小型风力发电机认知Word下载.docx

1、目前，我国政府也开始助推大型风电技术的发展，并出台一系列政策引导产业发展。大型风电技术都是为大型风力发电机组研发的，而大型风力发电机组的应用区域对环境的要求十分严格，都是应用在风能资源丰富的资源有限的风场上，常年接受各 图1-22 大型风力发电场种各样恶劣的环境考验。环境的复杂多变性，使其对技术的高度要求直线上升。目前国内大型风电技术普遍还不成熟，大型风电的核心技术仍然依靠国外，此外，大型风电技术中发电并网的技术还在完善，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。如图1-22所示。（2）中小型风电技术在20世纪70年代，中小型风电技术在我国风况资源较好的内蒙古、新疆一带就已经得到了发展。最初中小

2、型风电技术被广泛应用在送电到乡的项目中为一家一户的农牧民家用供电，随着技术更新的不断完善与发展，不仅能单独应用还能与光电互补被广泛应用于分布式独立供电。这些年来，随着我国中小型风电设备出口的稳步提升，在国际上，我国的中小型风电技术和风 图1-23 小型风力发电站光互补技术已跃居国际领先地位。如图1-23所示。中小型风电技术的成熟受自然资源限制相对较小，作为分布式独立发电效果显著，不仅可以并网，而且还能结合光电形成更稳定可靠的风光互补发电系统，况且技术完全自主国产化，无论是技术还是价格在国际上都十分具有竞争优势。目前，国内中小型风电技术中的低风速启动、低风速发电、变桨距、多重保护等一系列技术得到

3、国际市场的瞩目和国际客户的一致认可，已处于国际领先地位。况且中小型风电技术最终是为满足分布式独立供电的终端市场，而非如大型风电技术是满足发电并网的国内垄断性市场，技术的更新速度必须适应广阔而快速发展的市场需求。2风力发电的优势风能是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，可因地制宜地利用风力发电。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。每装一台单机容量为1MW的风能发电机，每年可以减排2000t二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、lOt二氧化硫、6t二氧化氮。风能产生1MWH的电量可以减少0.80.9t的

4、温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量。而且风机不会危害鸟类和其他野生动物。在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种高效清洁的新能源有着巨大的发展潜力。如图1-24所示。图1-24 风力发电与配电示意图风力发电，是面向未来最清洁能源之一。兆瓦级全功率风力发电变流器，是为风力发电机与电网之间建立的桥梁和纽带，它是一种将多变的风力电能变换成稳定的电能馈人电网的装置。随着大型风力发电机技术的成熟和产品商品化的进程，风力发电成本在逐年降低。风力发电不消耗资源、不污染环境，具有广阔的发展前景，建设周期一般很短，一台风机的运输安装时间不超过3个月，万千瓦级风电场建设期不到一年，而且

5、安装一台可投产一台；装机规模灵活，可根据资金多少来确定，为筹集资金带来便利；运行简单，可完全做到无人值守；实际占地少，机组与监控、变电等建筑仅占风电场约1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用；对土地要求低，在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设，在发电方式上还有多样化的特点，既可联网运行，也可和柴油发电机等集成互补系统或独立运行，这对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可能性。由于风电市场的扩大、风电机组产量和单机容量的增加及技术上的进步，使风电机组每千瓦的生产成本在过去近20年中稳定下降。以美国为例，风力发电的成本降低了80%。20世纪80年代安装第一批风力发电机时，每发lkWh电

6、的成本为30美分，而现在只需4美分。另外，由于风电机组设计和工艺的改进（如叶片翼型改进等），性能和可靠性提高，加上塔架高度增加及风场选址评估方法的改进等，使风电机组的发电能力有相当大的增长，每平方米叶轮扫过面积的年发电量从20世纪80年代初期的400500kW.h，提高到目前的lOOOkW .h以上。一台标准的600kW风力发电机，当各种条件都是最佳状态时，每年可发电约2000万kWh，即每平方米叶轮扫过面积的年发电量可达14001500kW .h。目前风电场的容量系数（即一年的实际发电量除以装机额定功率与一年8760小时的乘积）一般为0.250.35。从风电场的造价方面来看，中国风电场的造价

7、比欧洲高，基本上是欧洲5年前的水平，平均造价为8500元千瓦左右，建设一座装机10万千瓦的风电场，成本大约在810亿元，而同样规模的火电厂成本约为5亿元，水电站为7亿元。当然，独立运行的非并网风电系统，由于需要蓄电池和逆变器等，同时容量系数较小，所以发电成本比并网型机组要高。从技术层面上来看，风电发展也经历了波折的历程。1887年，美国人CharlesF. Brush建造了第一台风力发电机组，叶片多达144个。此后，人们又经过一百多年艰辛的探索，多种技术经革新和市场应用的考验，才统一成今天的上风向、水平轴、三叶片、管式塔风力机。同时，每个时期的风电技术都有自身的历史局限性。例如，早在1941年

8、，美国的Smith -Putnam风力机就装备了液压变桨距系统，但受制于当时的技术水平，装置庞大、笨重、复杂。定桨距的Gedser风力机采用失速控制，叶尖有气动刹车装置，成为风电技术史的一座里程碑。而到了今天，MW级大型风力机广泛采用大叶片，因所承受的气动推力大，对生产工艺要求很高，变桨距技术又成为技术主流。而相关领域技术上的突破，又会推动风电技术不断向前发展。如全功率逆变器曾因复杂、不可靠等因素让人望而却步，而大功率IGBT/IGCT的成熟和多电平技术的完善，使之在技术上完全成为可能。风电技术日趋成熟，产品质量可靠，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源，风力发电的经济性日益提高，发电

9、成本已接近煤电，低于油电与核电，若计及煤电的环境保护与交通运输的间接投资，则风电经济性将优于煤电。对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以到达的农村、边疆来说，可作为解决生产和生活能源的一种有效途径。3风力发电机系统构成把风的动能转变成机槭能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电技术是一项多学科、可持续发展、绿色环保的综合技术。风力发电所需要的装置称为风力发电机组。风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分将风能转换为机械能；发电机部分将机械能转换为电能。根据风力发电机组这两大部分采用的不同结构类型及它们分别采用技术的不同特征和不同组合，风力

10、发电机组可以有多种多样的分类。风力发电机组主要由风轮、传动与变速机构、发电机、塔架、迎风及限速机构组成。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网，向电网馈电；小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来（一般用蓄电池），需要时再提供给负载（可直流供电，也可用逆变器变换为交流供给用户）。如图1-25所示。图1-25 风力发电原理示意图（1）风轮风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向桨叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、质量小，目前多用玻璃钢或其他复合材料（如碳纤维）来制造。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具

11、有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风的吹动下，风轮转动起来，使空气动力能转变发电机轴旋转，带动三相发电机发出三相交流电。（2）调向机构调向机构是用来调整风力发电机的风轮叶片与空气流动方向相对位置的机构，其功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。因为当风轮叶片旋转平面与气流方向垂直时，也即是迎着风向时，风力发电机从流动的空气中获取的能量最大，因而风力发电机的输出功率最大，所以调向机构又称为迎风机构（国外通称偏航系统）。小型水平轴风力机常用的调向机构有尾舵和尾车，在风电场中并网运行的中大型风力机则采用伺服电动机构。（3）发电机在风

12、力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。容量在lOkW以下的小型风力发电机组，采用永磁式或自励式交流发电机，经整流后向负载供电及向蓄电池充电；容量在1OOkW以上的并网运行的风力发电机组，则采用同步发电机或异步发电机。恒速同步发电机的优点是，通过励磁系统可控制发电机的电压和无功功率，发电机效率高。同步发电机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，风力机必须装有良好的变桨距调节机构

13、。恒速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。（4）升速齿轮箱由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的变速齿轮箱，再加一个调速机构使转速保持稳走，然后再连接到发电机上。升速齿轮箱的作用是将风力机轴上的低速旋转输入转变为高速旋转输出，以便与发电机运转所需要的转速相匹配。（5）塔架塔架是支承风轮、尾舵和

14、发电机的构架。它一般比较高，以捕捉更多的风能，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在620m范围内。塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。（6）控制系统lOOkW以上的中型风力发电机组及1MW以上的大型风力发电机组皆配有由计算机或可编程控制器（ PLC）组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。控制系统主要功能如下： 按预先设定的风速值（一般为34m/s）自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并入电网。借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括

15、风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流及齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。当风速大于最大运行速度（一般设定为25m/s）时实现自动停机。故障保护。通过调制解调器与上位机连接。风力发电系统还设计有电磁制动、变桨距等多种转速控制技术及手动刹车系统，机械制动与电磁停车共同作用以保障系统安全运行。小型风力发电机不采用大型机的方法自动并网，而且使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不可能直接被负载利用，这就出现了储能环节，以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流电变成

16、直流电向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。多年的风力发电机运行表明，风力发电机的逆变器所要着重解决的是可靠性及寿命，而不是技术性能指标。风力发电机用的逆变器所面临的负载不像一般通信和计算机设备，它必须能保证常年不断地使用，又要承受风速、负载变化的冲击。目前小型风力发电机用逆变器虽已比较完善，但是在实际应用中仍然存在一些技术难题。目前最好的小型风力发电机只保留了三个运动部件（运动部件越少越可靠已是大家的共识），一是风轮驱动发电机主轴旋转，二是尾翼驱动风机的机头偏航，三是为大风限速保护而设的运动部件。前两个运动部件是不可缺

17、少的，这也是风力发电机的基础，实践中这两个运动部件故障率并不高，主要是限速保护机构损坏的情况多。要彻底解决小型风力发电机的可靠性问题必须在限速方式上有最好的解决方法。（二）风力发电机简介在风力发电系统中，最主要的部件是风力机和发电机。根据风力发电机收集风能的结构形式、在空间的布置、风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。1水平轴风力发电机现代的风力机大多数是水平轴风力机，水平轴风力机主要由叶片与轮毂、机舱与塔架构成。常见的风力机有三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑，如图1-26所示。 图1-

18、26 水平轴风力发电机示意图（1）风力机的叶片数目风轮除了三叶片的还有双叶片的，甚至单叶片的。也有4叶、5叶、6叶的，在许多农用风力机中采用多叶片结构的风轮。如图1-27所示。图1-27 风力机叶片水平轴风力发电机叶片如图1-28所示 图1-28 水平轴风力发电机叶片（2）风力机的对风形式风轮轴线的安装位置与水平面夹角不大于15的风力机称为水平轴风力发电机。水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。水平轴风力发电机，风轮围绕一个水平轴转动，需要有调向装置来保持风轮迎风。水平轴机组按风轮与塔架相

19、对位置分为上风向与下风向。如图1-29所示。 图1-29 水平轴风力发电机对风形式 上风（迎风）向机组风轮在塔架的前面迎风旋转。上风向机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风。 下风（顺风）向机组风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮。下风向机组能够自动对准风向，从而免去了调向装置。但是由于塔架干扰了流过叶片的气流而形成塔影效应，影响了风力机 的效率，使性能下降。水平轴风力发电机可以是升力装置（即升力驱动风轮），也可以是阻力装置（即阻力驱动风轮）。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，对于小型风力发电机，一般采用尾舵；而对大型风力发电机，则利用对风敏感元件。（3）机舱内的主要设备在发电机的机舱里

20、主要有主轴承、齿轮箱、发电机、偏航装置、风向标、控制柜等，发电机是风力机产生电能的设备，由于发电机转速高，风轮转速低，风轮需通过齿轮箱增加转速后才能使发电机以正常转速工作；控制柜控制风力机的对风、风轮转速等；风向标测量风向发出信号给控制柜；偏航装置按控制柜的信号推动风力机进行对风。如图1-30所示。总之，水平轴风力发电机一般由风轮增速器、调速器、调向装置、发电机和塔架等部 图1-30 机舱的主要设备件组成，大中型风力机还有自动控制系统。这种风力发电机的功率从几十千瓦到数兆瓦，是目前最具有实际开发价值的风力发电机。水平轴风力机有传统风车、低速风力机及高速风力机3大类型。水平轴风力发电机的主要技术

21、指标参数如下。风轮直径：通常风力机的功率越大，直径越大。叶片数目：高速发电用风力机为24片，低速风力机大于4片。叶片材料：现代风力机叶片采用高强度低密度的复合材料。风能利用系数：一般为0.150.5。启动风速：一般为35m/s。停机风速：通常为1535m/s。输出功率：现代风力机一般为几百千瓦到几兆瓦。发电机：分为直流发电机和交流发电机。塔架高度。水平轴风力机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮；有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本；还有的水平轴风力机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。2垂直轴风力机垂直轴风力发电机旋转不受风向的影响，无需对风调向控制系

22、统，结构更简单，发电效率比水平旋转（现有）提高1.8%；固定式发电机工作避免了绞线；发电机可以安装在塔架下部，操作维护方便；工作时无噪音， 是一种静音风力发电机；垂直轴风力发电机主要用于独立发电系统或风光互补发电系统。如图1-31所示。图1-31 垂直轴风力发电系统原理示意图（1）垂直轴风力发电机的主要类型垂直轴风力发电机组的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行。和水平轴风力发电机组相比，发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维护，而且不需要迎风装置，简化了结构。垂直轴风力发电机组可分为两个主要类型，一类称为阻力型，另一类称为升力型。阻力型风力发电机主要是利用空气流过叶片

23、产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。 阻力型垂直轴风力发电机杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风力机。Lafond风力机是受到离心式风扇和水利机械中的涡轮启发设计而成的一种阻力推进型的垂直轴风力机，它是由法国工程师Lafond发明的。典型的阻力型垂直轴风力发电机组是芬兰工程师萨窝纽斯在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型风力发电机组，选用的是S型风轮。它由两个半圆筒形叶片组成，两圆筒的轴线相互错开一段距离。其优点是起动转矩较大,启动性能良好

24、，但是它的转速低，风力发电机组风能利用系数低于水平轴风力发电机组，并且在运行中围绕着风轮会产生不对称气流，从而产生侧向推力。特别是对于较大型的风力发电机组，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。萨窝纽斯型风力发电机组的尖速比不可能大于1，所以它的转速低，风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力发电机组，缺乏市场竞争力。阻力型风力机的典型代表是S型风轮。 升力型垂直轴风力发电机升力型垂直轴风力发电机组利用翼型的升力做功，最典型的是由法国工程师达里厄发明的达里厄型风力发电机组，他于1931年获得专利，但一直未被重视。20世纪后期，经加拿大国家空气动力实验室和美国Sandia

25、实验室进行了大量的试验研究，结果认为与所有垂直轴风力发电机组相比，该机的风能利用系数最高。根据叶片的形状，达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多为对称翼形。弯叶片（型）主要是使叶片只承受张力，不承受离心力，但其几何形状固定不变，不便采用变桨距方法控制转速，且弯叶 图1-32 垂直轴风力机片制造成本比直叶片高。直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑，以防止离心力引起过大的弯曲应力，但这些支撑会产生气动阻力，降低效率。如图1-32所示，达里厄型风力发电机组有多种形式，H型，型，形，Y型和型等，其中以H型和型风力发电机组最为典型。达里厄型风力发电机组的转速较高，旋转惯性大，结构相对简

26、单，成本较低，适合大型风力发电机组。但达里厄型风力发电机组一般都启动转矩小，启动性能差，必须靠其他动力启动，达到要求的转速才能正常运行，并且风能利用率低。这种风力发电机组大都需要具有启动机构和离合器等，这样就增加了系统结构的复杂性,提高了成本。型风力机自启动性能很差，因此限制其在垂直轴风力机的应用；H型风机具有自启动能力，低速时性能良好，高风速时承受较大弯矩，较难实现大型化，在小型风力发电机中应用较为广泛，小型垂直型风力发电机也是最近几年研究的热点。（2）工作原理垂直轴风力发电机（S型）工作原理垂直轴风力发电机（S型）,是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。利用风力发电，向

27、蓄电池充电蓄存电能。垂直轴风力发电机采用的永磁悬浮技术两用型风机的专利技术，采用低风速启动，无噪音，堪称无声风力发电机。比同类型风力发电机效率高于10-30%。它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电。如图1-33所示。 图1-33 S型型组合叶片式 图1-34 旋翼式（H型）H型垂直轴风力发电机的技术原理该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永

28、磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。如图1-34所示。（3）垂直轴风力发电机的特点： 安全性。采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决； 噪音。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度； 抗风能力。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风；回转半径。由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；发电曲线特性。启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5

29、8米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%30%；利用风速范围。采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.525m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；刹车装置。可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；运行维护。采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。（4）垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机参数对比（见表1-4）风能的利用离不开风力发电机，目前风力发电机有两种形式：1 水平轴风力发电机（大、中、小型）；2 垂直轴风力发电机（大、中、小型）。水平轴风力发电机技术发展的比较快，在世界各地人们已经很早就认识了，大型的水平轴风力发电机已经可以做到35兆瓦，应用技术也趋于成熟。小型水平轴风力发电机的额定转速一般在500-800r/min，转速高，产生的噪音大，启动风速一般在3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适宜在有人居住或经过的地方安装。垂直