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1、风力发电与并网技术世界：风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来 的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。我国：短短十几年的发展，我国成为风电大国 涌现出 金风、运达、华创、等优秀企业。我校：沈阳工业大学从事风力发电技术研究已有25年，先后开发出0.320kW离网型风力发电机、301500kW并网型风力发电机组及风力机测试设备等系列产品三大类16个品种，4项成果纳入联合国亚太区域新能源合作项目，实施技术转让8项，有5种产品出口日本、蒙古、朝鲜、缅甸等国家。（一）风电机组结构（二）风力机的工作原理（三）风力机的主要类型（四）风力机的控制技术概述风电机组设计（一）风力
2、发电机组结构从外部看，整个风力发电机组看上去只有三个主要部分：风轮、机舱和塔架。发电机、传动系统、控制系统等都集成在机舱内。机舱除了承担容纳所有机械部件的功能，还起到承受所有外力（包括静负载及动负载）的作用。机舱底盘和塔架之间有回转体，使机舱可水平转动。风力发电机主要组成部分介绍 1、风轮 风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由23个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。由于风力发电机的理论基础也是空气动力学，故其叶片形状与机翼很相似。风经过水平轴风力发电机的叶片时由于叶片与风有一个夹角，风在叶片上形成升力，风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能，从而带动
3、发电机进行发电的。2、塔架1 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类。2 一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。塔架：3、机舱 实体结构图 机组的总体简化结构机组的总体结构图：控 制 系 统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无功补偿风 机舱内部结构 （二）风电机
4、组的工作原理 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。简单的说风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为电能的过程。现代风力发电机采用空气动力学原 理，就像飞机的机翼一样。风力机的气动原理风力机的气动原理 风力发电机组中风力发电机组中的风轮之所以能将风的风轮之所以能将风能转化为机械能，原能转化为机械能，原因是因为风力机具有因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。型及翼型受力分析图。图图3-11 3-11 风力机的叶片翼型及受力风力机的叶片翼型及受力 现分析风轮不动时
5、受到风吹的情况：现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力形成压差，产生垂直于翼弦的力 F F，力，力 F F 可以分解为与相对风速可以分解为与相对风速方向平行的阻力方向平行的阻力 FD FD 和垂直于风向的升力和垂直于风向的升力 FL FL，升力使风力机旋，升力使风力机旋转，实现能量的转换。转，实现能量的转换。风力机的输出功率风力机的输出功率：风轮机的输出
6、功率 A：风轮扫掠面积：风能利用系数 ：风速（通常被称为贝茨极限）：叶尖速比：桨距角3、叶尖速比的影响风能利用系数Cp与风力机叶尖速比的对应关系：按风轮轴的安装型式按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率按风力发电机的功率 按运行方式按运行方式 水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组 微型（额定功率微型（额定功率501000W）、小型（额定功）、小型（额定功率率1.010kW）、中型（额定功率）、中型（额定功率10100kW）和大型（额定功率大于）和大型（额定功率大于100kW）独立运行和并网运行独立运行和并网运行 按采用发电机类型永磁同步风电机组 双馈异步风
7、电机组 等（三）风电机组分类水平轴水平轴垂直轴垂直轴风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备技术原最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构（1 1）独立运行的风力发电机组独立运行的风力发电机组 水平轴独立运行的风水平轴独立运行的风 力发电机组主要由风轮力发电机组主要由风轮(包包括尾舵括尾舵)、发电机、支架、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变电缆、
8、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。主要结构见右图。图图3-6 3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构水平轴独立运行的风力发电机组主要结构 并网运行的水并网运行的水平轴式风力发电机平轴式风力发电机组由风轮、增速齿组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、航装置、控制系统、塔架等部件组成，塔架等部件组成，其结构如右图所示其结构如右图所示（2 2）并网运行的风力发电机组并网运行的风力发电机组图图3-7 3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图 并网运行的大型风力并网运行的大型风力发电机
9、组的基本结构，它发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，回转体、制动器）等组成，结构如右图。结构如右图。（3 3）大型风力发电机组大型风力发电机组图图3-8 3-8 大型风力发电机组的基本结构大型风力发电机组的基本结构1 1、普通异步风力发电机组、普通异步风力发电机组技术特点：1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮箱增速，转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构；2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱传动比
10、和发电机极对数决定；3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行；4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启动电流，其配置启动装置。5、从系统吸收大量无功，需配置无功补偿装置。结构简单，控制方便。2 2、双馈式异步风力发电机组、双馈式异步风力发电机组技术特点1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转需要齿轮箱增速；2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构与电力电子换流装置连接；3、通过电力电子换流装置的控制作用，可以调节控制发电机转子电流和电磁转矩，从而使转子转速可随风速的变化而改变，使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4、在低风速时，发电机转子低于同步速运行，发电机转子绕组通过换流
11、器向发电机馈入励磁功率；在高风速时，发电机转子高于同步速运行，发电机转子绕组向换流器输出励磁功率；5、直接与电网连接，由于转子电流可控，因此可以实现风力发电机平滑并网。3 3、直驱式同步风力发电机组、直驱式同步风力发电机组 技术特点1）叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转，转子绕组通过增加极对数来降低同步转速，从而避免了齿轮箱损耗；2）同步电机励磁系统可采用直流电励磁或永磁体励磁方式，由于转子极对数较多，电机外尺寸较大且较重，不方便运输和吊装。3）对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调节可以通过控制励磁电流的大小来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率；对于永磁同步电机，可以
12、通过调节直流电压的方式来控制电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4）对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小；对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。以上风电机组优缺点比较表以上风电机组优缺点比较表风电机组类型 优点 缺点 普通异步风力发电机组 结构简单，控制方便 1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、风能利用率低；3、启动电流大，需配置启动装置；4、消耗大量无功，需要从电网输入无功；双馈异步风力发电机组 1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、有励磁功率损耗；3
13、、结构复杂，控制系统复杂；永磁同步风力发电机组 1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；4、无励磁功率损耗；1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、结构复杂，控制系统复杂；4、永磁体有消磁现象 直流励磁同步风力发电机组 1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功 1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、有励磁功率损耗；4、结构复杂，控制系统复杂；双馈、永磁和直流励磁 风力发电机外观图双馈风力发电机外观特点：机舱细长直驱永磁风力发电机外观
14、特点：机舱短粗直流励磁风力发电机外观特点：机舱臃肿（四）控制系统主要功能1）按预先设定的风速值(一般为34ms)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人电网。2）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、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。3）当风速大干最大运行速度(一般设定为25ms)时实现自动停机。4）故障保护。5）通过光缆或电话线互相连接。风机控制方式及内容一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、停车制动器、控制系统等构成
15、，为使风力机组能够稳定运行，必须对其进行有效的控制。考虑到风力发电机组的特殊性，按重要性的顺序，控制器应依次满足以下要求：1）风能转换系统是稳定的；2）运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性；3）控制代价小，即对不同输入信号的幅值有一定限制，如调向的时间等；4）最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速时，输出的电功率达到最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量；5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量。风力发电机组控制目标有很多项，控制方法多种多样，按能质量问题。由风力机最大风能捕获的运行原理可知，若风速越高
16、，则与之相对应的风力机转速越高。但受风电机组转速极限、功率极限等限制，风力机转速不可能太高。因此，为实现最大风能捕获，风力机有三种典型的运行状态：低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的风能利用系数Cp值，根据风速变化控制风力机转速，使叶尖速比不变，直到转速达到极限；转速达到极限后，风速进一步加大时，按恒定转速控制风力机运行，直到输出最大功率，此时的风能Cp不一定是最大值；超过额定风速时，输出功率达到极限，按恒功率输出调节风力机。（五）风的能量与测量产生能量的基本要素：风具有一定的质量和速度。风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等。1）风能：空气运动产生的动能称为“风能”。2）风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。3）风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离，国际上的单位是米秒(m/s)或千米小时(kmh)。分13级4）风向与风频：通常把风吹来的地平方向定为风的方向，即风向。风频是指风向的频率，即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比，5）风的测量：风的测量仪器主要有风向器、杯形风速器和三杯轻便风向风速表等。