風(fēng)力發(fā)電機介紹

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1、風(fēng)力發(fā)電機介紹 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)力機的相關(guān)參數(shù)（以水平軸風(fēng)力機為例） 3. 風(fēng)力機的種類 3.1. 水平軸風(fēng)力機 3.2. 垂直軸風(fēng)力機 4. 水平軸風(fēng)力機詳細(xì)介紹 4.1. 風(fēng)輪機構(gòu) 4.2 .傳動裝置 4.3. 迎風(fēng)機構(gòu) 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(fēng)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(shù) 5.2. （恒速）異步發(fā)電機變電并網(wǎng)技術(shù) 5.3. 交一直一交并網(wǎng)技術(shù) 5.4. 風(fēng)力發(fā)電機的變電站的布置 6

2、. 風(fēng)力發(fā)電場 7. 風(fēng)力機發(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)展和運用； 2） 大型風(fēng)力機制造技術(shù)及風(fēng)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(dāng) 一臺鍋爐價格）。 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 0.19?0.20。 2.1.2. 風(fēng)速頻率

3、曲線： 在一年或一個月的周期中，出現(xiàn)相同風(fēng)速的小時數(shù)占這段時間總小時數(shù)的百分比稱風(fēng)速頻 《X》爭譽!?x - - 2 I*) !□ 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）： 在一年或一個月的周期中，出現(xiàn)相同風(fēng)向的小時數(shù)占這段時間總小時數(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)力機的軸功率Pw： 2 3 :空氣密度（

4、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

5、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(fēng)力機的種類: 風(fēng)力機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其它能的機械; 圖。 其結(jié)構(gòu)多種多樣，圖6示意了各種類型風(fēng)力機的示意 3.1. 水平軸風(fēng)力機: 32 垂直軸風(fēng)力機: 風(fēng)輪軸線安裝位置與水平面垂直的風(fēng)力機叫做垂直軸風(fēng)力機。 4. 水平軸風(fēng)力機詳細(xì)介紹： 水平軸風(fēng)力機是當(dāng)今普遍應(yīng)用、 推廣的機型，是風(fēng)能利用的主要形式。中小型風(fēng)力機為運行 平穩(wěn)

6、多選用三葉片結(jié)構(gòu)，兆瓦級風(fēng)力機由于造價因素多選用二葉片結(jié)構(gòu)。 下文就水平軸風(fēng)力 機的風(fēng)輪機構(gòu)、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(fēng)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(fēng)力機的機艙結(jié)構(gòu)示意圖 4.1. 風(fēng)輪機構(gòu): 4.1.1. 葉片：是風(fēng)力機主要構(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)力機的關(guān)鍵 部件，大型風(fēng)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(fù)雜的載荷，中小型風(fēng)力機采用剛性連接，兆瓦級風(fēng)力機采用蹺蹺板連接方式。 變漿距、定漿距的概念 在風(fēng)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(hù)■單 捕悴隻力量/h * j* 需辛?xí)r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(fēng)輪： 變漿距調(diào)節(jié)機構(gòu)：能自動改變?nèi)~片的安裝角，以適應(yīng)風(fēng)力機各工況下的 功率、轉(zhuǎn)速的調(diào)整。可為電液伺服或電子機械結(jié)構(gòu)。 快速應(yīng)急順漿機構(gòu)：能使葉片的安裝角 （圖四）快速趨近為0,可作為緊 急停機的方法?？蔀闅鈩?、液壓或機械（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，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。 葉尖氣動剎車機構(gòu)：在風(fēng)力機緊急停機時，可通過葉輪上的液壓機構(gòu)將葉尖剎車機構(gòu)轉(zhuǎn)到橫

10、切風(fēng)的位置。 42 傳動裝置: 風(fēng)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(gòu)，在緊急停車或檢修時用。 4.3. 迎風(fēng)機構(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)力機具有自動對風(fēng)的能力， 上風(fēng)式風(fēng)力機 應(yīng)有電動迎風(fēng)機構(gòu)，迎風(fēng)機構(gòu)應(yīng)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(shè)備的整步操作達(dá)到準(zhǔn)

11、同步并網(wǎng)（并網(wǎng)困難） ，由于風(fēng)速變化大，以及 同步發(fā)電機要求轉(zhuǎn)速恒定（50Hz 0.2），風(fēng)力機必需裝有良好的變漿距調(diào)節(jié)機構(gòu)。 4.4.2. （恒速）異步發(fā)電機： 異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)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(fù)荷，因此對機組的調(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(fēng)速時發(fā)電 機的效率問題。 4.4.3. 變速運行風(fēng)力發(fā)電機： 變速運行風(fēng)力發(fā)電機：

12、可采用類同于（恒速）異步 /同步發(fā)電機的結(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(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)電機制造商 U.S Ken etech/Wi ndPower

13、1993 年研制的變速運行風(fēng)力發(fā)電機 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)電機中應(yīng)用變流技術(shù)（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(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(fēng)力發(fā)電機可在不同的風(fēng)速下通過調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速 消除了在風(fēng)速變化時對恒速運行風(fēng)力發(fā)電機的載荷沖擊，使風(fēng)力機運行更可靠、平穩(wěn)。 4.5. 塔架： 作用：支撐風(fēng)

15、力機回轉(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)電機和塔架的關(guān)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(yīng)（指由塔架造成的氣流渦流區(qū)對風(fēng)力機產(chǎn)生的影響） ，塔架可采 用鋼筋水泥結(jié)構(gòu)，降低造價。 2） 兩臺發(fā)電機可共享設(shè)備 （如:液壓、控制器、變送電設(shè)備、迎風(fēng)機構(gòu)、避雷設(shè)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(fēng)力機遭雷擊，LM公司估計每年有1%~2的風(fēng)葉遭雷擊，所以并網(wǎng)運 行的大型風(fēng)力機的防雷是非常重要的。 對葉片、 塔架

16、、 機艙都應(yīng)采取不同的避雷器件和防雷 技術(shù)，以增加風(fēng)力機的避雷能力。 4.7. 控制部分： （ 風(fēng)力機單機控制及風(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(shù)： 由于風(fēng)速的不確定性， 風(fēng)力機的可調(diào)速性能很難達(dá)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(zhǔn)同步并網(wǎng)方式： 準(zhǔn)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(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(shù)： 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(fù)荷，因此對機組的調(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(dǎo)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(yán)接 JUL 5.2.4. 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(jìn)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(shè)

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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的變電站的布置： 風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(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，多臺變壓設(shè)備，輸電線路，信號傳輸網(wǎng)絡(luò), 風(fēng)力機機組左右之間的距離》 4~5倍的風(fēng)輪直徑，機組的前后之間的距離》 7. 風(fēng)力機發(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)電機發(fā)展的幾個方向： 1) 發(fā)展大功率風(fēng)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(jié)構(gòu)(柔性葉片、柔性塔架)降低材料消耗。