng)頻率遠低于頻率時， 發(fā)電機三個相繞組的輸出電壓波形將是由頻率為和的兩個分量組成的調(diào)幅波，這個調(diào)幅波的包絡(luò)線的頻率是 ，包絡(luò)線所包含的高頻波的頻率是。將三個相繞組接到一組并

26、聯(lián)橋式整流器，得到基本頻率為 的全波整流正弦脈動波。再通過晶閘管開關(guān)電路使這個正弦脈動波 的一半反向。最后經(jīng)濾波器濾去高次諧波，即可得到與發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)、頻率為的恒頻正弦波。輸出電壓的頻率和相位取決于勵磁電流的頻率和相位，正是這一特點使得磁場調(diào)制發(fā)電機非常適合于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與前而的交直一交系統(tǒng)相比，磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)的特點是：由于經(jīng)橋式整流器后得到的是正弦脈動波，輸入晶閘管開關(guān)電路后基本上是在波形過零 點時開關(guān)換向。因而換向簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。9 / 29晶閘管開關(guān)電路輸出波形中諧波分量很小，且諧波頻率很高，很易濾去，因此可以得到相當(dāng)好的正弦輸出波形。磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)的

27、輸出頻率在原理上與勵磁電流頻率相同，因而這種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)或柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行十分簡單可靠。這種發(fā)電機系統(tǒng)的主要缺點與交 一直一交系統(tǒng)類似，即電力電子變換裝置處在主電路中，因而容量較大。比較適合用于容量從數(shù)十千瓦到數(shù)百千瓦的中小型風(fēng)電系統(tǒng)。 發(fā)電機要經(jīng)特殊設(shè)計，不能利用通常形式的發(fā)電機。(3)交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)系統(tǒng)如圖5 (d)所示，采用的發(fā)電機為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機類似。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定。當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，處于亞同步狀態(tài)，此時變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，發(fā)電機由定子發(fā)出電

28、能給電網(wǎng)；當(dāng) 時，處于超同步狀態(tài)，此時發(fā)電機同時由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量逆向流向；當(dāng) 時，處于同步狀態(tài)，此時發(fā)電機作為同步電機運行，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。因此，當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 變化時，若控制變頻器勵磁相應(yīng)變化，即可以使定子電流頻率保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實現(xiàn)了變速恒頻控制。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一部分，因此變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，這樣變頻器的成本將會大大降低。這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器

29、的容量外，在磁場定向矢量控制下還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制， 對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔谩５灰唤蛔冾l器輸出特性差，6脈波、36管交一交變頻器輸出電壓富含低次諧波，嚴重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進行諧波抑制。只有 12脈波、72管交一交變頻器結(jié)構(gòu)符合勵磁電源要求，但結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜，不適合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。目前國際上開發(fā)使用PWM整流一PWM逆變的交一交型變頻電源，具有功率雙向流動能力，結(jié)構(gòu)、控制方便，是一種實用的勵10 / 29磁變頻器。此外繞線式交流勵磁發(fā)電機還有滑環(huán)和電刷帶來的一些弊病，但仍然不失為一種能實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的機組。(4)無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)系統(tǒng)采用的發(fā)電機為無刷雙饋發(fā)電機。其定子有兩套

30、極數(shù)不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個稱為控制繞組，通過雙向變頻器接電網(wǎng)。 其轉(zhuǎn)子為鼠籠型結(jié)構(gòu)，取消了電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個繞組極對數(shù)之和。這種無刷雙饋發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于有刷交流勵磁雙饋發(fā)電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機的運行機制有著本質(zhì)的區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實現(xiàn)變速恒頻控制，不再贅述。盡管這種變速恒頻控制方案是在定子電路實現(xiàn)的，但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋發(fā)電機總功率的一小部分，雙向變頻器的容量也僅為發(fā)電機容量的一小部分。同樣，這種采用無刷雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，降低變頻器的容量外，

31、還可在矢量控制策略下實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔茫?同時發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機的成本， 又提高了系統(tǒng)運行的可靠性。 該種變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)現(xiàn)在已被工業(yè)界普遍采用。(5)爪極式發(fā)電機系統(tǒng)無刷爪極自勵發(fā)電機與一般同步電機的區(qū)別僅在于它的勵磁系統(tǒng)部分。其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機基本相同。由于爪極發(fā)電機的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對極的磁勢均來自一套共同的勵磁繞組，因此與一般同步發(fā)電機相比， 勵磁繞組所用的材料較省，所需的勵磁功率也較小。 對于一臺8極電機，在每極磁通及磁路磁密相同的條件下，爪極電機勵磁繞組所需的銅線及其所消耗的勵磁功率將不

32、到一般同步電機的一半，故具有較高的效率。另外無刷爪極電機與永磁電機一樣均系無刷結(jié)構(gòu)， 基本上不需要維護。 與永磁發(fā)電機相 比，無刷爪極發(fā)電機除了機械摩擦力矩外基本上沒有什么起動阻力矩。另一個優(yōu)點是具有很好的調(diào)節(jié)性能，通過調(diào)節(jié)勵磁可以很方便地控制它的輸出特性，并有可能使風(fēng)力機實現(xiàn)最佳11 / 29 葉尖速比運行，得到最好的運行效率。這種發(fā)電機非常適合用于千瓦級的風(fēng)力發(fā)電裝置中。但該項技術(shù)的最大功率跟蹤(MPPT)尚處在研究階段。(6)開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)開關(guān)磁阻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是以開關(guān)磁阻發(fā)電機為機電能量轉(zhuǎn)換核心。開關(guān)磁阻發(fā)電機為雙凸極電機，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無

33、繞組也無永磁體。由此帶來變換器及控制、驅(qū)動的簡潔性。風(fēng)力機的功率特性有其自身的特點，為了使風(fēng)能捕獲的效果最佳，就必須使開關(guān)磁阻發(fā)電機與風(fēng)力機能夠良好的配合，通過對發(fā)電系統(tǒng)的控制，使風(fēng)力機工作在最佳功率負載線上， 開關(guān)磁阻發(fā)電機本身也具有可控參數(shù)多、 非線性、缺少 明確的數(shù)學(xué)模型的特點。 與傳統(tǒng)的有刷直流發(fā)電機及旋轉(zhuǎn)整流無刷同步發(fā)電機相比，開關(guān)磁阻發(fā)電機具有明顯的容錯能力強、組合起動與發(fā)電容易、適合高溫(250。C)和高速(30000r/min )環(huán)境運行以及大容量、高效率、高功率密度運行等優(yōu)點。該發(fā)電機氣隙磁場和相磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置和繞組相電流而持續(xù)、周期性變化，沒有傳統(tǒng)電機的穩(wěn)定磁路工作點，而是

34、一個動態(tài)三維磁空間。 開關(guān)磁阻發(fā)電機沒有獨立的勵磁繞組，而是與集中嵌放的定子電樞合二為一，并通過控制器分時控制實現(xiàn)勵磁與發(fā)電，因而簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。同時，該發(fā)電機相繞組間無電耦合，其容錯能力大大增強。另外，開關(guān)磁阻發(fā)電機機械結(jié)構(gòu)簡單、堅固可靠。總之，通過以上的對比分析，可知：如果將風(fēng)力機和發(fā)電機直接耦合，省去變速箱，這樣可以大大降低成本，減少維護，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免齒輪箱漏油的問題。風(fēng)力發(fā)電機位于室外高空狹小而封閉的機艙內(nèi)，通風(fēng)條件較差，而電機大多是密閉結(jié)構(gòu)，靠外殼故熱，因此要求發(fā)電機耐高溫性能好， 開關(guān)磁阻發(fā)電機在這方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)和無刷雙饋發(fā)電

35、機系統(tǒng)的變頻器容量僅為系統(tǒng)總?cè)萘康囊徊糠?，所以這兩種方案適用于大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其他方案適用于小容量的風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)。12 / 29交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)和無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)可在亞同步和超同步狀態(tài)下運行，因而具有更寬的風(fēng)速運行范圍。 無刷雙饋電機省去了滑環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單，堅固可靠。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的條件下，通過控制勵磁繞組的勵磁電流頻率來確保發(fā)電機輸出電流的頻率保持在50Hz不變，非常適用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是當(dāng)今世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。這幾種變速恒頻系統(tǒng)的性能對比分析見表4所示。表4幾種變速恒頻方案的對比分析Tab.4 Several scheme of variable-speed c

36、onstant frequency系統(tǒng)方案蔓頻器能 量流醴方 向變頻器容 策觸朝 范圍特點交一直一交系統(tǒng)Ml nJ鈣$較寬并屈無電流沖擊，發(fā)電機工作 頻率獨立磁場調(diào)制廢電機系統(tǒng)單1時輻鋰較窄系輟率較局，諧波成份少新勵碳胴黑電機系統(tǒng)眼揩寬有功，無功功率可靈活控制無刷雙微發(fā)電機系統(tǒng)雙向貢無滑環(huán)和電刷.既降低了成本，又提昂JRI靠性爪極式發(fā)電機系統(tǒng)單N輻揩窄起動阻力矩、h無秘護，調(diào) 節(jié)慚3好開關(guān)詼陽發(fā)電機系統(tǒng)單H例錦寬結(jié)構(gòu)葡單,電流檢迎環(huán)節(jié)少， 主功率器件少，成本f氐三、電力電子變流器系統(tǒng)由發(fā)電機和電力電子器件構(gòu)成的廣泛應(yīng)用的6種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5所示。下面對圖5中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以簡單說

37、明。圖a是二十世紀(jì)八十年代到九十年代被很多風(fēng)機制造商應(yīng)用的比較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如使用鼠籠型轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機的上風(fēng)式、失速調(diào)節(jié)、三槳葉風(fēng)力機就是這種結(jié)構(gòu)。在八十年代這種結(jié)構(gòu)被擴展，為補償無功功率使用了電容器組，為平滑并網(wǎng)使用了電機軟起動器。圖b是用全程范圍或 低風(fēng)速區(qū)域”大小的變頻器代替了圖 a中的電容器組和電機軟起動器。低風(fēng)速區(qū)域”大小的變頻器的功率僅為發(fā)電機額定功率的20-30%,而全程范圍的變頻器功率大約為發(fā)電機額定功率的120%，但它能使風(fēng)力發(fā)電機在所有風(fēng)速下變速運行。13 / 29圖c這種結(jié)構(gòu)是二十世紀(jì)九十年代中期，Vestas風(fēng)力機廠生產(chǎn)的名為“Optislip風(fēng)力機所采用的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)

38、構(gòu)的基本思想是利用電力電子變換器改變外部的轉(zhuǎn)子電阻，來改變總的轉(zhuǎn)子電阻，從而使轉(zhuǎn)差率有 10%的變化范圍?？刂屏宿D(zhuǎn)差率也就控制了系統(tǒng)的輸出功率。圖d這種結(jié)構(gòu)使用雙饋異步發(fā)電機，用變頻器直接控制轉(zhuǎn)子繞組里的電流。用功率為發(fā)電機額定功率的20-30%電力電子變換器，即可控制整個的發(fā)電機輸出功率。有兩個原因促使這種結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用：1）較圖c的結(jié)構(gòu)有更寬的調(diào)速范圍；2）較全功率變換器更經(jīng)濟。圖e這種個功率控制結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用是在航海船只上作為電源。無齒輪箱，通過兩個或三個葉片的上風(fēng)式風(fēng)力機與永磁發(fā)電機相連， 發(fā)出的電能經(jīng)整流器給蓄電池充電。 這種結(jié)構(gòu)的風(fēng) 力機也可以應(yīng)用于家庭風(fēng)電系統(tǒng)或混合風(fēng)電系統(tǒng)，這

39、時風(fēng)力機一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用這種結(jié)構(gòu)提出一個新的設(shè)想：用多極3. 5MW永磁發(fā)電機發(fā)出電能后經(jīng)二極管整流器產(chǎn)生 21kV直流電，然后經(jīng)高壓直流輸電并入電網(wǎng)。因此可以這種結(jié)構(gòu)將 是世界風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展的另一個趨勢。圖f這種結(jié)構(gòu)使用多極的繞線式同步發(fā)電機。由于它使用的是多極發(fā)電機，所以它不需要齒輪箱。它是通過整流器從電機外部來勵磁的。與前幾種結(jié)構(gòu)相比。 這種結(jié)構(gòu)吸引力不大是由于三種原因：1）需要勵磁電路；2）需要滑環(huán)；3）風(fēng)力機更加復(fù)雜的保護策略。目前，電力電子變流裝置很多，表 5列出應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的六種典型電氣拓撲的發(fā)展現(xiàn)狀。風(fēng)力發(fā)電的過程就是風(fēng)能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為

40、電能的過程，其中風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)負責(zé)將機械能轉(zhuǎn)換為電能，這一部分是整個系統(tǒng)的核心，直接影響著整個系統(tǒng)的性能、效率和電 能質(zhì)量，也影響到風(fēng)能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研制適用于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的高可靠性、高效率、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點。目前國 內(nèi)對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究較深入的單位有北京交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、 中國科學(xué)院電工研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、新疆大學(xué)、華東交通大學(xué)等。怎樣利用風(fēng)力來發(fā)電呢？14 / 29我們把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機械能， 再把機械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電所需要 的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機組。這種風(fēng)力發(fā)電

41、機組，大體上可分風(fēng)輪（包括尾舵）、發(fā)電機和鐵塔三部分。風(fēng)輪是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的重要部件，它由兩只（或更多只）螺旋槳形的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時，槳葉上產(chǎn)生氣動力驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。槳葉的材料要求強度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復(fù)合材料（如碳纖維）來制造。由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定； 所以，在帶動發(fā)電機之前， 還必須附加一個把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個調(diào)速機構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為保持風(fēng)輪始終對準(zhǔn)風(fēng)向以獲得最大的功率，還需在風(fēng)輪的后面裝一個類似風(fēng)向標(biāo)的尾舵。鐵塔是支承風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機的構(gòu)架。它一般修建得比較高

42、，為的是獲得較大的和較均勻 的風(fēng)力，又要有足夠的強度。 鐵塔高度視地面障礙物對風(fēng)速影響的情況，以及風(fēng)輪的直徑大小而定，一般在6-20米范圍內(nèi)。發(fā)電機的作用， 是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機構(gòu)均勻運轉(zhuǎn)，因而把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。多大的風(fēng)力才可以發(fā)電呢 ？一般說來，3級風(fēng)就有利用的價值。但從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，風(fēng)速大于每秒4米才適宜于發(fā)電。據(jù)測定，一臺 55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機組，當(dāng)風(fēng)速每秒為9.5米時，機組的輸出功率為 55千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒 8米時，功率為38千瓦；風(fēng)速每秒為 6米時，只有16千瓦；而風(fēng)速為每秒 5米時，僅為9.5千瓦?？梢婏L(fēng)力愈大，經(jīng)濟效益也愈大?；驹砗筒考M成如

43、下：大部分風(fēng)電機具有恒定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子葉片末的轉(zhuǎn)速為64米/秒，在軸心部分轉(zhuǎn)速為 零。距軸心四分之一葉片長度處的轉(zhuǎn)速為 16米/秒。圖中的黃色帶子比紅色帶子， 被吹得更加指向風(fēng)電機的背部。這是顯而易見的，因為葉片末端的轉(zhuǎn)速是撞擊風(fēng) 電機前部的風(fēng)速的八倍。15 / 29為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀？大型風(fēng)電機的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過去，并向葉片的根部移動， 直至到轉(zhuǎn)子中心，你會發(fā)現(xiàn)風(fēng)從很陡的角度進入（比地面的通常風(fēng)向陡得多） 。如果葉片從特別陡的角度受到撞擊， 轉(zhuǎn)子葉片將停止運轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子葉片需要 被設(shè)計成螺旋狀，以保證葉片后面的刀口，沿地面上的風(fēng)向被推離。風(fēng)電機結(jié)構(gòu)機艙：機艙包容著風(fēng)電機

44、的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過 風(fēng)電機塔進入機艙。機艙左端是風(fēng)電機轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代 600千瓦風(fēng)電機上，每個 轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計得很象飛機的機翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機的低速軸上。低速軸：風(fēng)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代 600千瓦風(fēng) 電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為 19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的 導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊

45、急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)電機被維修時。發(fā)電機：通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。 在現(xiàn)代風(fēng)電機上，最大電力輸出通 常為500至1500千瓦。偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操 作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)電機偏航。通常，在 風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)電機狀態(tài)的計算機， 并控制偏航裝置。為防止 任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風(fēng)電機的轉(zhuǎn)動， 并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)電機操作員。液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)電機的空氣動力閘。冷卻元件：包含一個風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機。此

46、外，它包含一個油冷卻元件，用 于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng)電機具有水冷發(fā)電機。塔：風(fēng)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風(fēng)速越16 / 29大?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以 是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子 到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。風(fēng)速計及風(fēng)向標(biāo)：用于測量風(fēng)速及風(fēng)向。風(fēng)電機發(fā)電機風(fēng)電機發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。 風(fēng)電機上的發(fā)電機與你通?？吹降?， 電網(wǎng)上 的發(fā)電設(shè)備相比，有點不同。原因是，發(fā)電機需要在波動的機械能條件下運轉(zhuǎn)。輸出電壓大型風(fēng)電機（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690伏特的

47、三相交流電。然后電流通過風(fēng) 電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至一萬至三萬伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng) 的標(biāo)準(zhǔn)。大型制造商可以提供50赫茲風(fēng)電機類型（用于世界大部分的電網(wǎng)），或60赫茲 類型（用于美國電網(wǎng)）。冷卻系統(tǒng)發(fā)電機在運轉(zhuǎn)時需要冷卻。在大部分風(fēng)電機上，發(fā)電機被放置在管內(nèi)，并使用大 型風(fēng)扇來空冷；一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機更加小巧，而且電效高，但 這種方式需要在機艙內(nèi)設(shè)置散熱器，來消除液體冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。啟動及停止發(fā)電機如果你通過彈開一個普通開關(guān)，將大型風(fēng)電機發(fā)電機與電網(wǎng)連接或解開， 你很可 能會損毀發(fā)電機、齒輪箱及鄰近電網(wǎng)。發(fā)電機電網(wǎng)的設(shè)計風(fēng)電機可以使用同步或異步發(fā)電機，并直接或非

48、直接地將發(fā)電機連接在電網(wǎng)上。 直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機直接連接在交流電網(wǎng)上。非直接電網(wǎng)連接指的是， 風(fēng)電機的電流通過一系列電力設(shè)備， 經(jīng)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)匹配。采用異步發(fā)電機，這個 調(diào)節(jié)過程自動完成。轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)子葉片輪廓（橫切面）風(fēng)電機轉(zhuǎn)子葉片看起來像航行器的機翼。 實際上，轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計師通常將葉片最 遠端的部分的橫切面設(shè)計得類似于正統(tǒng)飛機的機翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓，通常是專門為風(fēng)電機設(shè)計的。為轉(zhuǎn)子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面，諸如可靠 的運轉(zhuǎn)與延時特性。葉片的輪廓設(shè)計，即使在表面有污垢時，葉片也可以運轉(zhuǎn)良 好。轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)大型風(fēng)電機上的大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強化塑料（ GRP）制造。采用碳

49、纖 維或芳族聚酰胺作為強化材料是另外一種選擇， 但這種葉片對大型風(fēng)電機是不經(jīng) 濟的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒有在轉(zhuǎn)子葉片市場出現(xiàn)，17 / 29盡管目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了發(fā)展。鋼及鋁合金分別存在重量及金屬疲勞等問 題，他們目前只用在小型風(fēng)電機上。風(fēng)電機齒輪箱 為什么要使用齒輪箱？風(fēng)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)電機。 為什么要使用齒輪箱？為什么我們不能通過主軸直接驅(qū)動發(fā)電機？如果我們使用普通發(fā)電機，并使用兩個、四個或六個電極直接連接在50赫茲交流三相電網(wǎng)上，我們將不得不使用轉(zhuǎn)速為 1000至3000轉(zhuǎn)每分鐘的風(fēng)電機。對 于43米轉(zhuǎn)子直徑的風(fēng)電機，這意

50、味著轉(zhuǎn)子末端的速度比聲速的兩倍還要高。另 外一種可能性是建造一個帶許多電極的交流發(fā)電機。但如果你要將發(fā)電機直接連在電網(wǎng)上，你需要使用200個電極的發(fā)電機，來獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外 一個問題是，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的質(zhì)量需要與轉(zhuǎn)矩大小成比例。 因此直接驅(qū)動的發(fā)電機 會非常重。更低的轉(zhuǎn)矩，更高的速度使用齒輪箱，你可以將風(fēng)電機轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、 較高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機 上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風(fēng)電機上的齒輪箱，通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間具 有單一的齒輪比。對于600千瓦或750千瓦機器，齒輪比大約為1比50。下圖顯示了用于風(fēng)電機的1.5兆瓦的齒輪箱。這個齒輪箱有些不同尋常，因為在 高速點的兩個發(fā)電機

51、上安裝有法蘭。 右側(cè)安裝在發(fā)電機下的橙黃色配件， 是液壓 驅(qū)動的緊急盤狀剎車。在背景處你可以看到用于 1.5MW風(fēng)電機的機艙的下半部 分風(fēng)電機偏航裝置風(fēng)電機偏航裝置用于將風(fēng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到迎風(fēng)的方向。偏航誤差當(dāng)轉(zhuǎn)子不垂直于風(fēng)向時，風(fēng)電機存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風(fēng)中的能量只 有很少一部分可以在轉(zhuǎn)子區(qū)域流動。 如果只發(fā)生這種情況，偏航控制將是控制向 風(fēng)電機轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。 但是，轉(zhuǎn)子靠近風(fēng)源的部分受到的力比其它部 分要大。一方面，這意味著轉(zhuǎn)子傾向于自動對著風(fēng)偏轉(zhuǎn)， 逆風(fēng)或順風(fēng)的汽輪機都 存在這種情況。另一方面，這意味著葉片在轉(zhuǎn)子每一次轉(zhuǎn)動時，都會沿著受力方 向前后彎曲。存在偏航誤差的風(fēng)

52、電機，與沿垂直于風(fēng)向偏航的風(fēng)電機相比， 將承 受更大的疲勞負載。18 / 29偏航機構(gòu)幾乎所有水平軸的風(fēng)電機都會強迫偏航。即，使用一個帶有電動機及齒輪箱的機構(gòu)來保持風(fēng)電機對著風(fēng)偏轉(zhuǎn)。本圖顯示的是 750千瓦風(fēng)電機上的偏航機構(gòu)。我 們可以看到環(huán)繞外沿的偏航軸承，及內(nèi)部偏航馬達及偏航閘的輪子。幾乎所有逆 風(fēng)設(shè)備的制造商都喜歡在不需要的情況下， 停止偏航機構(gòu)。偏航機構(gòu)由電子控制 器來激發(fā)。電纜扭曲計數(shù)器電纜用來將電流從風(fēng)電機運載到塔下。但是當(dāng)風(fēng)電機偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時 問時，電纜將越來越扭曲。因此風(fēng)電機配備有電纜扭曲計數(shù)器， 用于提醒操作員 應(yīng)該將電纜解開了。類似于所有風(fēng)電機上的安全機構(gòu)，系統(tǒng)具

53、有冗余。風(fēng)電機還 會配備有拉動開關(guān)，在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：葉輪（漿葉、輪轂）：三槳葉，水平軸，上風(fēng)型，定漿 距失速調(diào)節(jié)型和變漿距調(diào)節(jié)兩種形式。發(fā)電機：采用多極變速恒頻雙饋發(fā)電機，機構(gòu)如圖3所示。制動系統(tǒng)：采用機械、電制動兩套制動系統(tǒng)，確保事 故狀態(tài)系統(tǒng)的安全制動。偏航系統(tǒng)：由在機座上面的兩個相互獨立的傳感器（風(fēng)速計 和風(fēng)標(biāo)）確定風(fēng)速和風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)向變化時，風(fēng)標(biāo)登記這個方位，且傳遞信號到控 制器?？刂破较到y(tǒng)去轉(zhuǎn)動機艙。塔架：采用鋼結(jié)構(gòu)錐形筒，表面經(jīng)噴鋅加噴鋁涂層防腐處理，內(nèi)部設(shè)有梯子直接登上偏航系統(tǒng)和機艙，內(nèi)部備有 220V照明和月臺?？刂葡到y(tǒng)：是一套基于工業(yè)控制計算機和數(shù)

54、字信號處理器（DSP）的風(fēng)力發(fā)電機組DCS控制系統(tǒng)。主要任務(wù)是將發(fā)電機切入和切除電網(wǎng)， 并管理來自不同傳感器（風(fēng)電機組內(nèi)部傳感器，電網(wǎng)電壓電流變送器等）的全部 信息。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，計算機程序?qū)⒆詣右宰罴押妥畎踩姆绞綀?zhí)行所有的控 制操作。計算機實時監(jiān)控全部閥值參數(shù)。運行和安全系統(tǒng)：風(fēng)速達到 3m/s時機組自啟動，加速，到 同步轉(zhuǎn)速時，軟切入；超出安全風(fēng)速時自動停機；風(fēng)速降到安全啟動風(fēng)速后，能 自動再啟動；事故情況下空氣斷路器和機械制動可同時動作；安全系統(tǒng)是失靈安全型。除了監(jiān)測控制系統(tǒng)還有利用離心力的冗余安全系統(tǒng)。19 / 29 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨

55、大，全 球的風(fēng)能約為2.74 X09MW,其中可利用的風(fēng)能為2X107MW,比地球上可開發(fā) 利用的水能總量還要大10倍。風(fēng)很早就被人們利用-主要是通過 風(fēng)車來抽水、 磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電。目錄風(fēng)力發(fā)電簡介怎樣利用風(fēng)力來發(fā)電多大的風(fēng)力才可以發(fā)電風(fēng)力發(fā)電的原理風(fēng)力發(fā)電的輸出用風(fēng)力發(fā)電機的節(jié)約程度雙饋型感應(yīng)發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電機的分類展開編輯本段風(fēng)力發(fā)電簡介凡是一種潛力很大的 新能源,人們也許還記得，十八世紀(jì)初，橫掃英法兩國 的一次狂風(fēng)力發(fā)電圖暴大風(fēng)，吹毀了四百座風(fēng)力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多條帆船，并 有數(shù)千人受到傷害，二十五萬株大樹連根拔起。僅就拔樹一事而論，風(fēng)

56、1在數(shù)秒 鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬馬力（即750萬千瓦；一馬力等于0.75千瓦）的勃生!有人估20 / 29 計過，地球上可用來發(fā)電的風(fēng)力資源約有 100億千瓦，幾乎是現(xiàn)在全世界 水力發(fā) 電量的10倍。目前全世界每年燃燒煤所獲得的能量，只有風(fēng)力在一年內(nèi)所提供 能量的三分之一。因此，國內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來發(fā)電，開發(fā)新能源。利用風(fēng)力發(fā)電的嘗試，早在本世紀(jì)初就已經(jīng)開始了。三十年代，丹麥、瑞典、 蘇聯(lián)和美國應(yīng)用航空工業(yè)的旋翼技術(shù),成功地研制了一些小型風(fēng)力發(fā)電 裝置。這 種小型風(fēng)力發(fā)電機,廣泛在多風(fēng)的海島和偏僻的鄉(xiāng)村使用， 它所獲得的電力成本 比小型內(nèi)燃機的發(fā)電成本低得多。不過，當(dāng)時的發(fā)電量較低，大都在5千

57、瓦以下。目前，據(jù)了解，國外已生產(chǎn)出15, 40, 45, 100, 225千瓦的風(fēng)力發(fā)電機了。 1978年1月，美國在新墨西哥州的克萊頓鎮(zhèn)建成的200千瓦風(fēng)力發(fā)電機，具葉 片直徑為38米，發(fā)電量足夠60戶居民用電。而1978年初夏，在丹麥日德蘭半 囿西海岸投入運行的風(fēng)力發(fā)電裝置， 其發(fā)電量則達2000千瓦，風(fēng)車高57米，所 發(fā)電量的75%送入電網(wǎng)，其余供給附近的一所學(xué)校用。1979年上半年，美國在 北卡羅來納州的藍嶺山,又建成了一座世界上最大 的發(fā)電用的風(fēng)車。這個風(fēng)車有十層樓高，風(fēng)車鋼葉片的直徑60米；葉片安裝在一個塔型建筑物上，因此風(fēng)車可自由轉(zhuǎn)動并從任何一個方向獲得電力；風(fēng)力時速在38公里以

58、上時，發(fā)電能力也可達2000千瓦。由于這個丘陵地區(qū)的平均風(fēng)力時 速只有29公里，因此風(fēng)車不能全部運動。據(jù)估計，即使全年只有一半時間運轉(zhuǎn)， 它就能夠滿足北卡羅來納州七個縣 1%到2%的用電需要。編輯本段怎樣利用風(fēng)力來發(fā)電我們把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機械能、再把機械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。 風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機組。這種風(fēng)力發(fā)電機組，大體上可分風(fēng) 輪（包括尾舵）、發(fā)電機和鐵塔三部分。（大型風(fēng)力發(fā)電站基本上沒有尾舵，一般 只有小型（包括家用型）才會擁有尾舵）風(fēng)輪是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的重要部件，它由兩只 （或更多只）螺旋槳形 的葉輪組成。當(dāng)風(fēng)吹向漿葉時，槳葉上產(chǎn)生氣動力驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。

59、槳葉的材料要 求強度高、重量輕，目前多用 玻璃鋼或其它復(fù)合材料（如碳纖維）來制造。（現(xiàn)在 還有一些垂直風(fēng)輪，s型旋轉(zhuǎn)葉片等，其作用也與常規(guī)螺旋槳型葉片相同）由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著， 這又使轉(zhuǎn)速不 穩(wěn)定；所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 的齒輪變速箱，再加一個調(diào)速機構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定， 然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為 保持風(fēng)輪始終對準(zhǔn)風(fēng)向以獲得最大的功率，還需在風(fēng)輪的后面裝一個類似風(fēng)向標(biāo) 的尾舵。鐵塔是支承風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機的構(gòu)架。它一般修建得比較高，為的是獲得 較大的和較均勻的風(fēng)力，又要有足夠的強度。鐵塔高度視地面障礙物對風(fēng)速影響 的情況，

60、以及風(fēng)輪的直徑大小而定，一般在 6-20米范圍內(nèi)。發(fā)電機的作用，是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過升速傳遞給發(fā)電機構(gòu)均勻 運轉(zhuǎn)，因而把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋＞庉嫳径味啻蟮娘L(fēng)力才可以發(fā)電一般說來，3級風(fēng)就有利用的價值。但從 經(jīng)濟合理的角度出發(fā)、風(fēng)速大于每 秒4米才適宜于發(fā)電。據(jù)測定，一臺55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機組，當(dāng)風(fēng)速每秒為9.5 米時，機組的輸出功率為55千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒8米時，功率為38千瓦；風(fēng)速每 秒為6米時，只有16千瓦；而風(fēng)速為每秒5米時，僅為9.5千瓦?？梢婏L(fēng)力愈 大，經(jīng)濟效益也愈大。在我國，現(xiàn)在已有不少成功的中、小型風(fēng)力發(fā)電裝置在運轉(zhuǎn)。21 / 29我國的風(fēng)力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均