風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)介紹目錄1. 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的推動力2. 風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)參數(shù)2.1. 風(fēng)的參數(shù)22風(fēng)力機(jī)的相關(guān)參數(shù)（以水平軸風(fēng)力機(jī)為例）3. 風(fēng)力機(jī)的種類3.1. 水平軸風(fēng)力機(jī)3.2. 垂直軸風(fēng)力機(jī)4. 水平軸風(fēng)力機(jī)詳細(xì)介紹4.1. 風(fēng)輪機(jī)構(gòu)4.2 .傳動裝置4.3. 迎風(fēng)機(jī)構(gòu)4.4. 發(fā)電機(jī)4.5. 塔架4.6. 避雷系統(tǒng)4.7. 控制部分5. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變電并網(wǎng)系統(tǒng)5.1. （恒速）同步發(fā)電機(jī)變電并網(wǎng)技術(shù)5.2. （恒速）異步發(fā)電機(jī)變電并網(wǎng)技術(shù)5.3. 交一直一交并網(wǎng)技術(shù)5.4. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變電站的布置6. 風(fēng)力發(fā)電場7. 風(fēng)力機(jī)發(fā)展方向1. 風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的推動力：1）新技術(shù)、新材料的發(fā)展和運(yùn)用；2）大型風(fēng)力機(jī)制造技術(shù)及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累；3）火電發(fā)電成本（煤的價(jià)格）上漲及環(huán)保要求的提高（一套脫硫裝置價(jià)格相當(dāng) 一臺鍋爐價(jià)格）。2. 風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)參數(shù)：2.1. 風(fēng)的參數(shù):2.1.1. 風(fēng)速：在近300m的高度內(nèi)，風(fēng)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(fēng)速；V）：離地高度為H0處的風(fēng)速（H0=10m為氣象臺預(yù)報(bào)風(fēng)速的高度）;n：與地面粗糙度等因素有關(guān)的指數(shù)，平坦地區(qū)平均值為0.190.20。2.1.2. 風(fēng)速頻率曲線：在一年或一個(gè)月的周期中，出現(xiàn)相同風(fēng)速的小時(shí)數(shù)占這段時(shí)間總小時(shí)數(shù)的百分比稱風(fēng)速頻X爭譽(yù)!«x- - 2I*)!20£5圖1 ：風(fēng)速頻率曲線2.1.3.風(fēng)向玫瑰圖（風(fēng)向頻率曲線）：在一年或一個(gè)月的周期中，出現(xiàn)相同風(fēng)向的小時(shí)數(shù)占這段時(shí)間總小時(shí)數(shù)的百分比稱風(fēng)向頻 率。以極座標(biāo)形式表示的風(fēng)向頻率圖叫風(fēng)向玫瑰圖。ssw I &E圖2 :風(fēng)向玫瑰圖2.2.1. 風(fēng)力機(jī)的軸功率Pw：23:空氣密度（Kg/m）; V :風(fēng)速（m/s）;A：風(fēng)輪葉片掃掠面積（ni）；Cp：風(fēng)能利用系數(shù)；是風(fēng)輪所接收的能量與通過風(fēng)輪掃掠面積的全部風(fēng)的動能的比值，根據(jù)Betz的理論，理想風(fēng)輪最大風(fēng)能的利用系數(shù)Cpmax=16/27=0.593，是風(fēng)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(fēng)速的比值：=R/V:葉輪的轉(zhuǎn)角速度；R :葉輪的半徑； V :風(fēng)速;圖3: CP和的關(guān)系特性曲線i -低速風(fēng)輪n-高速風(fēng)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:為升力與最大升力的比值；圖4:葉片幾何攻角圖5: C y和的關(guān)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(shí)升力最大,超過這個(gè)角度時(shí)升力急劇降低，此現(xiàn)象稱為葉片失速。3. 風(fēng)力機(jī)的種類:風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其它能的機(jī)械;圖。其結(jié)構(gòu)多種多樣，圖6示意了各種類型風(fēng)力機(jī)的示意3.1. 水平軸風(fēng)力機(jī):32垂直軸風(fēng)力機(jī):風(fēng)輪軸線安裝位置與水平面垂直的風(fēng)力機(jī)叫做垂直軸風(fēng)力機(jī)。4. 水平軸風(fēng)力機(jī)詳細(xì)介紹：水平軸風(fēng)力機(jī)是當(dāng)今普遍應(yīng)用、推廣的機(jī)型，是風(fēng)能利用的主要形式。中小型風(fēng)力機(jī)為運(yùn)行平穩(wěn)多選用三葉片結(jié)構(gòu)，兆瓦級風(fēng)力機(jī)由于造價(jià)因素多選用二葉片結(jié)構(gòu)。下文就水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪機(jī)構(gòu)、傳動裝置、發(fā)電機(jī)、塔架、避雷系統(tǒng)作具體的介紹：b TX< p 4 it Am) *R.X力忸)Z b)二峙c) X*! *1 A d) f *tAh>冷J!門心J! *藥覽人件豐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(fēng)力機(jī)的示意圖aim贏就葉片平臺fit子 廠葉尖附就規(guī)- T*鳳拿機(jī)嶽發(fā)齒輪福 盤則臺統(tǒng)圖7:水平軸風(fēng)力機(jī)的機(jī)艙結(jié)構(gòu)示意圖4.1. 風(fēng)輪機(jī)構(gòu):4.1.1. 葉片：是風(fēng)力機(jī)主要構(gòu)成部分，當(dāng)今95%以上的葉片都采用玻璃鋼復(fù)合材料，質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞。葉片的技術(shù)含量高，屬風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵部件，大型風(fēng)力機(jī)的葉片往往由專業(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(fù)雜的載荷，中小型風(fēng)力機(jī)采用剛性連接，兆瓦級風(fēng)力機(jī)采用蹺蹺板連接方式。變漿距、定漿距的概念在風(fēng)力機(jī)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 mft « E4E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(hù)單捕悴隻力量/h* j*需辛?xí)r力大蓼大曲本廉辜畜求運(yùn)行、鶯羸人良累表1:各種功率調(diào)節(jié)方式比較4.1.3.1. 變漿距風(fēng)輪：變漿距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：能自動改變?nèi)~片的安裝角，以適應(yīng)風(fēng)力機(jī)各工況下的功率、轉(zhuǎn)速的調(diào)整?？蔀殡娨核欧螂娮訖C(jī)械結(jié)構(gòu)?？焖賾?yīng)急順漿機(jī)構(gòu)：能使葉片的安裝角（圖四）快速趨近為0,可作為緊急停機(jī)的方法?？蔀闅鈩印⒁簤夯驒C(jī)械（彈簧）結(jié)構(gòu)。4.1.3.2. 定漿距風(fēng)輪：葉片的安裝角固定， 結(jié)構(gòu)簡單，在額定風(fēng)速以內(nèi)，葉片的升力系數(shù)和風(fēng)能利用系數(shù)較高，當(dāng) 風(fēng)速超過額定值時(shí)，葉片進(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。葉尖氣動剎車機(jī)構(gòu)：在風(fēng)力機(jī)緊急停機(jī)時(shí)，可通過葉輪上的液壓機(jī)構(gòu)將葉尖剎車機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到橫 切風(fēng)的位置。42傳動裝置:風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約為 3050 r/mi n，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為 10001500 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(jī)械制動機(jī)構(gòu)，在緊急停車或檢修時(shí)用。4.3. 迎風(fēng)機(jī)構(gòu)：它是使風(fēng)輪保持最佳的迎風(fēng)位置的裝置，下風(fēng)式風(fēng)力機(jī)具有自動對風(fēng)的能力，上風(fēng)式風(fēng)力機(jī)應(yīng)有電動迎風(fēng)機(jī)構(gòu)，迎風(fēng)機(jī)構(gòu)應(yīng)有電纜纏繞解繞功能。4.4. 發(fā)電機(jī)：4.4.1. （恒速）同步發(fā)電機(jī)：（恒速）同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是其勵(lì)磁系統(tǒng)可控制發(fā)電機(jī)的電壓和無功功率，發(fā)電機(jī)效率高。同步電機(jī)要通過同步設(shè)備的整步操作達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)（并網(wǎng)困難），由于風(fēng)速變化大，以及同步發(fā)電機(jī)要求轉(zhuǎn)速恒定（50Hz 0.2），風(fēng)力機(jī)必需裝有良好的變漿距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。4.4.2. （恒速）異步發(fā)電機(jī)：異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固、造價(jià)低，異步發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)節(jié)精度要求不高， 不需要同步設(shè)備的整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速 時(shí)就可并網(wǎng)，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步。 缺點(diǎn)是并網(wǎng)時(shí)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(jī)能在兩種不同的額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，可解決低風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)的效率問題。4.4.3. 變速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)：變速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)：可采用類同于（恒速）異步 /同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，通過對它們在結(jié)構(gòu)及控制方法的改進(jìn)來提 高變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的輸出功率因數(shù)（從而具有了無功補(bǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖圖9:全功率因數(shù)變流器主電路原理示意圖美國風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商U.S Ken etech/Wi ndPower 1993 年研制的變速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)KVS-33:額定功率：350KW 最大輸出功率:450KW 風(fēng)速范圍：4.5 29.1 m/s。在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用變流技術(shù)（交一直一交）有:國名機(jī)型/安裝地點(diǎn)額定功率（kV）建成年份美國Mod-5B/Kahuku Pt32001987瑞典Nordic 100010001995荷蘭NEWECS-45/Medemblik10001985加拿大EOLE/C ap Chat40001987意大利GAMMA 60/Alt Nurra15001992另外，變流技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。工程名稱國家功率（MW電壓線路長度（KM）換流閥型式投運(yùn)年份舟山群島中國5010056晶閘管1987葛州壩-上海中國12005001080晶閘管1989因特芒廷美國1600500784晶閘管1986優(yōu)點(diǎn):維持最佳的葉尖速度比變速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)可在不同的風(fēng)速下通過調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速 消除了在風(fēng)速變化時(shí)對恒速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷沖擊，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行更可靠、平穩(wěn)。4.5. 塔架：作用：支撐風(fēng)力機(jī)回轉(zhuǎn)部分并使風(fēng)輪在一定高度受風(fēng)，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(jī)和塔架的關(guān)系分：一塔一機(jī)，一塔二機(jī)。如圖10: 一塔二機(jī)示意圖一塔二機(jī)優(yōu)點(diǎn)（如圖10所示）：1）由于沒有塔影效應(yīng)（指由塔架造成的氣流渦流區(qū)對風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的影響），塔架可采用鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，降低造價(jià)。2）兩臺發(fā)電機(jī)可共享設(shè)備 （如:液壓、控制器、變送電設(shè)備、迎風(fēng)機(jī)構(gòu)、避雷設(shè)備）。3）可使機(jī)組安裝過程簡化。46避雷系統(tǒng)：1994年丹麥超過6%的風(fēng)力機(jī)遭雷擊，LM公司估計(jì)每年有1%2的風(fēng)葉遭雷擊，所以并網(wǎng)運(yùn) 行的大型風(fēng)力機(jī)的防雷是非常重要的。 對葉片、 塔架、 機(jī)艙都應(yīng)采取不同的避雷器件和防雷 技術(shù)，以增加風(fēng)力機(jī)的避雷能力。4.7. 控制部分：（ 風(fēng)力機(jī)單機(jī)控制及風(fēng)力場系統(tǒng)控制見第三部分。）5. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變電并網(wǎng)系統(tǒng)：5.1. （恒速）同步發(fā)電機(jī)變電并網(wǎng)技術(shù)：由于風(fēng)速的不確定性， 風(fēng)力機(jī)的可調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)要求的精度， 同步發(fā)電機(jī)的 并網(wǎng)困難，常采用下面幾種方法：5.1.1. 常規(guī)自動準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式：準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式就是對已勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)， 使其與系統(tǒng)同步， 然后并網(wǎng)。 由于風(fēng)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(jī)轉(zhuǎn)速升高接近同步速（ 80%90%額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，將未加勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)投入電力系 統(tǒng)，延時(shí) 13 秒后再加勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)會自行拉入同步運(yùn)行。5.2. （恒速）異步發(fā)電機(jī)變電并網(wǎng)技術(shù)：異步發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)節(jié)負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)節(jié)精度要求不高， 不需要同步設(shè)備的整步操作， 只要轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)直接并網(wǎng)。 缺點(diǎn)： 并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象， 異步發(fā)電機(jī)將受到 45 倍額定電流的沖擊，系統(tǒng)電壓會瞬時(shí)下降。5.2.3.在發(fā)電機(jī)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)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(jī)與系統(tǒng)之間串雙向可控硅， 并網(wǎng)時(shí)通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角使電機(jī)平穩(wěn)并網(wǎng)?？上拗齐姍C(jī)在聯(lián)網(wǎng)和大、小電機(jī)切換 （異步電機(jī)變極運(yùn)行）時(shí)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(yán)接JUL5.2.4.圖11：軟切入裝置的系統(tǒng)框圖準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，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(jī)的電 壓和頻率進(jìn)行調(diào)整。 使其與電網(wǎng)系統(tǒng)一致再并網(wǎng)。 缺點(diǎn)：需高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè) 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(jī)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(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)用一臺逆變器電網(wǎng)高壓直流圖13:所有發(fā)電機(jī)共用一臺逆變器54風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變電站的布置：風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量小，出口電壓低(異步發(fā)電機(jī)的出口電壓為400690V)，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(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與一個(gè)升壓器相聯(lián)，再通過升壓器與電網(wǎng)相聯(lián)。2) 所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)與一個(gè)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(fēng)力發(fā)電場劃分為幾個(gè)發(fā)電單元，每個(gè)發(fā)電單元包括幾臺距離相近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖6. 風(fēng)力發(fā)電場：集控室等部分。8倍的風(fēng)輪直徑。風(fēng)力發(fā)電場應(yīng)包括：多臺風(fēng)力機(jī)，多臺變壓設(shè)備，輸電線路，信號傳輸網(wǎng)絡(luò),風(fēng)力機(jī)機(jī)組左右之間的距離45倍的風(fēng)輪直徑，機(jī)組的前后之間的距離7. 風(fēng)力機(jī)發(fā)展方向：綜上所述，單從技術(shù)的角度可總結(jié)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展的幾個(gè)方向：1) 發(fā)展大功率風(fēng)力機(jī)；2) 功率調(diào)節(jié)為變漿距調(diào)節(jié)；3) 發(fā)電機(jī)采用變速運(yùn)行發(fā)電機(jī)；4) 采用柔性結(jié)構(gòu)(柔性葉片、柔性塔架)降低材料消耗。