風(fēng)力發(fā)電原理及生產(chǎn)過(guò)程

1、風(fēng) 能發(fā)電的主要形式有三種： 一是獨(dú)立運(yùn)行；二是風(fēng)力發(fā)電與其他發(fā)電方式 （如柴油機(jī)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(jī)容量大、發(fā)展?jié)摿Υ?，故本文所指的風(fēng)電，未經(jīng)特別說(shuō)明，均指并網(wǎng)發(fā)電。1、小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨(dú)立使用，單臺(tái)裝機(jī)容量約為100瓦-5千瓦，通常不超過(guò)10千瓦。它的構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+充電器+數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī) 由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來(lái)接受風(fēng)力并通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終 對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功 能；機(jī)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(jī)輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對(duì)蓄電瓶充電， 使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生 的電能變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)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(guó)、丹麥、西班牙等國(guó)家的企業(yè)開(kāi)發(fā)建立了評(píng)估風(fēng)力資源的測(cè)量及計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)， 發(fā)展變槳距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)理論，采用新型風(fēng)力機(jī)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(jī)，開(kāi)發(fā)了由微機(jī)控制的單臺(tái)及多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的機(jī)群的自動(dòng)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(jī)單機(jī)裝機(jī)容量可以達(dá)到600千瓦以上

3、。不少國(guó)家建立了眾多的中型及大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)了與大電網(wǎng)的對(duì)接。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)包括葉片、輪轂（與葉片合稱葉輪）、機(jī)艙罩、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、塔架、基座、控制系統(tǒng)、制動(dòng)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(guò)葉片時(shí)，由于空氣動(dòng)力的效應(yīng)帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪透 過(guò)主軸連結(jié)齒輪箱，經(jīng)過(guò)齒輪箱（或增速機(jī)）加速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 目前也有廠商推出無(wú)齒 輪箱式機(jī)組，可降低震動(dòng)、噪音，提高發(fā)電效率，但成本相對(duì)較高。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)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(guò)機(jī)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(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速約為2.5-4米/秒，于風(fēng)速12-15米/秒時(shí)達(dá)到額定的輸出容量。當(dāng)風(fēng)速更高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定 容量左右，為避免過(guò)高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多于風(fēng)速達(dá) 20-25米/秒范圍內(nèi)停機(jī)。一般采 用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來(lái)調(diào)節(jié)葉片之氣動(dòng)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(jìn)行發(fā)電。但在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)評(píng)估時(shí)，通常要求離地 10米高 的年平均風(fēng)速達(dá)到 5-5.5米/秒以上。1 / 29風(fēng)機(jī)葉片從風(fēng)的流動(dòng)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(huì)影響到風(fēng)機(jī)的輸出。一般來(lái)說(shuō)，2葉、3葉風(fēng)機(jī)效率較高，力矩較低，適用于發(fā)電。此外?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)的葉片多采用機(jī)翼的翼 型。近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改進(jìn)的主要方向是降低制造成本、提高單機(jī)容量、提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、自動(dòng)控制等。主流風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)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(guó)內(nèi)單機(jī)容量 750-2000千瓦的機(jī)組最受歡迎。國(guó)外正在開(kāi)發(fā)、應(yīng)用 的機(jī)組單機(jī)容量是 3000-5000千瓦。2003年，德國(guó)Enercon公司安裝了第一臺(tái) 4500千瓦的 風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。目前商用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)

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(jī)械能，它由氣動(dòng)性能 優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為2-3個(gè)葉片）裝在輪轂上所組成，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)。 上述這些部件都安裝在機(jī)艙平面上，整個(gè)機(jī)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(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪咬合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)。風(fēng)電機(jī)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(dòng)，改變?nèi)~片氣動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)；整臺(tái)機(jī)組由電控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視與控制，

7、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作管理。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要包括水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。其中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)、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(jī)械能，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)輪通過(guò)傳動(dòng)系 統(tǒng)由增速齒輪箱增速， 將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)。 整個(gè)機(jī)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(cè)得的風(fēng)向信號(hào)，由控制 器控制偏航電機(jī)，驅(qū)動(dòng)與塔架上大齒輪嚙合的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)艙始終對(duì)風(fēng)。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)（簡(jiǎn)稱風(fēng)電場(chǎng)），是將多臺(tái)大型并網(wǎng)式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在風(fēng)能資源好的場(chǎng)地， 按照地形和主風(fēng)向

8、排成陣列，組成機(jī)群向電網(wǎng)供電。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(chǎng)于20世紀(jì)80年代初在美國(guó)的加利福尼亞州興起， 目前世界上最大的風(fēng)電場(chǎng)是洛杉磯附近的特哈查比風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)容量超過(guò)50萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量為14億千瓦 時(shí)，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(diǎn)：第一，建造風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的費(fèi)用低廉，比水力發(fā)電廠、 火力發(fā)電廠或核電站的建造費(fèi)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(méi)有其他任何消耗； 第三，風(fēng)力是一種潔凈的自然能源，沒(méi)有煤電、油電與核電所伴生的環(huán)境污染問(wèn)題。制造風(fēng)能機(jī)械，利用風(fēng)力發(fā)電

9、是風(fēng)能利用的兩項(xiàng)主要內(nèi)容。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是一種把風(fēng)能變2 / 29成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化裝置。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)或多個(gè)葉片組成，安裝在機(jī)頭上，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 的主要部件。(2)機(jī)頭。機(jī)頭是支承風(fēng)輪軸和上部構(gòu)件(如發(fā)電機(jī)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(dòng)。(3)機(jī)尾。機(jī)尾裝于機(jī)頭之后，它的作用是保證在風(fēng)向變化時(shí)，使風(fēng)輪正對(duì)風(fēng)向。(4)回轉(zhuǎn)體?；剞D(zhuǎn)體位于機(jī)頭底盤和塔架之間，在機(jī)尾力矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。(5)塔架。塔架是支撐風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)本體的構(gòu)架，它把風(fēng)力發(fā)動(dòng)

10、機(jī)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(dòng)機(jī)分為少葉式和多葉式兩種。少葉式有24個(gè)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(diǎn)；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(jī)的原動(dòng)機(jī)。其缺點(diǎn)是啟動(dòng)較為困難。多葉式一般有4-24個(gè)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(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，因此利用率較高。由于轉(zhuǎn)速低，多用于直接驅(qū)動(dòng)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)輪與紙風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)時(shí)能產(chǎn)生向上的合力，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪很快地轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于功率較大的

11、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)， 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是很低的，而與之聯(lián)合工作的機(jī)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(jī)械的工作轉(zhuǎn)速。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)只有當(dāng)風(fēng)垂直地吹向風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)面 時(shí)，才能發(fā)出最大功率來(lái)，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(shí)， 保證風(fēng)輪跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)對(duì)淮風(fēng)向，這就是機(jī)尾的作用。風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是多種工作機(jī)械的 原動(dòng)機(jī)。利用它帶動(dòng)水泵和水車，就是風(fēng)力提水機(jī)；帶動(dòng)碾米機(jī)，就是風(fēng)力碾米機(jī)；此 類機(jī)械統(tǒng)稱為風(fēng)能的直接利用裝置。帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的就叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它們均由兩大部分 組成，一部分是風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)本體和附件，是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置；另一部分是電 氣部分，包括發(fā)電機(jī)及電氣裝置，把機(jī)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(jī)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(jiǎn)單，搬運(yùn)方便的優(yōu)點(diǎn)。 按風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)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(gè)重要的問(wèn)題。特別是對(duì)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(lái)決定。有了蓄能裝置，在有風(fēng)的時(shí)候， 把多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；在無(wú)風(fēng)時(shí)，輸出應(yīng)用。各種蓄能方式的研究是風(fēng)能利用的一個(gè) 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(píng)估與預(yù)測(cè)，風(fēng)力發(fā)電裝備制造技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組測(cè)試、近海風(fēng)電技術(shù)、風(fēng)電對(duì)公共電網(wǎng)的影響等幾個(gè)方面。1,能資源的評(píng)估與預(yù)測(cè)國(guó)外已經(jīng)對(duì)風(fēng)能資

13、源的測(cè)試與評(píng)估開(kāi)發(fā)出許多的測(cè)試設(shè)備和評(píng)估軟件，在風(fēng)電場(chǎng)選址，特別是微觀選址方面已經(jīng)開(kāi)發(fā)了商業(yè)化軟件。如丹麥RIS國(guó)家研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的用于風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的資源分析工具軟件 WASP ；美國(guó)TureWind Solutions公司開(kāi)發(fā)的 MesoMap和Sitewind 風(fēng)能資源評(píng)估系統(tǒng)等。在風(fēng)電機(jī)組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也開(kāi)發(fā)出了成熟的軟件。國(guó)外還對(duì)風(fēng)力機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)的短期及長(zhǎng)期發(fā)電預(yù)測(cè)作了很多研究，精確度可達(dá)90%以上。2.風(fēng)力發(fā)電裝配制造技術(shù)1）單機(jī)容量繼續(xù)穩(wěn)步上升20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的舊式機(jī)組單機(jī)容量?jī)H為20KW 60KW。單機(jī)容量增大后的直接好處是能以數(shù)目較少的風(fēng)電機(jī)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(jī)容量最大的風(fēng)電機(jī)組是由德國(guó)Repower公司生產(chǎn)的，容量為 5MW ,葉輪直徑達(dá)130m ,安裝在120m 高的塔架上，預(yù)計(jì) 2010年將開(kāi)發(fā)出10MW 的風(fēng)電機(jī)組。對(duì)容量在2MW 以上的機(jī)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(guò)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(diǎn)是葉片與輪轂之間沒(méi)有活動(dòng)部件，不需要復(fù)雜的控制程序，在失 速過(guò)程中功率波動(dòng)??；其缺點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能的限制，啟動(dòng)風(fēng)速較高，在風(fēng)速超過(guò)額 定值時(shí)發(fā)電功率有所下降，同時(shí)需要葉間剎車裝置，機(jī)組動(dòng)態(tài)負(fù)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(diǎn)是機(jī)組啟動(dòng)性能好，輸出功率穩(wěn)定，機(jī)組結(jié)構(gòu)受力小，停機(jī)方便安全；缺點(diǎn)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(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行要求。從目前市場(chǎng)情況看，采用變 槳距調(diào)節(jié)的風(fēng)電極組較多。3）無(wú)齒輪箱系統(tǒng)的市場(chǎng)份額迅速擴(kuò)大齒輪傳動(dòng)不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪音，更是造成機(jī)械故障的主要原因，而且為減少機(jī)械磨損需要潤(rùn)滑清洗等定期維護(hù)。采用無(wú)齒輪箱的直驅(qū)方式雖然提高了電機(jī)的設(shè)計(jì)成本，但卻有效的提高了系統(tǒng)的效率及運(yùn)行可靠性。在德國(guó)2004年所安裝的風(fēng)電機(jī)

16、組中，就有40.9%采用了無(wú)齒輪箱系統(tǒng)。.風(fēng)電機(jī)組測(cè)試技術(shù)德國(guó)、丹麥、荷蘭、美國(guó)、希臘等國(guó)家對(duì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)都做過(guò)很多研究，制定 了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，建立了認(rèn)證體系，并都有自己的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其他國(guó)家的產(chǎn)品只有通過(guò)其檢測(cè)才 能進(jìn)入。我國(guó)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的測(cè)試技術(shù)做過(guò)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(gè)國(guó)或地區(qū)電網(wǎng)的電量，主要取決于電力系統(tǒng)對(duì)供電波動(dòng)反應(yīng)的能力。變化不定的風(fēng)力給電網(wǎng)帶來(lái)的問(wèn)題，遠(yuǎn)比懷疑論者估計(jì)的低。很多涉及到現(xiàn)代歐洲電網(wǎng)系統(tǒng)的評(píng)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(wèn)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(jìn)一步研究。風(fēng)

17、電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(duì)風(fēng)速變化、成本、環(huán)境以及穩(wěn)定運(yùn)行等各方面的要求。其主要趨勢(shì)包括以下幾個(gè)方面：.主要發(fā)展水平軸風(fēng)力機(jī)5 / 29垂直軸的主要優(yōu)點(diǎn)是全風(fēng)向、變速裝置及發(fā)電機(jī)可以置于地面，但其主要缺點(diǎn)是軸距過(guò)長(zhǎng)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率不高。目前主流風(fēng)力機(jī)都采用水平軸設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，傳動(dòng)軸距短。對(duì)大型風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)經(jīng)濟(jì)性更好。其缺點(diǎn)是需要根據(jù)風(fēng)向調(diào)節(jié)機(jī)艙的位置，需要有對(duì)風(fēng)裝置。同時(shí)由于變速裝置及發(fā)電機(jī)布置在塔架頂端，增加了塔架的投資和安裝維護(hù)的難度。.從風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)方式目前從風(fēng)輪到發(fā)電機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)方式主要有三種：

18、一種是通過(guò)齒輪箱多級(jí)變速驅(qū)動(dòng)雙饋異步電機(jī)，簡(jiǎn)稱雙饋式，這是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。第二種是風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)多級(jí)同步發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)稱為直驅(qū)式。直驅(qū)式風(fēng)機(jī)具有節(jié)約投資，減少傳動(dòng)鏈損失和停機(jī)時(shí)間，以及維護(hù)費(fèi)用低，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上正占有越來(lái)越大的份額。但直驅(qū)發(fā)電機(jī)體積大而笨重。第三種是單級(jí)增速裝置加多級(jí)發(fā)電機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)稱為混合式。混合式單級(jí)增速裝置以提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，但速度低于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速，同時(shí)配以類似于直驅(qū)發(fā)電機(jī)的多級(jí)電機(jī)。該裝置介于 純變速裝置驅(qū)動(dòng)和直驅(qū)之間，旨在融合兩者的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)。.變槳距調(diào)節(jié)方式迅速取代失速調(diào)節(jié)從目前市場(chǎng)情況來(lái)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(diǎn)在前面已有了較詳細(xì)的論述。除此之外，改善聲學(xué)特性，改善空氣動(dòng)力學(xué)特性，改善軸傳動(dòng)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(yùn)行要求等也是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。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(guò)槳葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，由于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大多比較低，需要用齒輪箱將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高到發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速附近，再經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,電力電子變流器將發(fā)電機(jī)輸出的電能轉(zhuǎn)換為合適幅值或頻率的電壓、電流，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)變壓器升壓后接入大電網(wǎng)。對(duì)于目前出現(xiàn)的一些低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，圖中的齒輪箱可以省去。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、功率等運(yùn)行狀態(tài)的控制可以通過(guò)改變風(fēng)機(jī)槳葉的節(jié)距角實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)電力電子變流器來(lái)調(diào)

20、節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁力矩完成。對(duì)于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，通過(guò)電力電子變流器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁力矩的方法更方便，可以省掉變槳距機(jī)構(gòu)，減小6 / 29系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的難度。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的兩個(gè)主要部件是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)和發(fā)電機(jī)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(shì)，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(xiàng)技術(shù)同時(shí)也是風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵核心技術(shù)。一、風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)a）風(fēng)力機(jī)的特性曲線風(fēng)力機(jī)通過(guò)葉輪捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。由空氣動(dòng)力學(xué)特性可知，通過(guò)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(gè)風(fēng)能利用系數(shù)Cp：式

21、中：t時(shí)間內(nèi)葉輪吸收的風(fēng)能；t時(shí)間內(nèi)通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能；單位時(shí)間內(nèi)葉輪吸收且轉(zhuǎn)換的機(jī)械能，即風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率；單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)葉輪掃掠面的風(fēng)能，即風(fēng)力機(jī)的輸入功率。對(duì)一臺(tái)實(shí)際的風(fēng)力機(jī)，其捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率的表達(dá)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(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，是一個(gè)與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪直徑均有關(guān)系的量。風(fēng)力機(jī)的儲(chǔ)的功率特性通常用風(fēng)能利用系數(shù)（葉尖速比）曲線來(lái)表示，如圖 3所示。儲(chǔ)的功率發(fā)電機(jī)I】門六二十電機(jī)轉(zhuǎn)速X同步轉(zhuǎn)速血?jiǎng)訖C(jī)圖4異步電機(jī)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(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后在電機(jī)機(jī)械特性 曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，如圖4所示，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。 當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā) 電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí)， 發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。 運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生改 變。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速 3%5%時(shí)達(dá)到最大值，若超過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)速， 異步發(fā)電機(jī)進(jìn)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(xiǎn)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(jī)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(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行的重要優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越引起人們的重

23、視。從風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行原理可知，這就要求風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的運(yùn)行效率。自上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)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(jí)以上大容量風(fēng)電系統(tǒng)，因?yàn)榇藭r(shí)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(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)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(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻的，有的

24、是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。這些系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)， 可以適用于各種不同場(chǎng)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(duì)各種電機(jī)系統(tǒng)加以簡(jiǎn)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(jī)的定子電路中實(shí)現(xiàn)的。由于風(fēng)速的不斷變化， 風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)也隨之變速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率。發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電首先通過(guò)三 相橋式整流器整流成直流電， 再通過(guò)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(jī)系統(tǒng)的容量相同。這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響。 在此系統(tǒng)中可以采用的發(fā)電機(jī)有同步發(fā)電機(jī)、鼠籠型異步電機(jī)、繞線式異步電機(jī)

25、和永磁發(fā)電機(jī)等。而在這幾種發(fā)電機(jī)中，鼠籠型異步電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)最為常用，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單容易制造和維護(hù)，并且沒(méi)有滑環(huán)和電刷，勵(lì)磁方式也比較簡(jiǎn)單，尤其是永磁同步電機(jī)不需要外部勵(lì)磁。(2)磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)這種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)由一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的高頻交流發(fā)電機(jī)和一套電力電子變換電路組成。發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率，與普通同步電機(jī)不同的是，它不用直流電勵(lì)磁，而是用頻率為的低頻交流電勵(lì)磁(即為所要求的輸出頻率，一般為50Hz),當(dāng)頻率遠(yuǎn)低于頻率時(shí)， 發(fā)電機(jī)三個(gè)相繞組的輸出電壓波形將是由頻率為和的兩個(gè)分量組成的調(diào)幅波，這個(gè)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(gè)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(dòng)波。再通過(guò)晶閘管開(kāi)關(guān)電路使這個(gè)正弦脈動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)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(lì)磁電流的頻率和相位，正是這一特點(diǎn)使得磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)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(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：由于經(jīng)橋式整流器后得到的是正弦脈動(dòng)波，輸入晶閘管開(kāi)關(guān)電路后基本上是在波形過(guò)零 點(diǎn)時(shí)開(kāi)關(guān)換向。因而換向簡(jiǎn)單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。9 / 29晶閘管開(kāi)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(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的

27、輸出頻率在原理上與勵(lì)磁電流頻率相同，因而這種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行十分簡(jiǎn)單可靠。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)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(jī)要經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，不能利用通常形式的發(fā)電機(jī)。(3)交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)如圖5 (d)所示，采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電

28、能給電網(wǎng)；當(dāng) 時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)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(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 變化時(shí)，若控制變頻器勵(lì)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(shí)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(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)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?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，這樣變頻器的成本將會(huì)大大降低。這種采用交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減小變頻器

29、的容量外，在磁場(chǎng)定向矢量控制下還可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的靈活控制， 對(duì)電網(wǎng)而言可起到無(wú)功補(bǔ)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(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進(jìn)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(lì)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(guó)際上開(kāi)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(dòng)能力，結(jié)構(gòu)、控制方便，是一種實(shí)用的勵(lì)10 / 29磁變頻器。此外繞線式交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)還有滑環(huán)和電刷帶來(lái)的一些弊病，但仍然不失為一種能實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的機(jī)組。(4)無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)。其定子有兩套

30、極數(shù)不同的繞組，一個(gè)稱為功率繞組，直接接電網(wǎng)；另一個(gè)稱為控制繞組，通過(guò)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(gè)繞組極對(duì)數(shù)之和。這種無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)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(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)制有著本質(zhì)的區(qū)別，但卻可以通過(guò)同樣的控制策略實(shí)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(shí)現(xiàn)的，但流過(guò)定子控制繞組的功率僅為無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)總功率的一小部分，雙向變頻器的容量也僅為發(fā)電機(jī)容量的一小部分。同樣，這種采用無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)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(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的靈活控制，對(duì)電網(wǎng)而言可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔茫?同時(shí)發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有滑環(huán)和電刷，既降低了電機(jī)的成本， 又提高了系統(tǒng)運(yùn)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(jī)系統(tǒng)無(wú)刷爪極自勵(lì)發(fā)電機(jī)與一般同步電機(jī)的區(qū)別僅在于它的勵(lì)磁系統(tǒng)部分。其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機(jī)基本相同。由于爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對(duì)極的磁勢(shì)均來(lái)自一套共同的勵(lì)磁繞組，因此與一般同步發(fā)電機(jī)相比， 勵(lì)磁繞組所用的材料較省，所需的勵(lì)磁功率也較小。 對(duì)于一臺(tái)8極電機(jī)，在每極磁通及磁路磁密相同的條件下，爪極電機(jī)勵(lì)磁繞組所需的銅線及其所消耗的勵(lì)磁功率將不

32、到一般同步電機(jī)的一半，故具有較高的效率。另外無(wú)刷爪極電機(jī)與永磁電機(jī)一樣均系無(wú)刷結(jié)構(gòu)， 基本上不需要維護(hù)。 與永磁發(fā)電機(jī)相 比，無(wú)刷爪極發(fā)電機(jī)除了機(jī)械摩擦力矩外基本上沒(méi)有什么起動(dòng)阻力矩。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有很好的調(diào)節(jié)性能，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁可以很方便地控制它的輸出特性，并有可能使風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳11 / 29 葉尖速比運(yùn)行，得到最好的運(yùn)行效率。這種發(fā)電機(jī)非常適合用于千瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電裝置中。但該項(xiàng)技術(shù)的最大功率跟蹤(MPPT)尚處在研究階段。(6)開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是以開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換核心。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為雙凸極電機(jī)，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(wú)

33、繞組也無(wú)永磁體。由此帶來(lái)變換器及控制、驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)潔性。風(fēng)力機(jī)的功率特性有其自身的特點(diǎn)，為了使風(fēng)能捕獲的效果最佳，就必須使開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)能夠良好的配合，通過(guò)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的控制，使風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率負(fù)載線上， 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)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(diǎn)。 與傳統(tǒng)的有刷直流發(fā)電機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)相比，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有明顯的容錯(cuò)能力強(qiáng)、組合起動(dòng)與發(fā)電容易、適合高溫(250。C)和高速(30000r/min )環(huán)境運(yùn)行以及大容量、高效率、高功率密度運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)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(méi)有傳統(tǒng)電機(jī)的穩(wěn)定磁路工作點(diǎn)，而是

34、一個(gè)動(dòng)態(tài)三維磁空間。 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)沒(méi)有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，而是與集中嵌放的定子電樞合二為一，并通過(guò)控制器分時(shí)控制實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁與發(fā)電，因而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。同時(shí)，該發(fā)電機(jī)相繞組間無(wú)電耦合，其容錯(cuò)能力大大增強(qiáng)。另外，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠?？傊?，通過(guò)以上的對(duì)比分析，可知：如果將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)直接耦合，省去變速箱，這樣可以大大降低成本，減少維護(hù)，并且可以降低系統(tǒng)噪音，避免齒輪箱漏油的問(wèn)題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于室外高空狹小而封閉的機(jī)艙內(nèi)，通風(fēng)條件較差，而電機(jī)大多是密閉結(jié)構(gòu)，靠外殼故熱，因此要求發(fā)電機(jī)耐高溫性能好， 開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在這方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和無(wú)刷雙饋發(fā)電

35、機(jī)系統(tǒng)的變頻器容量?jī)H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(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可在亞同步和超同步狀態(tài)下運(yùn)行，因而具有更寬的風(fēng)速運(yùn)行范圍。 無(wú)刷雙饋電機(jī)省去了滑環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固可靠。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的條件下，通過(guò)控制勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流頻率來(lái)確保發(fā)電機(jī)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(shì)。這幾種變速恒頻系統(tǒng)的性能對(duì)比分析見(jiàn)表4所示。表4幾種變速恒頻方案的對(duì)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(diǎn)交一直一交系統(tǒng)Ml nJ鈣$較寬并屈無(wú)電流沖擊，發(fā)電機(jī)工作 頻率獨(dú)立磁場(chǎng)調(diào)制廢電機(jī)系統(tǒng)單1時(shí)輻鋰較窄系輟率較局，諧波成份少新勵(lì)碳胴黑電機(jī)系統(tǒng)眼揩寬有功，無(wú)功功率可靈活控制無(wú)刷雙微發(fā)電機(jī)系統(tǒng)雙向貢無(wú)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(jī)系統(tǒng)單N輻揩窄起動(dòng)阻力矩、h無(wú)秘護(hù)，調(diào) 節(jié)慚3好開(kāi)關(guān)詼陽(yáng)發(fā)電機(jī)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(jī)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(duì)圖5中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以簡(jiǎn)單說(shuō)

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(jī)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(jī)的上風(fēng)式、失速調(diào)節(jié)、三槳葉風(fēng)力機(jī)就是這種結(jié)構(gòu)。在八十年代這種結(jié)構(gòu)被擴(kuò)展，為補(bǔ)償無(wú)功功率使用了電容器組，為平滑并網(wǎng)使用了電機(jī)軟起動(dòng)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(jī)軟起動(dòng)器。低風(fēng)速區(qū)域”大小的變頻器的功率僅為發(fā)電機(jī)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(jī)額定功率的120%，但它能使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在所有風(fēng)速下變速運(yùn)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(jī)廠生產(chǎn)的名為“Optislip風(fēng)力機(jī)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(lái)改變總的轉(zhuǎn)子電阻，從而使轉(zhuǎn)差率有 10%的變化范圍。控制了轉(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(jī)，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(jī)額定功率的20-30%電力電子變換器，即可控制整個(gè)的發(fā)電機(jī)輸出功率。有兩個(gè)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(jì)。圖e這種個(gè)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(wú)齒輪箱，通過(guò)兩個(gè)或三個(gè)葉片的上風(fēng)式風(fēng)力機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)風(fēng)力機(jī)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(gè)新的設(shè)想：用多極3. 5MW永磁發(fā)電機(jī)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(gè)趨勢(shì)。圖f這種結(jié)構(gòu)使用多極的繞線式同步發(fā)電機(jī)。由于它使用的是多極發(fā)電機(jī)，所以它不需要齒輪箱。它是通過(guò)整流器從電機(jī)外部來(lái)勵(lì)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?jiǎng)?lì)磁電路；2）需要滑環(huán)；3）風(fēng)力機(jī)更加復(fù)雜的保護(hù)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?fù)涞陌l(fā)展現(xiàn)狀。風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程就是風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為

40、電能的過(guò)程，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，這一部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接影響著整個(gè)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(yùn)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(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)。目前國(guó) 內(nèi)對(duì)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(yáng)工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、 中國(guó)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(lái)發(fā)電呢？14 / 29我們把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能， 再把機(jī)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(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電

41、機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪（包括尾舵）、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(shí)，槳葉上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。槳葉的材料要求強(qiáng)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(lái)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(dòng)發(fā)電機(jī)之前， 還必須附加一個(gè)把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機(jī)上。為保持風(fēng)輪始終對(duì)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(gè)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(jī)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(qiáng)度。 鐵塔高度視地面障礙物對(duì)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(jī)的作用， 是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過(guò)升速傳遞給發(fā)電機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)轉(zhuǎn)，因而把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。多大的風(fēng)力才可以發(fā)電呢 ？一般說(shuō)來(lái)，3級(jí)風(fēng)就有利用的價(jià)值。但從經(jīng)濟(jì)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(cè)定，一臺(tái) 55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速每秒為9.5米時(shí)，機(jī)組的輸出功率為 55千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒 8米時(shí)，功率為38千瓦；風(fēng)速每秒為 6米時(shí)，只有16千瓦；而風(fēng)速為每秒 5米時(shí)，僅為9.5千瓦?？梢?jiàn)風(fēng)力愈大，經(jīng)濟(jì)效益也愈大?；驹砗筒考M成如

43、下：大部分風(fēng)電機(jī)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(zhǎng)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(jī)的背部。這是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)槿~片末端的轉(zhuǎn)速是撞擊風(fēng) 電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過(guò)去，并向葉片的根部移動(dòng)， 直至到轉(zhuǎn)子中心，你會(huì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)從很陡的角度進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子葉片需要 被設(shè)計(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)艙：機(jī)艙包容著風(fēng)電機(jī)

44、的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過(guò) 風(fēng)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是風(fēng)電機(jī)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。現(xiàn)代 600千瓦風(fēng)電機(jī)上，每個(gè) 轉(zhuǎn)子葉片的測(cè)量長(zhǎng)度大約為20米，而且被設(shè)計(jì)得很象飛機(jī)的機(jī)翼。軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機(jī)的低速軸上。低速軸：風(fēng)電機(jī)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(jī)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(lái)激發(fā)空氣動(dòng)力閘的運(yùn)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(jī)械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。它裝備有緊

45、急機(jī)械閘，用于空氣動(dòng)力閘失效時(shí)，或風(fēng)電機(jī)被維修時(shí)。發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。 在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)上，最大電力輸出通 常為500至1500千瓦。偏航裝置：借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對(duì)著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操 作，電子控制器可以通過(guò)風(fēng)向標(biāo)來(lái)感覺(jué)風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)電機(jī)偏航。通常，在 風(fēng)改變其方向時(shí)，風(fēng)電機(jī)一次只會(huì)偏轉(zhuǎn)幾度。電子控制器：包含一臺(tái)不斷監(jiān)控風(fēng)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)， 并控制偏航裝置。為防止 任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機(jī)的過(guò)熱），該控制器可以自動(dòng)停止風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)， 并通過(guò)電話調(diào)制解調(diào)器來(lái)呼叫風(fēng)電機(jī)操作員。液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)電機(jī)的空氣動(dòng)力閘。冷卻元件：包含一個(gè)風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機(jī)。此

46、外，它包含一個(gè)油冷卻元件，用 于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng)電機(jī)具有水冷發(fā)電機(jī)。塔：風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越16 / 29大。現(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機(jī)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(duì)于維修人員更為安全，因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^(guò)內(nèi)部的梯子 到達(dá)塔頂。格狀的塔的優(yōu)點(diǎn)在于它比較便宜。風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測(cè)量風(fēng)速及風(fēng)向。風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與你通?？吹降?， 電網(wǎng)上 的發(fā)電設(shè)備相比，有點(diǎn)不同。原因是，發(fā)電機(jī)需要在波動(dòng)的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。輸出電壓大型風(fēng)電機(jī)（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(guò)風(fēng) 電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至一萬(wàn)至三萬(wàn)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(jī)類型（用于世界大部分的電網(wǎng)），或60赫茲 類型（用于美國(guó)電網(wǎng)）。冷卻系統(tǒng)發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要冷卻。在大部分風(fēng)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)被放置在管內(nèi)，并使用大 型風(fēng)扇來(lái)空冷；一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機(jī)更加小巧，而且電效高，但 這種方式需要在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置散熱器，來(lái)消除液體冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。啟動(dòng)及停止發(fā)電機(jī)如果你通過(guò)彈開(kāi)一個(gè)普通開(kāi)關(guān)，將大型風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接或解開(kāi)， 你很可 能會(huì)損毀發(fā)電機(jī)、齒輪箱及鄰近電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)可以使用同步或異步發(fā)電機(jī)，并直接或非

48、直接地將發(fā)電機(jī)連接在電網(wǎng)上。 直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機(jī)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(jī)的電流通過(guò)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(jī)，這個(gè) 調(diào)節(jié)過(guò)程自動(dòng)完成。轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)子葉片輪廓（橫切面）風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片看起來(lái)像航行器的機(jī)翼。 實(shí)際上，轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)師通常將葉片最 遠(yuǎn)端的部分的橫切面設(shè)計(jì)得類似于正統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓，通常是專門為風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)與延時(shí)特性。葉片的輪廓設(shè)計(jì)，即使在表面有污垢時(shí)，葉片也可以運(yùn)轉(zhuǎn)良 好。轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)大型風(fēng)電機(jī)上的大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強(qiáng)化塑料（ GRP）制造。采用碳

49、纖 維或芳族聚酰胺作為強(qiáng)化材料是另外一種選擇， 但這種葉片對(duì)大型風(fēng)電機(jī)是不經(jīng) 濟(jì)的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒(méi)有在轉(zhuǎn)子葉片市場(chǎng)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(wèn) 題，他們目前只用在小型風(fēng)電機(jī)上。風(fēng)電機(jī)齒輪箱 為什么要使用齒輪箱？風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過(guò)主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)電機(jī)。 為什么要使用齒輪箱？為什么我們不能通過(guò)主軸直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)？如果我們使用普通發(fā)電機(jī)，并使用兩個(gè)、四個(gè)或六個(gè)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(jī)。對(duì) 于43米轉(zhuǎn)子直徑的風(fēng)電機(jī)，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(gè)帶許多電極的交流發(fā)電機(jī)。但如果你要將發(fā)電機(jī)直接連在電網(wǎng)上，你需要使用200個(gè)電極的發(fā)電機(jī)，來(lái)獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外 一個(gè)問(wèn)題是，發(fā)電機(jī)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(dòng)的發(fā)電機(jī) 會(huì)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(jī)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(jī) 上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風(fēng)電機(jī)上的齒輪箱，通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間具 有單一的齒輪比。對(duì)于600千瓦或750千瓦機(jī)器，齒輪比大約為1比50。下圖顯示了用于風(fēng)電機(jī)的1.5兆瓦的齒輪箱。這個(gè)齒輪箱有些不同尋常，因?yàn)樵?高速點(diǎn)的兩個(gè)發(fā)電機(jī)

51、上安裝有法蘭。 右側(cè)安裝在發(fā)電機(jī)下的橙黃色配件， 是液壓 驅(qū)動(dòng)的緊急盤狀剎車。在背景處你可以看到用于 1.5MW風(fēng)電機(jī)的機(jī)艙的下半部 分風(fēng)電機(jī)偏航裝置風(fēng)電機(jī)偏航裝置用于將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到迎風(fēng)的方向。偏航誤差當(dāng)轉(zhuǎn)子不垂直于風(fēng)向時(shí)，風(fēng)電機(jī)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(dòng)。 如果只發(fā)生這種情況，偏航控制將是控制向 風(fēng)電機(jī)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(dòng)對(duì)著風(fēng)偏轉(zhuǎn)， 逆風(fēng)或順風(fēng)的汽輪機(jī)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(dòng)時(shí)，都會(huì)沿著受力方 向前后彎曲。存在偏航誤差的風(fēng)

52、電機(jī)，與沿垂直于風(fēng)向偏航的風(fēng)電機(jī)相比， 將承 受更大的疲勞負(fù)載。18 / 29偏航機(jī)構(gòu)幾乎所有水平軸的風(fēng)電機(jī)都會(huì)強(qiáng)迫偏航。即，使用一個(gè)帶有電動(dòng)機(jī)及齒輪箱的機(jī)構(gòu)來(lái)保持風(fēng)電機(jī)對(duì)著風(fēng)偏轉(zhuǎn)。本圖顯示的是 750千瓦風(fēng)電機(jī)上的偏航機(jī)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(dá)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(jī)構(gòu)。偏航機(jī)構(gòu)由電子控制 器來(lái)激發(fā)。電纜扭曲計(jì)數(shù)器電纜用來(lái)將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)太長(zhǎng)時(shí) 問(wèn)時(shí)，電纜將越來(lái)越扭曲。因此風(fēng)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器， 用于提醒操作員 應(yīng)該將電纜解開(kāi)了。類似于所有風(fēng)電機(jī)上的安全機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)具

53、有冗余。風(fēng)電機(jī)還 會(huì)配備有拉動(dòng)開(kāi)關(guān)，在電纜扭曲太厲害時(shí)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(jī)：采用多極變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)，機(jī)構(gòu)如圖3所示。制動(dòng)系統(tǒng)：采用機(jī)械、電制動(dòng)兩套制動(dòng)系統(tǒng)，確保事 故狀態(tài)系統(tǒng)的安全制動(dòng)。偏航系統(tǒng)：由在機(jī)座上面的兩個(gè)相互獨(dú)立的傳感器（風(fēng)速計(jì) 和風(fēng)標(biāo)）確定風(fēng)速和風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，風(fēng)標(biāo)登記這個(gè)方位，且傳遞信號(hào)到控 制器。控制偏航系統(tǒng)去轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)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(jī)艙，內(nèi)部備有 220V照明和月臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)：是一套基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)

54、字信號(hào)處理器（DSP）的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組DCS控制系統(tǒng)。主要任務(wù)是將發(fā)電機(jī)切入和切除電網(wǎng)， 并管理來(lái)自不同傳感器（風(fēng)電機(jī)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(jì)算機(jī)程序?qū)⒆詣?dòng)以最佳和最安全的方式執(zhí)行所有的控 制操作。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控全部閥值參數(shù)。運(yùn)行和安全系統(tǒng)：風(fēng)速達(dá)到 3m/s時(shí)機(jī)組自啟動(dòng)，加速，到 同步轉(zhuǎn)速時(shí)，軟切入；超出安全風(fēng)速時(shí)自動(dòng)停機(jī)；風(fēng)速降到安全啟動(dòng)風(fēng)速后，能 自動(dòng)再啟動(dòng)；事故情況下空氣斷路器和機(jī)械制動(dòng)可同時(shí)動(dòng)作；安全系統(tǒng)是失靈安全型。除了監(jiān)測(cè)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(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)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(kāi)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(guò) 風(fēng)車來(lái)抽水、 磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來(lái)發(fā)電。目錄風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)介怎樣利用風(fēng)力來(lái)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(jī)的節(jié)約程度雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類展開(kāi)編輯本段風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)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(guó) 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(wàn)株大樹(shù)連根拔起。僅就拔樹(shù)一事而論，風(fēng)

56、1在數(shù)秒 鐘內(nèi)就發(fā)出了一千萬(wàn)馬力（即750萬(wàn)千瓦；一馬力等于0.75千瓦）的勃生!有人估20 / 29 計(jì)過(guò)，地球上可用來(lái)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(guó)內(nèi)外都很重視利用風(fēng)力來(lái)發(fā)電，開(kāi)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(kāi)始了。三十年代，丹麥、瑞典、 蘇聯(lián)和美國(guó)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(jī),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(jī)的發(fā)電成本低得多。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的發(fā)電量較低，大都在5千

57、瓦以下。目前，據(jù)了解，國(guó)外已生產(chǎn)出15, 40, 45, 100, 225千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)了。 1978年1月，美國(guó)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(jī)，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(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電裝置， 其發(fā)電量則達(dá)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(guó)在 北卡羅來(lái)納州的藍(lán)嶺山,又建成了一座世界上最大 的發(fā)電用的風(fēng)車。這個(gè)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(gè)塔型建筑物上，因此風(fēng)車可自由轉(zhuǎn)動(dòng)并從任何一個(gè)方向獲得電力；風(fēng)力時(shí)速在38公里以

58、上時(shí)，發(fā)電能力也可達(dá)2000千瓦。由于這個(gè)丘陵地區(qū)的平均風(fēng)力時(shí) 速只有29公里，因此風(fēng)車不能全部運(yùn)動(dòng)。據(jù)估計(jì)，即使全年只有一半時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)， 它就能夠滿足北卡羅來(lái)納州七個(gè)縣 1%到2%的用電需要。編輯本段怎樣利用風(fēng)力來(lái)發(fā)電我們把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能、再把機(jī)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(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng) 輪（包括尾舵）、發(fā)電機(jī)和鐵塔三部分。（大型風(fēng)力發(fā)電站基本上沒(méi)有尾舵，一般 只有小型（包括家用型）才會(huì)擁有尾舵）風(fēng)輪是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(shí)，槳葉上產(chǎn)生氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

59、槳葉的材料要 求強(qiáng)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(lái)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(dòng)發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個(gè)把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 的齒輪變速箱，再加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定， 然后再聯(lián)接到發(fā)電機(jī)上。為 保持風(fēng)輪始終對(duì)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(gè)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(jī)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(qiáng)度。鐵塔高度視地面障礙物對(duì)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(jī)的作用，是把由風(fēng)輪得到的恒定轉(zhuǎn)速，通過(guò)升速傳遞給發(fā)電機(jī)構(gòu)均勻 運(yùn)轉(zhuǎn)，因而把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。編輯本段多大的風(fēng)力才可以發(fā)電一般說(shuō)來(lái)，3級(jí)風(fēng)就有利用的價(jià)值。但從 經(jīng)濟(jì)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(cè)定，一臺(tái)55千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速每秒為9.5 米時(shí)，機(jī)組的輸出功率為55千瓦；當(dāng)風(fēng)速每秒8米時(shí)，功率為38千瓦；風(fēng)速每 秒為6米時(shí)，只有16千瓦；而風(fēng)速為每秒5米時(shí)，僅為9.5千瓦?？梢?jiàn)風(fēng)力愈 大，經(jīng)濟(jì)效益也愈大。在我國(guó)，現(xiàn)在已有不少成功的中、小型風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。21 / 29我國(guó)的風(fēng)力資源極為豐富，絕大多數(shù)地區(qū)的平均