风力发电机介绍

风力发电机介绍

目录

1. 风力发电发展的推动力

2.风力发电的相关参数

2.1.风的参数

2.2.风力机的相关参数（以水平轴风力机为例）

3.风力机的种类

3.1.水平轴风力机

3.2.垂直轴风力机

4.水平轴风力机详细介绍

4.1.风轮机构

4.2.传动装置

4.3.迎风机构

4.4.发电机

4.5.塔架

4.6.避雷系统

4.7.控制部分

5.风力发电机的变电并网系统

5.1.（恒速）同步发电机变电并网技术

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5.2.（恒速）异步发电机变电并网技术

5.3.交—直—交并网技术

5.4.风力发电机的变电站的布置

6.风力发电场

7.风力机发展方向

1. 风力发电发展的推动力：

1) 新技术、新材料的发展和运用；

2) 大型风力机制造技术及风力机运行经验的积累；

3) 火电发电成本（煤的价格）上涨及环保要求的提高（一套脱硫装置价格相当

一台锅炉价格）。

2. 风力发电的相关参数：

2.1. 风的参数：

2.1.1. 风速：

在近300m的高度，风速随高度的增加而增加，公式为： V：欲求的离地高度H处的风速；

V0：离地高度为H0处的风速（H0=10m为气象台预报风速的高度）；

n：与地面粗糙度等因素有关的指数，平坦地区平均值为0.19～0.20。

2.1.2. 风速频率曲线：

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在一年或一个月的周期中，出现相同风速的小时数占这段时间总小时数的百分比称风速频率。

图1：风速频率曲线

2.1.3. 风向玫瑰图(风向频率曲线)：

在一年或一个月的周期中，出现相同风向的小时数占这段时间总小时数的百分比称风向频率。以极座标形式表示的风向频率图叫风向玫瑰图。

图2：风向玫瑰图

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2.2. 风力机的相关参数（以水平轴风力机为例）：

2.2.1. 风力机的轴功率Pw：

：空气密度（Kg/m）； V：风速（m/s）； A：风轮叶片扫掠面积（m）；

2

3

Cp：风能利用系数；是风轮所接收的能量与通过风轮扫掠面积的全部风的动能的比值，根据Betz的理论，理想风轮最大风能的利用系数Cpmax=16/27=0.593，是风轮转化为有用功的能 量上限。

2.2.2. 叶尖速度比：

为叶尖的速度与风速的比值：=R/V

：叶轮的转角速度； R：叶轮的半径； V：风速；

图3：Cp和  的关系特性曲线

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Ⅰ-低速风轮 Ⅱ-高速风轮

2.2.3. 叶片几何攻角和升力系数CY

叶片几何攻角：为翼型上合成气流的方向与翼型几何弦的夹角；

升力系数CY：为升力与最大升力的比值；

图4: 叶片几何攻角

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图5: CY和  的关系特性曲线

A-有弯度翼型 B-对称翼型

叶片的失速：由上图可看出，叶片处于某几何攻角时升力最大，超过这个角度时升力急剧降低，此现象称为叶片失速。

3. 风力机的种类：

风力机是将风能转化为其它能的机械；其结构多种多样，图6示意了各种类型风力机的示意图。

3.1. 水平轴风力机：

0

风轮轴线安装位置与水平夹角不大于15的风力机叫做水平轴风力机。

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3.2. 垂直轴风力机：

风轮轴线安装位置与水平面垂直的风力机叫做垂直轴风力机。

4. 水平轴风力机详细介绍：

水平轴风力机是当今普遍应用、推广的机型，是风能利用的主要形式。中小型风力机为运行平稳多选用三叶片结构，兆瓦级风力机由于造价因素多选用二叶片结构。下文就水平轴风力机的风轮机构、传动装置、发电机、塔架、避雷系统作具体的介绍：

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图6：各种类型风力机的示意图

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图7:水平轴风力机的机舱结构示意图

4.1. 风轮机构：

4.1.1. 叶片：是风力机主要构成部分，当今95%以上的叶片都采用

玻璃钢复合材料，质量轻、耐腐蚀、抗疲劳。叶片的技术含量高，属风力机的关键部件，大型风力机的叶片往往由专业厂家制造。

4.1.2. 轮毂：轮毂的作用是连接叶片和低速轴，要求能承受大的、

复杂的载荷，中小型风力机采用刚性连接，兆瓦级风力机采用跷跷板连接方式。

4.1.3. 变浆距、定浆距的概念:

在风力机功率调节中，牵涉到变浆距、定浆距的概念。变浆距、定浆距调节方式的比较见表1。

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表1: 各种功率调节方式比较

4.1.3.1. 变浆距风轮：

变浆距调节机构：能自动改变叶片的安装角，以适应风力机各工况下的功率、转速的调整。可为电液伺服或电子机械结构。

快速应急顺浆机构：能使叶片的安装角(图四)快速趋近为0，可作为紧急停机的方法。可为气动、液压或机械（弹簧）结构。

4.1.3.2. 定浆距风轮：

叶片的安装角固定，结构简单，在额定风速以，叶片的升力系数和风能利用系数较高，当风速超过额定值时，叶片进入失速状态（见前面所述(图五)），致使叶片升力不再增加，叶片结构复杂、成本高。

叶尖气动刹车机构：在风力机紧急停机时，可通过叶轮上的液压机构将叶尖刹车机构转到横切风的位置。

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4.2. 传动装置：

风轮转速约为30～50 r/min，发电机转速约为1000～1500 r/min，需传动装置，要求效率高、质量轻、体积小和传动比围大。

传动装置有气（液）动和机械制动机构，在紧急停车或检修时用。

4.3. 迎风机构：

它是使风轮保持最佳的迎风位置的装置，下风式风力机具有自动对风的能力，上风式风力机应有电动迎风机构，迎风机构应有电缆缠绕解绕功能。 4.4. 发电机：

4.4.1. （恒速）同步发电机：

（恒速）同步发电机的优点是其励磁系统可控制发电机的电压和无功功率，发电机效率高。同步电机要通过同步设备的整步操作达到准同步并网（并网困难），由于风速变化大，以及同步发电机要求转速恒定（50Hz0.2），风力机必需装有良好的变浆距调节机构。

4.4.2. （恒速）异步发电机：

异步发电机结构简单、坚固、造价低，异步发电机投入系统运行时，由于是靠转差率来调节负荷，因此对机组的调节精度要求不高，不需要同步设备的整步操作，只要转速接近同步速时就可并网，且并网后不会产生振荡和失步。缺点是并网时冲击电流幅值大，不能产生无功功率。

双绕组可变极（4/6极）异步发电机能在两种不同的额定转速下运行，可解决低风速时发电机的效率问题。

4.4.3. 变速运行风力发电机：

变速运行风力发电机：

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可采用类同于（恒速）异步/同步发电机的结构，通过对它们在结构及控制方法的改进来提高变速风力发电机的能量转换效率。

变流装置：

新型全功率因数变流装置具有变频并网功能，在微处理器的支持下可控制发电机的输出功率因数（从而具有了无功补偿能力），此外，新型全功率因数变流装置还具有谐波抑制功能，可向共用电网提供高质量的电能。

图8示意了全功率因数变流器主电路结构框图，图9示意了全功率因数变流器主电路原理示意图。

图8:全功率因数变流器主电路结构框图

图9:全功率因数变流器主电路原理示意图

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美国风力发电机制造商U.S Kenetech/WindPower 1993年研制的变速运行风力发电机KVS-33：

额定功率：350KW，最大输出功率：450KW，风速围：4.5～29.1 m/s。

在兆瓦级风力发电机中应用变流技术（交—直—交）有：

国名 美国 瑞典 荷兰 加拿大 意大利 机型／安装地点 Mod-5B/Kahuku Pt Nordic 1000 NEWECS-45/Medemblik EOLE/Cap Chat GAMMA 60/Alt Nurra 额定功率（kW） 3200 1000 1000 4000 1500 建成年份 1987 1995 1985 1987 1992

另外，变流技术在高压直流输电系统中得到广泛应用。

工程名称 国家 功率（MW） 电压 线路长度换流阀 (KM) 型式 投运年份 群岛 州坝- 因特芒廷 中国 中国 美国 50 1200 1600 100 500 500 56 1080 784 晶闸管 晶闸管 晶闸管 1987 19 1986

优点：

变速运行风力发电机可在不同的风速下通过调节叶轮转速维持最佳的叶尖速度比（=R/V），以保持风能利用系数Cp最大(参见图三)，从而能捕捉更多的风能。

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消除了在风速变化时对恒速运行风力发电机的载荷冲击，使风力机运行更可靠、平稳。

4.5. 塔架：

作用：支撑风力机回转部分并使风轮在一定高度受风，按塔架的材料分：角钢或钢管桁架塔和圆锥钢管塔。按发电机和塔架的关系分：一塔一机，一塔二机。

如图10:一塔二机示意图

一塔二机优点(如图10所示)：

1) 由于没有塔影效应（指由塔架造成的气流涡流区对风力机产生的影响），塔架可采

用钢筋水泥结构，降低造价。

2) 两台发电机可共享设备（如：液压、控制器、变送电设备、迎风机构、避雷设备）。

3) 可使机组安装过程简化。

4.6. 避雷系统：

1994年丹麦超过6%的风力机遭雷击，LM公司估计每年有1%~2%的风叶遭雷击，所以并网运

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行的大型风力机的防雷是非常重要的。对叶片、塔架、机舱都应采取不同的避雷器件和防雷技术，以增加风力机的避雷能力。

4.7. 控制部分：

(风力机单机控制及风力场系统控制见第三部分。)

5. 风力发电机的变电并网系统：

5.1. （恒速）同步发电机变电并网技术：

由于风速的不确定性，风力机的可调速性能很难达到同步发电机要求的精度，同步发电机的并网困难，常采用下面几种方法：

5.1.1. 常规自动准同步并网方式：

准同步并网方式就是对已励磁的发电机的电压和频率进行调节，使其与系统同步，然后并网。由于风速的不确定性，通过此方法并网很困难。 5.1.2. 自同步并网方式：

发电机转速升高接近同步速（80%~90%额定转速）时，将未加励磁的同步发电机投入电力系统，延时1~3秒后再加励磁，发电机会自行拉入同步运行。

5.2. （恒速）异步发电机变电并网技术：

异步发电机投入系统运行时，由于靠转差率来调节负荷，因此对机组的调节精度要求不高，不需要同步设备的整步操作，只要转速接近同步速时就可并网，且并网后不会产生振荡和失步。常采用下面几种方法：

5.2.1. 直接并网：

发电机转速接近同步速时直接并网。缺点：并网瞬间存在三相短路现象，异步发电机将受到4~5倍额定电流的冲击，系统电压会瞬时下降。

5.2.2. 降压并网方式：

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在发电机与系统之间串接电抗器、电阻以减少合闸瞬间冲击电流与电网电压的下降的幅度，并网稳定后，再将电抗器、电阻退出。

5.2.3. “软并网”方式：

在发电机与系统之间串双向可控硅，并网时通过调节可控硅的导通角使电机平稳并网。可电机在联网和大、小电机切换(异步电机变极运行)时的瞬变冲击电流。图11示意了软切入装置的系统框图。

图11：软切入装置的系统框图

5.2.4. 准同期并网方式：

发电机转速接近同步速时,先用电容激磁，建立额定电压，然后对已激磁建压的发电机的电压和频率进行调整。使其与电网系统一致再并网。缺点：需高精度的调速器和整步、同期设备。

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5.3. 交—直—交并网联接方式：

该方法首先将发电机发出的交流电变成直流电，再经逆变器变换成与电力系统频率同步的交流电。(参见前节变速运行风力发电机所述)

根据整流器输出直流电压的高低，可分两种并网方式：

1) 对整流器输出直流电压低的情况，一台发电机用一台逆变器，再升压并网，

如图12所示；

2) 对整流器输出直流电压高的情况，所有发电机共用一台逆变器，再升压并网，如图

13所示。

图12:一台发电机用一台逆变器

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图13:所有发电机共用一台逆变器

5.4. 风力发电机的变电站的布置：

风力发电机单机容量小，出口电压低(异步发电机的出口电压为400~690V)，为降低电力在传输过程中的损耗，需要用升压器对电压升压，然后在传输并网。

1) 一个风力发电机与一个升压器相联，再通过升压器与电网相联。

2) 所有风力发电机与一个升压器相联，再通过升压器与电网相联。

3) 根据具体情况，将风力发电场划分为几个发电单元，每个发电单元包括几台

距离相近的风力发电机和一台升压器，再通过升压器与电网相联。图14 示意了此种配置情况。

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图14 发电单元结构示意图

6. 风力发电场：

风力发电场应包括：多台风力机，多台变压设备，输电线路，信号传输网络，集控室等部分。风力机机组左右之间的距离≥4~5倍的风轮直径，机组的前后之间的距离≥8倍的风轮直径。

7. 风力机发展方向：

综上所述，单从技术的角度可总结出风力发电机发展的几个方向：

1) 发展大功率风力机；

2) 功率调节为变浆距调节；

3) 发电机采用变速运行发电机；

4) 采用柔性结构(柔性叶片、柔性塔架)降低材料消耗。

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风速模型桨距角控制器页脚 风力机模型风力机转速控制器.

发电机模型和变频器模型电网保护系统电压控制器