風力發(fā)電機介紹

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1、風力發(fā)電機介紹 目錄 1. 風力發(fā)電發(fā)展的推動力 2. 風力發(fā)電的相關參數(shù) 2.1. 風的參數(shù) 22風力機的相關參數(shù)（以水平軸風力機為例） 3. 風力機的種類 3.1. 水平軸風力機 3.2. 垂直軸風力機 4. 水平軸風力機詳細介紹 4.1. 風輪機構 4.2 .傳動裝置 4.3. 迎風機構 4.4. 發(fā)電機 4.5. 塔架 4.6. 避雷系統(tǒng) 4.7. 控制部分 5. 風力發(fā)電機的變電并網(wǎng)系統(tǒng) 5.1. （恒速）同步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術 5.2. （恒速）異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術 5.3. 交一直一交并網(wǎng)技術 5.4. 風力發(fā)電機的變電站的布置 6

2、. 風力發(fā)電場 7. 風力機發(fā)展方向 1. 風力發(fā)電發(fā)展的推動力： 1） 新技術、新材料的發(fā)展和運用； 2） 大型風力機制造技術及風力機運行經(jīng)驗的積累； 3） 火電發(fā)電成本（煤的價格）上漲及環(huán)保要求的提高（一套脫硫裝置價格相當 一臺鍋爐價格）。 2. 風力發(fā)電的相關參數(shù)： 2.1. 風的參數(shù): 2.1.1. 風速： 在近300m的高度內(nèi)，風速隨高度的增加而增加，公式為: V：欲求的離地高度 H處的風速； V）：離地高度為H0處的風速（H0=10m為氣象臺預報風速的高度）; n：與地面粗糙度等因素有關的指數(shù)，平坦地區(qū)平均值為 0.19?0.20。 2.1.2. 風速頻率

3、曲線： 在一年或一個月的周期中，出現(xiàn)相同風速的小時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風速頻 《X》爭譽!?x - - 2 I*) !□ 20 ￡5 圖1 ：風速頻率曲線 2.1.3. 風向玫瑰圖（風向頻率曲線）： 在一年或一個月的周期中，出現(xiàn)相同風向的小時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風向頻 率。以極座標形式表示的風向頻率圖叫風向玫瑰圖。 ssw I &E 圖2 :風向玫瑰圖 2.2.1. 風力機的軸功率Pw： 2 3 :空氣密度（

4、Kg/m）; V :風速（m/s）; A：風輪葉片掃掠面積（ni）； Cp：風能利用系數(shù)；是風輪所接收的能量與通過風輪掃掠面積的全部風的動能的比值， 根據(jù) Betz的理論，理想風輪最大風能的利用系數(shù) Cpmax=16/27=0.593，是風輪轉(zhuǎn)化為有用功的能 量上限。 2.2.2. 葉尖速度比： 為葉尖的速度與風速的比值： =R/V :葉輪的轉(zhuǎn)角速度； R :葉輪的半徑； V :風速; 圖3: CP和 的關系特性曲線 i -低速風輪 n-高速風輪 2.2.3. 葉片幾何攻角和升力系數(shù)C 葉片幾何攻角：為翼型上合成氣流的方向與翼型幾何弦的夾角; 升力系數(shù) G:為升力

5、與最大升力的比值； 圖4:葉片幾何攻角 圖5: C y和 的關系特性曲線 A-有彎度翼型B-對稱翼型 葉片的失速：由上圖可看出, 葉片處于某幾何攻角時升力最大, 超過這個角度時升力急劇降 低，此現(xiàn)象稱為葉片失速。 3. 風力機的種類: 風力機是將風能轉(zhuǎn)化為其它能的機械; 圖。 其結構多種多樣，圖6示意了各種類型風力機的示意 3.1. 水平軸風力機: 32 垂直軸風力機: 風輪軸線安裝位置與水平面垂直的風力機叫做垂直軸風力機。 4. 水平軸風力機詳細介紹： 水平軸風力機是當今普遍應用、 推廣的機型，是風能利用的主要形式。中小型風力機為運行 平穩(wěn)

6、多選用三葉片結構，兆瓦級風力機由于造價因素多選用二葉片結構。 下文就水平軸風力 機的風輪機構、傳動裝置、發(fā)電機、塔架、避雷系統(tǒng)作具體的介紹： b TX< p 4 it A m) *R.X 力忸 ■) Z b)二峙 c) X*! *1 A d) f *tA h>冷J!門心J! *藥覽人件豐

7、k) 5T I)箏■童 ■卜■<)癰犠斗*?出力氛 h> *k> A*亶**民力料 “* mY 圖6:各種類型風力機的示意圖 aim贏就 葉片 平臺 fit子 廠 葉尖附就規(guī) ■- T *鳳拿 機嶽發(fā) 齒輪福 \ ?盤則臺統(tǒng) 圖7:水平軸風力機的機艙結構示意圖 4.1. 風輪機構: 4.1.1. 葉片：是風力機主要構成部分，當今 95%以上的葉片都采用 玻璃鋼復合材料，質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片的技術含量高，屬風力機的關鍵 部件，大型風力機的葉片

8、往往由專業(yè)廠家制造。 4.1.2. 輪轂：輪轂的作用是連接葉片和低速軸，要求能承受大的、 4.1.3. 復雜的載荷，中小型風力機采用剛性連接，兆瓦級風力機采用蹺蹺板連接方式。 變漿距、定漿距的概念 在風力機功率調(diào)節(jié)中，牽涉到變漿距、定漿距的概念。變漿距、定漿距調(diào)節(jié)方式的比較見表 fL m ft ? E 4 E 無弋Hi（豐 功事彌育 餐節(jié) r '| 賓第JE | ■二 1T 童武■卓 氣 M* “枯 ft A ■護■單 捕悴隻力量/h * j* 需辛時力大 蓼■大曲本廉 辜■畜??求運行、鶯羸人良累 表1:各種功率

9、調(diào)節(jié)方式比較 4.1.3.1. 變漿距風輪： 變漿距調(diào)節(jié)機構：能自動改變?nèi)~片的安裝角，以適應風力機各工況下的 功率、轉(zhuǎn)速的調(diào)整?？蔀殡娨核欧螂娮訖C械結構。 快速應急順漿機構：能使葉片的安裝角 （圖四）快速趨近為0,可作為緊 急停機的方法?？蔀闅鈩?、液壓或機械（彈簧）結構。 4.1.3.2. 定漿距風輪： 葉片的安裝角固定， 結構簡單，在額定風速以內(nèi)，葉片的升力系數(shù)和風能利用系數(shù)較高，當 風速超過額定值時，葉片進入失速狀態(tài)（見前面所述 （圖五）），致使葉片升力不再增加，葉 片結構復雜、成本高。 葉尖氣動剎車機構：在風力機緊急停機時，可通過葉輪上的液壓機構將葉尖剎車機構轉(zhuǎn)到橫

10、切風的位置。 42 傳動裝置: 風輪轉(zhuǎn)速約為 30?50 r/mi n，發(fā)電機轉(zhuǎn)速約為 1000?1500 r/mi n ，需傳動裝置，要求效率 高、質(zhì)量輕、體積小和傳動比范圍大。 傳動裝置有氣（液）動和機械制動機構，在緊急停車或檢修時用。 4.3. 迎風機構： 它是使風輪保持最佳的迎風位置的裝置， 下風式風力機具有自動對風的能力， 上風式風力機 應有電動迎風機構，迎風機構應有電纜纏繞解繞功能。 4.4. 發(fā)電機： 4.4.1. （恒速）同步發(fā)電機： （恒速）同步發(fā)電機的優(yōu)點是其勵磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機的電壓和無功功率，發(fā)電機效率高。 同步電機要通過同步設備的整步操作達到準

11、同步并網(wǎng)（并網(wǎng)困難） ，由于風速變化大，以及 同步發(fā)電機要求轉(zhuǎn)速恒定（50Hz 0.2），風力機必需裝有良好的變漿距調(diào)節(jié)機構。 4.4.2. （恒速）異步發(fā)電機： 異步發(fā)電機結構簡單、堅固、造價低，異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時，由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié) 負荷，因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高， 不需要同步設備的整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速 時就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。 缺點是并網(wǎng)時沖擊電流幅值大， 不能產(chǎn)生無功 功率。 雙繞組可變極（4/6極）異步發(fā)電機能在兩種不同的額定轉(zhuǎn)速下運行，可解決低風速時發(fā)電 機的效率問題。 4.4.3. 變速運行風力發(fā)電機： 變速運行風力發(fā)電機：

12、可采用類同于（恒速）異步 /同步發(fā)電機的結構，通過對它們在結構及控制方法的改進來提 高變速風力發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率。 變流裝置： 新型全功率因數(shù)變流裝置具有變頻并網(wǎng)功能， 在微處理器的支持下可控制發(fā)電機的輸出功率 因數(shù)（從而具有了無功補償能力），此外，新型全功率因數(shù)變流裝置還具有諧波抑制功能， 可向共用電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能。 圖8示意了全功率因數(shù)變流器主電路結構框圖， 圖9示意了全功率因數(shù)變流器主電路原理示 意圖。 圖8:全功率因數(shù)變流器主電路結構框圖 圖9:全功率因數(shù)變流器主電路原理示意圖 美國風力發(fā)電機制造商 U.S Ken etech/Wi ndPower

13、1993 年研制的變速運行風力發(fā)電機 KVS-33: 額定功率：350KW 最大輸出功率: 450KW 風速范圍：4.5 ?29.1 m/s。 在兆瓦級風力發(fā)電機中應用變流技術（交一直一交）有: 國名 機型/安裝地點 額定功率（kV） 建成年份 美國 Mod-5B/Kahuku Pt 3200 1987 瑞典 Nordic 1000 1000 1995 荷蘭 NEWECS-45/Medemblik 1000 1985 加拿大 EOLE/C ap Chat 4000 1987 意大利 GAMMA 60/Alt Nurra

14、1500 1992 另外，變流技術在高壓直流輸電系統(tǒng)中得到廣泛應用。 工程名稱 國家 功率（MW 電壓 線路長度 （KM） 換流閥 型式 投運年份 舟山群島 中國 50 100 56 晶閘管 1987 葛州壩-上海 中國 1200 500 1080 晶閘管 1989 因特芒廷 美國 1600 500 784 晶閘管 1986 優(yōu)點: 維持最佳的葉尖速度比 變速運行風力發(fā)電機可在不同的風速下通過調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速 消除了在風速變化時對恒速運行風力發(fā)電機的載荷沖擊，使風力機運行更可靠、平穩(wěn)。 4.5. 塔架： 作用：支撐風

15、力機回轉(zhuǎn)部分并使風輪在一定高度受風， 按塔架的材料分：角鋼或鋼管桁架塔 和圓錐鋼管塔。按發(fā)電機和塔架的關系分：一塔一機，一塔二機。 如圖10: 一塔二機示意圖 一塔二機優(yōu)點（如圖10所示）： 1） 由于沒有塔影效應（指由塔架造成的氣流渦流區(qū)對風力機產(chǎn)生的影響） ，塔架可采 用鋼筋水泥結構，降低造價。 2） 兩臺發(fā)電機可共享設備 （如:液壓、控制器、變送電設備、迎風機構、避雷設備）。 3） 可使機組安裝過程簡化。 46 避雷系統(tǒng)： 1994年丹麥超過6%的風力機遭雷擊，LM公司估計每年有1%~2的風葉遭雷擊，所以并網(wǎng)運 行的大型風力機的防雷是非常重要的。 對葉片、 塔架

16、、 機艙都應采取不同的避雷器件和防雷 技術，以增加風力機的避雷能力。 4.7. 控制部分： （ 風力機單機控制及風力場系統(tǒng)控制見第三部分。 ） 5. 風力發(fā)電機的變電并網(wǎng)系統(tǒng)： 5.1. （恒速）同步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術： 由于風速的不確定性， 風力機的可調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機要求的精度， 同步發(fā)電機的 并網(wǎng)困難，常采用下面幾種方法： 5.1.1. 常規(guī)自動準同步并網(wǎng)方式： 準同步并網(wǎng)方式就是對已勵磁的發(fā)電機的電壓和頻率進行調(diào)節(jié)， 使其與系統(tǒng)同步， 然后并網(wǎng)。 由于風速的不確定性，通過此方法并網(wǎng)很困難。 5.1.2. 自同步并網(wǎng)方式： 發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高接近同步速（ 80%~9

17、0%額定轉(zhuǎn)速）時，將未加勵磁的同步發(fā)電機投入電力系 統(tǒng)，延時 1~3 秒后再加勵磁，發(fā)電機會自行拉入同步運行。 5.2. （恒速）異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術： 異步發(fā)電機投入系統(tǒng)運行時，由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負荷，因此對機組的調(diào)節(jié)精度要求不高， 不需要同步設備的整步操作， 只要轉(zhuǎn)速接近同步速時就可并網(wǎng)， 且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失 步。常采用下面幾種方法： 5.2.1. 直接并網(wǎng)： 發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速時直接并網(wǎng)。 缺點： 并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象， 異步發(fā)電機將受到 4~5 倍額定電流的沖擊，系統(tǒng)電壓會瞬時下降。 5.2.3. 在發(fā)電機與系統(tǒng)之間串接電抗器、電阻以減少合閘瞬間沖擊電流與電網(wǎng)

18、電壓的下降的幅度, 并網(wǎng)穩(wěn)定后，再將電抗器、電阻退出。 “軟并網(wǎng)”方式: 在發(fā)電機與系統(tǒng)之間串雙向可控硅， 并網(wǎng)時通過調(diào)節(jié)可控硅的導通角使電機平穩(wěn)并網(wǎng)。 可限 制電機在聯(lián)網(wǎng)和大、小電機切換 （異步電機變極運行）時的瞬變沖擊電流。圖 11示意了軟切 入裝置的系統(tǒng)框圖。 ￡■ ? 一 號■人坊葬帆 三純理幣垮亀閹嚴接 JUL 5.2.4. 圖11：軟切入裝置的系統(tǒng)框圖 準同期并網(wǎng)方式: 發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速時，先用電容激磁，建立額定電壓，然后對已激磁建壓的發(fā)電機的電 壓和頻率進行調(diào)整。 使其與電網(wǎng)系統(tǒng)一致再并網(wǎng)。 缺點：需高精度的調(diào)速器和整步、同期設

19、備。 53 交一直一交并網(wǎng)聯(lián)接方式: 該方法首先將發(fā)電機發(fā)出的交流電變成直流電， 再經(jīng)逆變器變換成與電力系統(tǒng)頻率同步的交 流電。(參見前節(jié)變速運行風力發(fā)電機所述 ) 根據(jù)整流器輸出直流電壓的高低，可分兩種并網(wǎng)方式： 1) 對整流器輸出直流電壓低的情況，一臺發(fā)電機用一臺逆變器，再升壓并網(wǎng)， 如圖12所示； 2) 對整流器輸出直流電壓高的情況， 所有發(fā)電機共用一臺逆變器， 再升壓并網(wǎng)，如圖 13所示。 圖12: 一臺發(fā)電機用一臺逆變器 電網(wǎng) 高壓直流 圖13:所有發(fā)電機共用一臺逆變器 54 風力發(fā)電機的變電站的布置： 風力發(fā)電機單機

20、容量小，出口電壓低 (異步發(fā)電機的出口電壓為 400~690V)，為降低電力在 傳輸過程中的損耗，需要用升壓器對電壓升壓，然后在傳輸并網(wǎng)。 1) 一個風力發(fā)電機與一個升壓器相聯(lián)，再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。 2) 所有風力發(fā)電機與一個升壓器相聯(lián)，再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。 3) 根據(jù)具體情況，將風力發(fā)電場劃分為幾個發(fā)電單元，每個發(fā)電單元包括幾臺 距離相近的風力發(fā)電機和一臺升壓器，再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。 圖14示意了此種配 置情況。 電網(wǎng) 圖14發(fā)電單元結構示意圖 6. 風力發(fā)電場： 集控室等部分。 8倍的風輪直徑。 風力發(fā)電場應包括：多臺風力機，多臺變壓設備，輸電線路，信號傳輸網(wǎng)絡, 風力機機組左右之間的距離》 4~5倍的風輪直徑，機組的前后之間的距離》 7. 風力機發(fā)展方向： 綜上所述，單從技術的角度可總結出風力發(fā)電機發(fā)展的幾個方向： 1) 發(fā)展大功率風力機； 2) 功率調(diào)節(jié)為變漿距調(diào)節(jié)； 3) 發(fā)電機采用變速運行發(fā)電機； 4) 采用柔性結構(柔性葉片、柔性塔架)降低材料消耗。