第二节 风力发电机工作原理 一、风力发电机组的基本组成 并网型风电系统的风机一般为水平轴式，其组成如 REF _Ref536728554 \h 图2- 1所示。风力发电的基本原理是风吹动风轮机的叶轮，风能转化为机械能，叶轮通过一增速齿轮箱带动发电机旋转（直驱式风电系统无此环节），发电机再将机械能转化为电能送入电网供用户使用。对并网型风力发电机组的墨本要求是在当地风况、气候和电网条件下能够长期安全运行，取得最大的年发电量和最低的发电成本。风的速度和方向是不断交化的，优势甚至非常激烈。功率与风速的立方成正比。由于风力发电机组各个部件随时承受着交变载荷，疲劳强度是影响机组寿命的主要因素，因此风力发电机组对材料、结构、工艺和控制策略都提出了很高的要求。水平轴式风机在其桨叶顺风向时才旋转，因此根据风向，由伯航系统控制风机迎风。对于变浆矩机组，还需要一套变桨距系统，主要有液压型与电气传动型两类，前者适合在大中型机组中应用，后者具有可靠性和桨叶独立可调的特点。 图2- SEQ 图2- \* ARABIC 1 风力发电机组示意图 并网型风力发电机组可分为风轮、机舱、机架和基础几个部分。 风轮是获取风中能量的关键部件，由叶片和轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。风轮按叶片数可分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风轮。其中三叶片风轮由于稳定性好，在并网型风力发电机组上得到广泛应用。按照叶片能否围绕其纵向轴线传动，可以分为定桨距风轮和变桨距风轮。定桨距风轮叶片与轮毂固定连接，结构简单，但是承受的载荷较大。在风轮转速恒定的条件下，风速增加至超过额定风速时，如果风流与叶片分离，叶片将处于“失速”状态，风轮输出功率降低，发电机不会因超负荷而烧毁。变桨矩风轮的叶片与轮毂通过轴承连接，虽然结构比较复杂，但能够获得较好的性能，而且叶片承受的载荷较小、重量轻。另外按转速的变化又可以分为定转速风轮和变转速风轮。变转速风轮的转速随风速变化可以使风轮保持在最佳效率状态下运行，获取更多的能量，并减小因阵风引起的裁荷。但是变转速发电机的结构复杂，还需要通过交—直—交变流装置与电网频率保持同步的装置，又消耗了一些能量。 机舱由底盘和机舱罩组成。底盘上安装除了控制其以外的主要部件，机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔声和通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上下机舱的扶梯，大型机组还设有电梯。塔架结构有筒形和衍架两种形式。基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的形式。其中心预置与塔架连接的基础部件，要保证将风力发电机组牢牢固定在基础上。基础周围还要设置预防雷击的接地系统。 二、风力发电机结构 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一以大气为工作介质的能量利用机械。 风力发电机的组成部分（见 REF _Ref536296176 \h 图2- 2）： 图2- SEQ 图2- \* ARABIC 2风力发电机的组成部分 1.机舱：机舱包容着风力发电机的 \t /item/%E9%A3%8E%E5%8A%9B%E5%8F%91%E7%94%B5%E5%8E%9F%E7%90%86/_blank 关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。 2.转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。 3.轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。 4.低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，转子转速PG电子游戏 PG电子官网相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。 5.齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。 6.发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。 7.电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 8.液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 9.冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。 10.塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 11.风速计及风向标：用于测量风速及风向。 三、风力发电原理 风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，送到电网中，如 REF _Ref536267328 \h 图2- 3所示。 图2- SEQ 图2- \* ARABIC 3风力发电原理示意图 风力发电机组风轮叶片在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。定桨距风轮在风轮转速恒定的条件下，风速增加超过额定风速时，如果风流与叶片分离，叶片将处于“失速”状态，输出功率降低，发电机不会因超负荷而烧毁。变桨距风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角，当风速超过额定风速后，输出功率可稳定地保持在额定功率上，特别是在大风情况下，风力机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。 风力发电机将风轮传来的机械能利用电磁感应原理转换成电能，分为异步发电机和同步发电机两种，风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机。异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电，风速继续增加，发电机转速也略微升高，增加输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不再增加。反之风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后应脱开电网。对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，如从4极1500r/min变为6极1000r/min，但是这种发电机仍然可以看做是基本上恒定转速的，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且改善了低风速时的叶尖速比，提高了风能利用系数并降低了运行时的噪声。出于同样的考虑，一些变桨距风力发电机组也使用双速发电机。 普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网，无需同步调节装置，但风轮转速固定后效率较低，而且在交变的风速作用下，承受较大的载荷。为了克服这些不足之处，相继开发出了高滑差异步发电机和变转速双馈异步发电机。 同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用；另一种是交-直-交并网。近年来，由于大功率电子元器件的快速发展，变速恒频风力发电机组得到了迅速的发展。同步发电机也在风力发电机中得到广泛的应用。为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电机组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称无齿轮箱风力发电机组。其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化，风轮可以转换更多的风能，所承受的载荷稳定，减轻部件的重量。缺点是这种发电机结构复杂，制造工艺要求很高且需要变流装置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。 控制系统包括控制和监测两部分，控制部分又分为手动和自动。运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，自动控制应该在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全地运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询，也要送到风力发电场中央控制室的计算机系统，通过网络或电信系统现场数据还能传输到业主所在城市的办公室。 安PG电子游戏 PG电子官网全系统要保证机组在发生非正常情况时立即停机，预防或减轻故障损失，关键部件采用了“失效—保护”的原则，一旦发生某些部件失灵或电网停电，保护装置会立即启动制动风轮，防止事故进一步扩大。 四、风力发电机组的选型 在同一个风力发电场中，尽管风能资源大体相同，但对不同运行特性的风力发电机组，其可能获得的开发利用效应则大有区别。在风力发电场的优化设计中，风力发电机组机型选择的关键是提高风力发电机的容量系数。 1.风力发电设备认证体系 风力发电机组中最重要的一个方面是质量认证，这是保证风力发电机组正常运行及维护最根本的保障体系。风力发电机组制造都必须具备ISO9000系列的质量保证体系的认证。 国际上开展认证的部门有DNV、Lloyd等，参与或得到授权进行审批和认证的试验机构有丹麦的Riso国家实验室、德国风能研究所DEW1、德国Wind Test、荷兰EDN等。目前国内正由中国船级社( CCS)组织建立中国风电质量认证体系。 风力发电机组的认证体系包括号认证和形式认证。 （1）型号认证 对批量生产的风力发电机组进行型号认证中包括3个等级。 A级。A级认证所有部件的负载、强度和使用寿命的计算说明书或测试文件必须齐备，不允许缺少，不允许采用非标准件。认证有效期为一年，由基于ISO9001标准的总体认证组成。 B级。B级认证基于ISO9002标准，安全和维护方面的要求与A级认证相同，不影响基本安全的文件可以列表并可以使用非标准件。 C级。C级认证是专门用于实验和示范样机的，只认证安全性，不对质量和发电量进行认证。 （2）形式认证 形式认证包括以下5项内容： 设计评估。设计评估资料包括提供控制及保护系统的文件，并说明如何保证安全以及模拟实验和相关图纸；载荷效验文件，包括极端载荷、疲劳载荷、结构动态模型机实验数据、结构和机电部件设计资料、安全运行维护手册及人员安全手册等。 形式实验。形式实验包括安全性能实验、动态性能实验和载荷实验。 制造质量。在风力发电机组的制造过程中应提供制造质量保证汁划，包括设计文件、部件检验、组装机最终检验等，都要按ISO9000系列标准要求进行。 安装验收认证。在风力发电机组运抵现场后，应进行现场的设备验收认证。在安装高度和运行过程巾，应按照ISO9000系列标准进行验收。风力发电机组通过一段时间的运行应进行保修期结束的认证，认证内容包括技术服务是否按合同执行，损坏零件是否按合同规定赔偿等。 风力发电机组测试： ①功率曲线发电风轮机功率性能测量的要求进行。 ②噪声实验：按照IEC 614 00-11：2002噪声测量技术的要求进行。 ③电能品质：按照1EC 61400-21:2001风力发电机组电能质量测量和评估的要求进行。 ④动态载荷：按照1EC 61400-13：2001机械负载的测量的要求进行。 ⑤安全性能实验：按照IEC 61400-1：1999风力发电机组安全要求的要求进行。 2．对机组功率曲线的要求 功率曲线是风力发电机组发电功率输出与风速的关系曲线，是反映风力发电机组发电输出性能好坏的最主要曲线之一。厂家一般向用户提供两条功率曲线，一条是理论功率曲线，另一条是实测功率曲线，通常由公证的第三方即风电测试机构测得。如Lloyd、Riso等机构。国际电工组织(IEC)颁布实施了IEC 61400-12功率性能实验的功率曲线的测试标准，这个标准对如何测试标准功率曲线有明确的规定。 所谓标准的功率曲线是指在标准状态下的功率曲线。不同的功率调节方式，其功率曲线形状也就不同。不同的功率曲线对于相同的风况条件下，年发电量( AEP)就会不同。一般来说，失速型风力发电机组在叶片失速后，功率很快下降之后还会再上升，而变距型风力发电机组在达到额定功率之后，基本在一个稳定的功率上波动。对于某一风力发电场的测风数据，可以按分区的方法，求得某地风速分布的频率（即风频），根据风频曲线和风力发电机组的功率曲线，就可以计算出这台风力发电机组在这一风力发电场中的理论发电量。当然这里是假设风力发电机组的可利用率为100%。这里的计算是根据单台风力发电机组功率曲线和风频曲线进行的简单的年发电量计算，仅用于对机组的基本计算，不是针对风力发电场的。实际风力发电场各台风力发电机组的年发电量是利用专用的软件（如WAsP）来计算，年发电量将受到可利用率、风力发电机组安装地点风能资源情况、地形、障碍物、尾流等多种因素影响，理论计算仅是理想状态下的年发电量的估算。 3．对机组制造厂家的业绩考核 业绩是评判一个风电制造企业水平的重要指标之一，主要以其销售的风力发电机组数量来评价一个企业的业绩好坏。用户可直接反映该厂家的业绩，此外，还常常以风电制造公司所建立的年限来说明该厂家生产的经验，并作为评判该企业业绩的重要指标之一。 4．对特定条件的要求 （1）低温要求 中国北方地区冬季寒冷，然而在此期间风速很大，是一年四季中风速最高的时候，一般最寒冷的季节是1月份，-20℃以下气温的累计时间长达1-3个月，-30℃以下气温累计日数可达几天甚至几十天，一些风力发电场极端最低气温低于-40℃，而风力发电机组设计最低运行气温在-20℃以上，个别低温型风力发电机组最低可达-30℃。如果长时间在低温下运行，将损坏风力发电机组中的部件，如叶片等。其他部件如齿轮箱和发电机以及机舱、传感器都应采取加热措施。所以在中国北方冬季寒冷地区，风力发电机组运行应考虑以下几个方面： 应对齿轮箱油加热。 应对机舱内部加热。 传感器，如风速计应采取加热措施。 叶片应采用低温型的。 控制柜内应加热。 所有润滑油、脂应考虑其低温性。 （2）风力发电机组的防雷 由于风力发电机组安装在野外，安装的高度高，因此对雷电应采取防范措施．以便对风力发电机组加以保护。我国风力发电场特别是东南沿海风力发电场，经常受到暴风雨及台风袭击，雷电日从几天到几十天不等。雷电放电电压高达几百千伏甚至到上亿伏，产生的电流从几十千安到几百千安。雷电主要划分为直击雷和感应雷。雷电直击会造成叶片开裂，通信和控制系统芯片烧损。目前，国内外各风力发电机组厂家及部件生产厂，都在其产品上增加了雷电保护系统。通过机舱上高出测风仪的铜棒，起到避雷针的作用，保护测风仪不受雷击；通过机舱塔架良好的导电性，雷电从叶片、轮毂到机舱塔架导人大地，避免其他机械设备如齿轮箱、轴承等损坏。电源也应采用隔离性，并在变压器周围同样采取防雷接地网及过电压保护。 （3）电网条件的要求 中国风力发电场多数处于大电网的末端，接人到35 kV或110 kV线路。若三相电压不平衡、电压过高或过低都会影响到风力发电机组运行。风力发电机组厂家一般都要求电网的三相不平衡误差不大于5%，电压上限不超过+10%，下限不超过-15%，否则经过一定时间后机组将停止运行。 （4）防腐 中国东南沿海风力发电场大多位于海滨或海岛上，海上的盐雾腐蚀相当严重，因此防腐十分重要。腐蚀主要由电化学反应造成，涉及法兰、螺栓、塔筒等部位。这些部件应采用热镀锌或喷锌等办法保证金属表面不被腐蚀。 （5）对技术服务与技术保障的要求 风力发电设备商除了向客户提供设备外，还应提供技术服务、技术培洲和技术保障。如设备供应商应提供两年5次的免费维护，如果部件或整机在保修期内损坏（由于厂家质量问题），应由厂家免费提供新的部件（或整机）。 5.风力发电机组的容量选择 （1）风力发电机组单机容量选择的原则 “性能价格比最优”永远是项目设备选择决策的重要原则。 风力发电机组单机容量大小的影响。从单机容量为0.25 MW到2.5 MW的各种机型中，单位千瓦造价随单机容量的变化呈U形趋势。目前600 kW风力发电机组的单位千瓦造价正处于U形曲线的最低点。随着单机容量的增加或减少，单位千瓦的造价都会有一定程度上的增加。如600 kW以上，风轮直径、塔架的高度、设备的重量都会增加。风轮直径和塔架高度的增加会引起风力发电机组疲劳载荷和极限载荷的增加，要有专门加强型的设计，在风力发电机组的控制方式上也要做相应的调整，从而引起单位千瓦造价上升。 考虑运输与吊装的条件和维修成本。1.3 MW风力发电机组需使用3MN标称负荷的吊车，叶片长度达到29 m，运输成本相当高。相关资料见 REF _Ref7939701 \h 表2- 1。由于运输转弯半径要求较大，对项目现场的道路宽度、周围的障碍物均有较高要求。起吊重量越大的吊车本身移动时对桥梁道路要求也越高，租金也越贵。 表2- SEQ 表2- \* ARABIC 1 单机容量选择需要考虑的因素 兆瓦级风机维修成本高，一旦发生部件损坏，需要较强的专业安装队伍及吊装设备，更换部件、联系吊车，会造成较长的停电时间。单机容量越大，机组停电所造成的影响电就越大。目前情况下选择兆瓦级风力发电机组所需要的运行维护人员的技术条件及装备都较高，有一定的难度。 （2）发电成本因素 风力发电机组的工作受到自然条件制约，不可能实现全运转，即容量系数小于1。所以在选型过程中力求选择在同样风能资源情况下，发电最多的机

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