風(fēng)力發(fā)電原理論文講解

1、風(fēng)力發(fā)電的基本原理1引言風(fēng)是最常見的自然現(xiàn)象之一，是太陽對(duì)地球表面不均衡加熱而引起的 “空氣 流動(dòng)”，流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能稱之為風(fēng)能。因此，風(fēng)能是一種廣義的太陽能。據(jù) 世界氣象組織（WM）和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)能 資源為200億kW是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的 風(fēng)能為2.53億kW海上可利用的風(fēng)能是陸地上的 3倍，50m高度層可利用的風(fēng) 能是10m高度層的2倍，風(fēng)能資源非常豐富。2風(fēng)力發(fā)電基本理論知識(shí)2.1風(fēng)能的計(jì)算公式空氣運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能。風(fēng)能是指風(fēng)所具有的動(dòng)能。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的斷面積為A,則當(dāng)風(fēng)速為V的風(fēng)流經(jīng)葉輪時(shí)，單位時(shí)間風(fēng)傳遞給葉輪的

2、風(fēng)能為其中：單位時(shí)間質(zhì)量流量m=p AVP AV2 P AV3Pw=CpHmqLP AV3在實(shí)際中，式中：PV每秒空氣流過風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪斷面面積的風(fēng)能，即風(fēng)能功率，WCp 葉輪的風(fēng)能利用系數(shù)；仃齒輪箱和傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率，一般為0.80 0.95，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為 1.0 ；e發(fā)電機(jī)效率，一般為0.70 0.98 ;P 空氣密度，kg/m3;a風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)一周所掃過的面積，m?；V風(fēng)速，m/s。2.2貝茨（Betz）理論第一個(gè)關(guān)于風(fēng)輪的完整理論是由德國哥廷根研究所的A 貝茨于1926年建立的貝茨假定風(fēng)輪是理想的，也就是說沒有輪轂，而葉片數(shù)是無窮多，并且對(duì)通 過風(fēng)輪的氣流沒有阻力。因此這

3、是一個(gè)純粹的能量轉(zhuǎn)換器。 此外還進(jìn)一步假設(shè)氣 流在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面上的氣流是均勻的， 氣流速度的方向無論在風(fēng)輪前后還是通 過時(shí)都是沿著風(fēng)輪軸線的。通過分析一個(gè)放置在移動(dòng)空氣中的“理想”風(fēng)輪得出風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功 率為8 3卩昨=p AV3式中：Pma風(fēng)輪所能產(chǎn)生的最大功率；P 空氣密度，kg/m3;a風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)一周所掃過的面積，m2 ；V風(fēng)速，m/s。這個(gè)表達(dá)式稱為貝茨公式。其假定條件是風(fēng)速與風(fēng)輪軸方向一致并在整個(gè)風(fēng) 輪掃掠面上是均勻的。將式除以氣流通過掃掠面 A時(shí)風(fēng)所具有的動(dòng)能，可推得風(fēng)力機(jī)的理論最大效 率L6-0 593式即為有名的貝茲（Betz）理論的極限值。它說明，風(fēng)力機(jī)從自然

4、風(fēng)中所能 索取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異， 因此，風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù) CpvO.593。2.3溫度、大氣壓力和空氣密度通過溫度計(jì)和氣壓計(jì)測試出實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境溫度和大氣壓，由下式計(jì)算出空氣密度。箔2.対 hP = （27?+ 0 I0J325式中：p 空氣密度，kg/m3；h當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，Pa；t 溫度，c。從空氣密度公式可以看出，空氣密度的大小與大氣壓力、溫度有關(guān)。2.4風(fēng)輪直徑與掃掠面積風(fēng)輪直徑是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的外圓直徑，用D表示。風(fēng)輪直徑大小決定了風(fēng)輪掃 掠面積的大小以及葉片的長度，是影響

5、機(jī)組容量大小和機(jī)組性價(jià)比的主要因素之。根據(jù)貝茨理論，風(fēng)輪從自然風(fēng)中獲取的功率為：P = 1 psc P。32S旦式中：4S為風(fēng)輪的掃掠面積，D增加,則其掃掠面積與D2成比例增加，其獲取的 風(fēng)功率也相應(yīng)增加。2.5輪轂高度風(fēng)輪高度是指風(fēng)輪輪轂中心離地面的高度， 是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè) 重要參數(shù)。由于風(fēng)剪切特性，離地面越高，風(fēng)速越大，具有的風(fēng)能也越大，因此大型風(fēng) 電機(jī)組的發(fā)展趨勢是輪轂高度越來越高。 但是輪轂高度增加，所需要的塔架高度 也相應(yīng)增加，當(dāng)塔架高度達(dá)到一定水平時(shí)，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和安裝等方面都將 產(chǎn)生新的問題，也導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組成本相應(yīng)增加。2.6葉片數(shù)組成風(fēng)輪的葉片個(gè)數(shù)，用B表示。選

6、擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要考慮風(fēng)電機(jī)組的性能和載荷、風(fēng)輪和傳動(dòng)系統(tǒng)的成本、 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)噪聲及景觀效果等因素。圖 2.6.1采用不同的葉片數(shù)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都將產(chǎn)生不同的影 響。風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率取決于風(fēng)輪的功率系數(shù)02468101214161葉光速比乂圖262多葉片風(fēng)車的最佳葉尖速比較低，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以很慢，因此也稱為慢速風(fēng)輪。 當(dāng)然多葉片風(fēng)輪由于功率系數(shù)很低，因而很少用于現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組?，F(xiàn)代水平軸風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的功率系數(shù)比垂直軸風(fēng)輪高， 其中三葉片風(fēng)輪的功 率系數(shù)最高，其最大功率系數(shù)約為0.47，對(duì)應(yīng)葉尖速比約為7;雙葉片和單葉片 風(fēng)輪的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率略低，其最大功率系數(shù)對(duì)應(yīng)的葉尖速比也高于三

7、葉片風(fēng)輪， 即在相同風(fēng)速條件下，葉片數(shù)越少，風(fēng)輪最佳轉(zhuǎn)速越高，因此有時(shí)也將單葉片和 雙葉片風(fēng)輪稱為高速風(fēng)輪。風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。衡量風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩性能重 要參數(shù)：轉(zhuǎn)矩系數(shù)：功率系數(shù)除以葉尖速比。轉(zhuǎn)矩系數(shù)決定了傳動(dòng)系統(tǒng)中主軸及齒輪 箱的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組希望轉(zhuǎn)矩系數(shù)小，以降低傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)費(fèi)用00.50.6S 0.402葉尖速比&圖263葉片數(shù)越多，最大轉(zhuǎn)矩系數(shù)值也越大，對(duì)應(yīng)的葉尖速比也越小，表明起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩越大。三葉片風(fēng)輪的性能比較好，目前，水平軸風(fēng)電機(jī)組一般采用兩葉片或三葉片 風(fēng)輪，其中以三葉片風(fēng)輪為主。我國安裝投運(yùn)的大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組幾乎全部采用 三葉片風(fēng)輪。葉片數(shù)量

8、減少，將使風(fēng)輪制造成本降低，但也會(huì)帶來很多不利的因 素，在選擇風(fēng)輪葉片數(shù)時(shí)要綜合考慮。兩葉片風(fēng)輪上的脈動(dòng)載荷大于三葉片風(fēng)輪。 另外，由于兩葉片風(fēng)輪轉(zhuǎn)速高，在旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生較大的空氣動(dòng)力噪聲， 對(duì)環(huán)境產(chǎn) 生不利影響，而且風(fēng)輪轉(zhuǎn)速快視覺效果也不好。風(fēng)輪實(shí)度：風(fēng)輪葉片總面積與風(fēng)輪掃掠面積的比值， 常用于反映風(fēng)輪的風(fēng)能 轉(zhuǎn)換性能。風(fēng)輪的葉片數(shù)多，風(fēng)輪的實(shí)度大，功率系數(shù)比較大，但功率曲線較窄，對(duì)葉 尖速比的變化敏感。葉片數(shù)減小，風(fēng)輪實(shí)度下降，其最大功率系數(shù)相應(yīng)降低，但 功率曲線也越平坦，對(duì)葉尖速比變化越不敏感。2.7風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉尖速比葉尖速比為風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比，是描述風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪特性的一 個(gè)重

9、要的無量綱量。、wrR扎 =%對(duì)于特定的風(fēng)輪形式，其功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線確定， 形狀如同一 個(gè)山包。在某一葉尖速比值處，功率系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)，風(fēng)輪吸收的風(fēng)能最 多，對(duì)應(yīng)的葉尖速比值稱為最佳葉尖速比。風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪的一個(gè)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能多地吸收風(fēng)能，因此在低于額定 風(fēng)速的區(qū)域，希望使風(fēng)輪盡可能工作在最大功率系數(shù)附近， 即風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的 比值盡可能保持在最佳葉尖速比附近。由于風(fēng)速是連續(xù)不斷變化的，因此需要對(duì) 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使之與風(fēng)速變化匹配。風(fēng)輪錐角和風(fēng)輪仰角風(fēng)輪錐角：葉片與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸相垂直的平面的夾角。風(fēng)輪仰角：風(fēng)輪主軸與水平面的夾角。由于葉片為細(xì)長柔性體結(jié)構(gòu)，在其旋轉(zhuǎn)過程

10、中，受風(fēng)載荷和離心載荷的作用， 葉片將發(fā)生彎曲變形，風(fēng)輪錐角和仰角的主要作用是防止葉片在發(fā)生彎曲變形狀 態(tài)下，其葉尖部分與塔架發(fā)生碰撞。I,風(fēng)輪基礎(chǔ)圖 2.7.1偏航角：通過風(fēng)輪主軸的鉛垂面與風(fēng)速在水平面上的分量的夾角。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，根據(jù)測量的風(fēng)速方向，通過偏航系統(tǒng)對(duì)風(fēng)輪的方向進(jìn)行調(diào)整，使其始終保持正面迎向來風(fēng)方向，以獲得最大風(fēng)能吸收率風(fēng)電機(jī)組的基本性能主要指其吸收和轉(zhuǎn)化風(fēng)能的性能，即風(fēng)輪的氣動(dòng)性能。功率特性是反映風(fēng)電機(jī)組基本性能的重要指標(biāo)， 用風(fēng)電機(jī)組輸出功率隨風(fēng)速 的變化曲線來表示。功率曲線直接影響風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量。圖 2.7.21000S 800不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的理論風(fēng)功率曲線、根

11、據(jù)貝茨理論計(jì)算的理想風(fēng)輪吸收風(fēng)功率 曲線以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線。其中理論風(fēng)功率與風(fēng)速的三次方成正 比，而根據(jù)貝茨定理，理想風(fēng)輪只能吸收部分風(fēng)功率（極限狀態(tài)下，只能吸收理 論風(fēng)功率的0.59倍），實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪不滿足理想風(fēng)輪條件， 并且存在各種 損失，其風(fēng)能吸收數(shù)量低于貝茨極限。 風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展過程，一直追求使機(jī)組的 風(fēng)能利用系數(shù)接近貝茨極限。2.8風(fēng)資源概述（1）風(fēng)的起源風(fēng)的形成乃是空氣流動(dòng)的結(jié)果。風(fēng)就是水平運(yùn)動(dòng)的空氣，空氣運(yùn)動(dòng)主要是由 于地球上各緯度所接受的太陽輻射強(qiáng)度不同而形成的。大氣的流動(dòng)也像水流一 樣，是從壓力高處往壓力低處流，太陽能正是形成大氣壓差的原因。 由于地球自 轉(zhuǎn)

12、軸與圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軸之間存在 66. 5的夾角，因此對(duì)地球上不同地點(diǎn)太陽 照射角度是不同的，而且對(duì)同一地點(diǎn)一年中這個(gè)角度也是變化的。 地球上某處所 接受的太陽輻射能與該地點(diǎn)太陽照射角的正弦成正比。（2）風(fēng)能的基本情況1風(fēng)能的特點(diǎn)風(fēng)能的特點(diǎn)主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有 風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相 互轉(zhuǎn)換等。2隨機(jī)性速度大小和方向隨時(shí)間不斷變化，能量和功率隨之發(fā)生改變?？赡苁嵌虝r(shí) 間波動(dòng)，或晝夜變化，或季節(jié)變化。3風(fēng)速隨高度的增加而變化地面上風(fēng)速較低的原因是由于地表植物、 建筑物以及其他障礙物的磨擦所造 成的。風(fēng)速沿高度的相對(duì)

13、增加量因地而異，可表示為:Vo=(HHo)2n 二 0.04In z 0.003(ln z。)20.24空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能稱為“風(fēng)能”。E = 1 mV 2 = 1 T AVtV 2 = L AtV 32 2 2單位時(shí)間內(nèi)垂直流過截面A的空氣擁有的做功能力，稱為風(fēng)能功率(W)1W AV2風(fēng)能功率與風(fēng)速的立方成正比，與流動(dòng)空氣密度和垂直流過的投影面積成正 比。2.9風(fēng)能密度圖 2.9.1風(fēng)能密度是決定風(fēng)能潛力大小的重要因素。風(fēng)能密度和空氣的密度有直接關(guān) 系，而空氣的密度則取決于氣壓和溫度。因此，不同地方、不同條件的風(fēng)能密度 是不同的。一般說，海邊地勢低，氣壓高，空氣密度大，風(fēng)能密度也就高。在這

14、種情況下，若有適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，風(fēng)能潛力自然大。高山氣壓低，空氣稀薄，風(fēng)能密 度就小些。但是如果高山風(fēng)速大，氣溫低，仍然會(huì)有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)能潛力。所以說， 風(fēng)能密度大，風(fēng)速又大，則風(fēng)能潛力最好。風(fēng)能密度是估計(jì)風(fēng)能潛力大小的一個(gè)重要指標(biāo)。定義：單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面積的風(fēng)能。P值的大小隨氣壓、氣溫和濕度等大氣條件的變化而變化。在海拔高度500m 以下，p取1.225kg/m3，若海拔超過500m必須考慮空氣密度的變化。門. cc 廠匚0.00012/3 5 = 1.225h （kg /m ）一般風(fēng)速是用平均值表示的，平均風(fēng)能密度可采用直接計(jì)算和概率計(jì)算兩種 方法求得，各氣象臺(tái)站都有詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄資料。平均風(fēng)

15、能密度：一定時(shí)間周期（如一年或一月）內(nèi)風(fēng)能密度的平均值。1 T 13十：二一-V dtT2可直接利用觀測資料計(jì)算平均風(fēng)能密度。根據(jù)平均風(fēng)能密度計(jì)算公式，先計(jì)算每個(gè)小時(shí)的風(fēng)能密度， 能密度。然后再求和，并按全年小時(shí)數(shù)平均，就可得到年平均風(fēng)n.二 _ .- ?Vi3tiT y 22.9.1有效風(fēng)能密度：實(shí)際上，風(fēng)能不可能全部轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)不能獲得全部理論上的能量。當(dāng)風(fēng)速由0逐漸增加達(dá)到某一風(fēng)速Vm（切入風(fēng)速）時(shí)，風(fēng)力機(jī)才開始提供 功率。該風(fēng)速下，風(fēng)輪軸上的功率等于整機(jī)空載時(shí)自身消耗的功率，風(fēng)力機(jī)還不能對(duì)用戶輸出功。風(fēng)速繼續(xù)增加，達(dá)到某一確定值 VN（額定風(fēng)速），在該風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)提供額 定功率

16、或正常功率。超過該值時(shí)，利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)，輸出功率將保持常數(shù)。如果風(fēng)速繼續(xù)再增加到某一值 VM切斷風(fēng)速）時(shí)，出于安全考慮，風(fēng)力機(jī)應(yīng) 停止運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)力機(jī)不輸出功率 。在實(shí)際的風(fēng)能利用中，對(duì)于那些不能使風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置如風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)或運(yùn) 行的風(fēng)速，例如03米的風(fēng)速不能使風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，超過風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)速將會(huì)給風(fēng)機(jī) 帶來破壞，故這部分風(fēng)速也無法利用，除去這些不可利用的風(fēng)速后，得出的平均 風(fēng)速所求出的風(fēng)能密度稱之為有效風(fēng)能密度。VW 0.5 p V3P（v）dvV1啟動(dòng)風(fēng)速V2停機(jī)風(fēng)速P（v）有效風(fēng)速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)2.9.2年風(fēng)能可利用時(shí)間年風(fēng)能可利用時(shí)間是指年之中可以運(yùn)行在有效的風(fēng)速范圍內(nèi)的時(shí)間，它可

17、由下式求得：t = Nexp (V1/c)k-exp (V2/c)k式中N為全年的小時(shí)數(shù)，V1為啟動(dòng)風(fēng)速，V2為停機(jī)風(fēng)速，C、K為威布爾分 布的兩個(gè)參數(shù)。2.10風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性圖 2.10.1第一個(gè)運(yùn)行區(qū)域是啟動(dòng)階段，此時(shí)電機(jī)增速，但沒有并網(wǎng)，沒有功率輸出。第二個(gè)運(yùn)行區(qū)域是風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)并運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。這一階段又可分為兩個(gè)區(qū)域：變速運(yùn)行區(qū)和恒速運(yùn)行區(qū)。第三個(gè)運(yùn)行區(qū)域?yàn)楣β屎愣▍^(qū)。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，通過變槳控制，從而保持 功率不變。3風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成3.1）小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)小型水平軸風(fēng)力機(jī)主要組成部分有：風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、塔架、調(diào)向機(jī)構(gòu)、蓄能 系統(tǒng)、逆變器等。（1）風(fēng)輪風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸

18、收能量的部件，其作用是把空氣流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng) 輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪是由13個(gè)葉片組成的。葉片的結(jié)構(gòu) 形式多樣，材料因風(fēng)力機(jī)型號(hào)和功率大小而定，如木心外蒙玻璃鋼葉片、玻璃纖 維增強(qiáng)塑料樹脂葉片等。（2）發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中， 已采用的發(fā)電機(jī)有 3 種，即直流發(fā)電機(jī)、 同步交流發(fā)電機(jī) 和異步交流發(fā)電機(jī)。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用同步或異步交流發(fā)電機(jī)， 發(fā)出的交流 電通過整流裝置轉(zhuǎn)換成直流電。（3）塔架 塔架用于支撐 發(fā)電機(jī)和調(diào)向機(jī)構(gòu)等。因風(fēng)速隨離地面的高度增加而增加， 塔架越高，風(fēng)輪單位面積捕捉的風(fēng)能越多，但造價(jià)、安裝費(fèi)等也隨之加大。（4）調(diào)向機(jī)構(gòu)垂直軸風(fēng)力機(jī)可接受任何方向吹來的風(fēng)

19、， 因此不需要調(diào)向機(jī)構(gòu)。 對(duì)于水平軸 風(fēng)力機(jī)，為了得到最高的風(fēng)能利用效率， 應(yīng)用風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向， 需要 對(duì)風(fēng)裝置。常用的調(diào)向機(jī)構(gòu)主要有尾舵、舵輪、電動(dòng)對(duì)風(fēng)裝置。（5）限速機(jī)構(gòu)當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)， 為了防止葉片損壞， 需要對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行 控制。（6）貯能裝置 貯能裝置對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力機(jī)是十分重要的。其貯能方式有熱能貯能、 化學(xué)能貯存。（7）逆變器 用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以滿足交流電氣設(shè)備用電的要求。3.2 ） 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成： 氣動(dòng)機(jī)械部分和電氣部分。 氣動(dòng)機(jī)械部 分包括風(fēng)輪、低速軸、增速齒輪箱、高速軸，其功能是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，將風(fēng)能 轉(zhuǎn)

20、換為機(jī)械能。電氣部分包括異步發(fā)電機(jī)、電力電子變頻器、變壓器和電網(wǎng)，其 功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為頻率恒定的電能。 近年來，又研制成功了直驅(qū)式變速恒頻 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（無增速齒輪箱） 。4. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類風(fēng)力發(fā)電機(jī)多種多樣， 但歸納起來可分為兩類： 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 風(fēng)輪的 旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。4.1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī) （Horizontal Axis Wind Turbine）5UT-佃00岡韌 Ufi電機(jī)主電輕匹 捷卄配 機(jī)施罩0牟疑0卻詢樂0沌壓站4皮主ODOO圖 4.1.1水平軸風(fēng)力機(jī)構(gòu)造風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般有風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)（包括裝置）、塔架、

21、機(jī)艙（或機(jī)座）、調(diào)向 器（尾翼）、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理比較 簡單，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機(jī)械能。 發(fā)電機(jī) 在風(fēng)輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)輪是集風(fēng)裝置，它的作用是把流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械 能。一般它主要由葉片和輪轂組成，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪由2個(gè)或3個(gè)葉片構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的作用是將風(fēng)能最終變成電能而輸出，已采用的發(fā)電機(jī)有3種,即直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中調(diào)向器的功能是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪隨時(shí)都迎著風(fēng)向，從而能最大限度地獲取風(fēng)能。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎全部是利用尾翼來控制風(fēng)輪的迎風(fēng)方 向的。尾翼的材料通

22、常采用鍍鋅薄鋼板。限速安全機(jī)構(gòu)是用來保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全的。 限速安全機(jī)構(gòu)的設(shè)置可以 使風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)保持基本不變。塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)，稍大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架一般采用由角鋼或圓 鋼組成的桁架結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)的輸出功率與風(fēng)速的大小有關(guān)。 由于自然界的風(fēng)速是極不穩(wěn)定的，風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的輸出功率也極不穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能一般是不能直接用在電 器上的，先要儲(chǔ)存起來。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)用的蓄電池多為鉛酸蓄電池。水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。葉片徑向 安置于風(fēng)輪上，與旋轉(zhuǎn)軸垂直或近似垂直。風(fēng)輪葉片數(shù)目視風(fēng)力機(jī)用途而定， 用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)的葉片數(shù)一

23、般取13片，用于風(fēng)力提水的風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)一般取1224片。(b)三葉式圖 4.1.2按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快慢劃分，可分為高速風(fēng)力機(jī)和低速風(fēng)力機(jī)。高速風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)較少，13片應(yīng)用得較多，其最佳轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪葉尖 線速度為515倍風(fēng)速。在高速運(yùn)行時(shí)，高速風(fēng)力機(jī)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)。 由 于葉片數(shù)較少，在輸出功率相同的條件下，比低速風(fēng)輪要輕得多，因此適用于發(fā) 電。葉片數(shù)較多的風(fēng)力機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速較低， 為高速風(fēng)力機(jī)的一半甚至更低，風(fēng)能 利用率也較高速風(fēng)輪的低，通常稱為低速風(fēng)力機(jī)。起動(dòng)力矩大，起動(dòng)風(fēng)速低。低 速運(yùn)行產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)矩，因而適用于提水。按照風(fēng)輪與塔架相對(duì)位置的不同劃分水平軸風(fēng)力機(jī)逆風(fēng)式風(fēng)力機(jī)以空氣流向作為

24、參考，風(fēng)輪在塔架前迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)為逆風(fēng)式風(fēng)力機(jī)。需 要調(diào)風(fēng)裝置，使風(fēng)輪迎風(fēng)面正對(duì)風(fēng)向。順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪在塔架的下風(fēng)位置旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)。能夠自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，不需要調(diào)向裝置。缺點(diǎn)：空氣流先通過塔架然后再流向風(fēng)輪，會(huì)造成塔影效應(yīng)，風(fēng)力機(jī)性能降低。圖 4.1.3水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)方式可分為：?定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組?變槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組?變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1）定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過風(fēng)輪葉片失速來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng) 時(shí)的功率輸出，通過葉尖擾流器來實(shí)現(xiàn)極端情況下的安全停機(jī)問題。2）變槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距失速型（主動(dòng)失速型）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低于

25、額定風(fēng)速時(shí)通過改變槳距 角，使其功率輸出增加，或保持一定的槳距角運(yùn)行；在高于額定風(fēng)速時(shí)通過改變 葉片槳距角來控制功率輸出，穩(wěn)定在額定功率。3）變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片槳距角可以調(diào)節(jié)，同時(shí)發(fā)電機(jī)可以變 速，并輸出恒頻恒壓電能。在低于額定風(fēng)速時(shí)，它通過改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和葉片槳距 角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在最佳尖速比下運(yùn)行，輸出最大的功率；在高于額定風(fēng)速時(shí)通 過改變?nèi)~片槳距角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出穩(wěn)定在額定功率。水平軸風(fēng)機(jī)采集風(fēng)能的基本計(jì)算公式P=（CpX p X v3X A）/2其中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)（Power Coefficient ），表示風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能的能力，Cp=Pca

26、pture / Pwi ndp為空氣密度（kg/m3），與海拔、水汽壓（即濕度）v為風(fēng)速（m/s），通常按輪轂高度處風(fēng)速計(jì)算A為葉輪掃風(fēng)面積（m2），打星齒輪圖 4.1.44.2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Vertical Axis Wind Turbine)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)向改變時(shí)無需對(duì)風(fēng)， 在這點(diǎn)上相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電 機(jī)是一大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化，而且也減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)時(shí)的陀螺力。 另 外，在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)要小， 并且它在低風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)電量也較大。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)從分類來說，主要分為 阻力型和升力型。阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是利用空氣流過

27、葉片產(chǎn)生的阻力 作為驅(qū)動(dòng)力，而升力型則是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動(dòng)力。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會(huì)增大，所以升力型 的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率要比阻力型的高很多。定義：垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：無需調(diào)風(fēng)向裝置，可接受來自任何方向的風(fēng)，風(fēng)向改變時(shí)無需對(duì)風(fēng)。 齒輪箱和發(fā)電機(jī)均可安裝在地面上或風(fēng)輪下，運(yùn)行維修簡便，費(fèi)用較低。葉片結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，設(shè)計(jì)費(fèi)用較低。分類：阻力型風(fēng)力機(jī)：利用空氣對(duì)葉片的阻力做功。升力型風(fēng)力機(jī)：利用翼 型升力做功。升力型：達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。形式:有形、H形、形、丫形和菱形等。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)形

28、狀，可簡單地歸 納為直葉片和彎葉片兩種C b)圖421 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（S型）工作原理垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（S型），是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿牡?轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。利用風(fēng)力發(fā)電，向蓄電池充電蓄存電能。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采 用的永磁懸浮技術(shù)兩用型風(fēng)機(jī)的專利技術(shù)，采用低風(fēng)速啟動(dòng)，無噪音，堪稱無聲風(fēng)力發(fā)電機(jī)。比同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率高于 10-30%它普遍適用于風(fēng)能條件好， 遠(yuǎn)離電網(wǎng)，或電網(wǎng)不正常的地區(qū)，供給照明、電視機(jī)、探照燈、放像、通訊設(shè)備 和電動(dòng)工具用電。S形風(fēng)力機(jī)由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)可在較低風(fēng)速下運(yùn)行，但S形風(fēng)輪由于風(fēng)輪周圍氣流不對(duì)稱，從而產(chǎn)生側(cè)向推力。受側(cè)向推力與

29、安全極限應(yīng)力的限制，S形風(fēng)力機(jī)大型化比較困難。風(fēng)能利用 系數(shù)也遠(yuǎn)低于高速垂直軸或水平軸風(fēng)力機(jī)，僅為 0.15左右。在風(fēng)輪尺寸、重量 和成本相同的條件下，其功率輸出較低，因而用于發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性較差。圖522 H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)原理該技術(shù)采用空氣洞力學(xué)原理，針對(duì)垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機(jī) 翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，它不會(huì)受到因變形而改變效率等；它用垂直直線4-5個(gè)葉片組成，由4角形或5角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成的風(fēng)輪， 由風(fēng)輪帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電送往控制器進(jìn)行控制，輸配負(fù)載所用的電能。H形風(fēng)輪和形風(fēng)輪應(yīng)用最為廣泛。葉片具有翼型剖面，空氣繞葉片流動(dòng)而 產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩，

30、因此葉片幾乎在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的任何角度都有升力產(chǎn)生。達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速較水平軸的慢， 但比S形風(fēng)輪快很多，其風(fēng)能利用系數(shù)與水 平軸風(fēng)力機(jī)相當(dāng)。U(c)(d)h形鳳輪* (b) 形城輪* Cc菱形鳳輪；2贈(zèng)城輪；e形風(fēng)輪*圖523H形風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡單，但離心力使葉片在其連接點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力。直 葉片借助支撐件或拉索來支撐，這些支撐產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，降低了風(fēng)力機(jī)的效率。形風(fēng)輪所采用的彎葉片只承受張力， 不承受離心力載荷，使彎曲應(yīng)力減至 最小。由于材料可承受的張力比彎曲應(yīng)力要強(qiáng)，對(duì)于相同的總強(qiáng)度，形葉片比 較輕，且比直葉片可以更高的速度運(yùn)行。但形葉片不便采用變漿距方法來實(shí)現(xiàn) 自起動(dòng)和控制轉(zhuǎn)速。對(duì)于高度和

31、直徑相同的風(fēng)輪，形轉(zhuǎn)子比H形轉(zhuǎn)子的掃掠面 積要小一些。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)具有較多顯著特點(diǎn)：安全性。采用了垂直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)， 并且主要受力點(diǎn)集中于輪 轂，因此葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題得到了較好的解決；噪音。采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機(jī)機(jī)翼原理設(shè)計(jì)，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測量不到的程度；抗風(fēng)能力。水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理， 使得它受風(fēng)壓力小，可以 抵抗每秒45米的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；回轉(zhuǎn)半徑。由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)原理的不同，比其他形式風(fēng)力發(fā)電具有 更小的回轉(zhuǎn)半徑，節(jié)省了空間，同時(shí)提高了效率；發(fā)電曲線特性。啟動(dòng)風(fēng)速低于其他形式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 發(fā)電功率的上升幅 度較平緩，因此

32、在58米風(fēng)速范圍內(nèi)，它的發(fā)電量較其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高 10%- 30%利用風(fēng)速范圍。采用了特殊的控制原理，使它的適合運(yùn)行風(fēng)速范圍擴(kuò)大到 2.525m/s,在最大限度利用風(fēng)力資源的同時(shí)獲得了更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備使用的經(jīng)濟(jì)性；剎車裝置?？膳渲脵C(jī)械手動(dòng)和電子自動(dòng)剎車兩種， 在無臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)陣風(fēng)的 地區(qū)，僅需設(shè)置手動(dòng)剎車即可；運(yùn)行維護(hù)。采用直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)，無需齒輪箱和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，定期(一般 每半年)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)部件的連接進(jìn)行檢查即可。4.3厄式風(fēng)力機(jī)利用翼型的升力做功型風(fēng)輪彎葉片只承受張力，不承受離心力載荷型葉片重量輕，轉(zhuǎn)速高，不便采用變槳矩方法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)和控制轉(zhuǎn)速， 掃掠面積小4.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

33、分類(1) 按風(fēng)輪槳葉分類失速型：高風(fēng)速時(shí)，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動(dòng)作，限制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與功率；變槳型：高風(fēng)速時(shí)，調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。(2) 按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類定速型：風(fēng)輪保持一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低；變速型：包括以下兩種方式雙速：可在兩個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率； 連續(xù)變速：連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風(fēng)能功率。(3) 按傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類升速型：用齒輪箱連接低速風(fēng)力機(jī)和高速發(fā)電機(jī)。直驅(qū)型：將低速風(fēng)力機(jī)和低速發(fā)電機(jī)直接連接。(4) 按發(fā)電機(jī)分類異步型：籠型單速異步發(fā)電機(jī)、籠型雙速變極異步發(fā)電機(jī)；繞線式異步發(fā)電機(jī)。同步型：電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；永磁同步發(fā)電機(jī)。（5）按并網(wǎng)方式分類并網(wǎng)

34、型：直接或間接并入電網(wǎng)，可省卻儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。離網(wǎng)型：需配儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，也可與柴發(fā)、光伏并聯(lián)運(yùn)行。按功率調(diào)節(jié)方式分：定槳距（失速型）、變槳距 按葉輪轉(zhuǎn)速是否恒定分：恒速發(fā)電機(jī)、變速發(fā)電機(jī)其它機(jī)型：主動(dòng)失速型、無齒輪箱型5風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的分類：恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：（1）同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（2）籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（3）繞線轉(zhuǎn)子RCC異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：（1）變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（高速）（2）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（高速）（3）變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（4）變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（5）變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原

35、理一電磁感應(yīng)（1）定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速 n1旋轉(zhuǎn)（2）旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 e和電流i（3）i在磁場中受力f,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T（4）若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速nn1,向n1的方向旋轉(zhuǎn)，T為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率：同步 轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即:S=（ n1-n）/n1 或者 n=（1-s） n1籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）無功補(bǔ)償：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率 因數(shù)發(fā)電機(jī)，并在機(jī)端并聯(lián)電容；（由于負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)，固定電容難以做到完全 補(bǔ)償?？赡艹霈F(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象，造成電網(wǎng)電壓浮動(dòng)?？煽紤]在變電站加裝可控 無功補(bǔ)償裝

36、置SVC（2）軟并網(wǎng)：并網(wǎng)瞬間與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng) 在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)并網(wǎng)，并加裝可控硅軟起動(dòng)限流裝置；(3) 過載能力：發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線較硬，允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍小， 導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低。風(fēng)速不穩(wěn)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組容易受到?jīng)_擊機(jī)械應(yīng)力； (軟特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重)(4) 高效輕載：絕大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，要求發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦， 在中低負(fù)載區(qū)效率較高。可考慮在輕載區(qū)，將定子繞組由角接改為星接，降低鐵 耗。籠型雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)(1) 變極雙速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案在同一臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子鐵心中，埋設(shè)兩套不同極對(duì)數(shù)的電樞繞組(通常為 4/6極

37、)。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換，以獲得合適的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。高速繞組角 接，低速繞組星接，以降低輕載運(yùn)行時(shí)的鐵心磁密和損耗。(2) 大、小電機(jī)方案：采用兩臺(tái)不同容量、不同極對(duì)數(shù)的單速籠型異步發(fā)電機(jī)同軸串聯(lián)。高速發(fā) 電機(jī)角接，低速發(fā)電機(jī)繞組星接。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換。與變極雙速方 案相比，小電機(jī)的負(fù)荷率較咼，發(fā)電效率更咼。恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)定義：轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制 (PWM來控制繞線型異 步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的一項(xiàng)技術(shù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征：(1) 采用變槳風(fēng)力機(jī)；(2) 采用繞線型異步發(fā)電機(jī)，但沒有滑環(huán)；(3) 采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)器件斬波控制轉(zhuǎn)子電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的

38、機(jī)械特性。優(yōu)點(diǎn)：(1) 風(fēng)速變化引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的低頻分量由變槳調(diào)速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，其高頻 分量由RCC調(diào)節(jié)，可明顯減輕槳葉應(yīng)力，平滑輸出電功率；(2) 利用風(fēng)輪作為慣性儲(chǔ)能元件，吞吐伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化形成的動(dòng)能，提 高風(fēng)能利用率；(3) 電力電子主回路結(jié)構(gòu)簡單，不需要大功率電源。缺點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)電力電子開關(guān)電路檢修、更換困難。系統(tǒng)特點(diǎn)：(1) 交直交變頻器使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的關(guān)聯(lián)解耦；籠型異步風(fēng)力 發(fā)電機(jī)運(yùn)行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；可利用發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，跟蹤其最大功率點(diǎn)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率小，發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬，運(yùn)行效率 高；（2）發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器運(yùn)行于升壓整流狀態(tài)，機(jī)端電壓可調(diào)，輕載

39、運(yùn)行時(shí)發(fā) 電機(jī)的鐵耗小、效率高；（3）電網(wǎng)側(cè)變頻器運(yùn)行于逆變狀態(tài)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功傳送至電網(wǎng)，并 可作為無功發(fā)生器參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功； 對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好，可以將電網(wǎng)的波 動(dòng)屏蔽于發(fā)電機(jī)之外；（4）變頻器與發(fā)電機(jī)功率容量相等，系統(tǒng)成本高。雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁（1）轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化；（2）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)都能保持發(fā)電狀 態(tài)；（3）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，可控制發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率；（4）轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無功功率變換，為轉(zhuǎn)差功率，容量 與轉(zhuǎn)差率有關(guān)（約為電磁功率的

40、0.3倍，|s|0.3 ）系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）部分功率變換，變頻器成本相對(duì)較低；（3）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；（4）并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；（5）降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求；（6）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（7）雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜；（8）電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，可保持發(fā)電機(jī)的端電壓恒定；（3）可采用不控整流和PWM逆變，成本低于全功率變換；（4）電能質(zhì)量好，并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；（5）降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀

41、況（6）轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁；（7）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勵(lì)磁消耗電功率；（8）體積大、重量重，效率稍低。系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高，可降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，改 善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（2）具有最高的運(yùn)行效率；（3） 勵(lì)磁不可調(diào)，感應(yīng)電動(dòng)勢隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控 PWM8流或不 控整流后接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時(shí)還可控制發(fā)電機(jī)電 磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；（4）在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對(duì)電網(wǎng) 波動(dòng)的適應(yīng)性好；（5）永磁發(fā)電機(jī)體積大、重量重，成本高；全容量全控變流器控制復(fù)雜， 成本高；（6）永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩，給機(jī)組起動(dòng)

42、造成困難。6風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，又稱風(fēng)車。廣義地說， 它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動(dòng)機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電利用的 是自然能源。相對(duì)柴油發(fā)電要好的多。但是若應(yīng)急來用的話，還是不如柴油發(fā)電 機(jī)。風(fēng)力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)， 再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度 提升，促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度（微 風(fēng)的程度），便可以發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電沒 有燃料問題，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。風(fēng)力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行； 我國也在西部地區(qū)

43、大力提倡。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、 轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一個(gè)部分都很重要，各部分的功能為：葉片用來接受 風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為動(dòng)能；尾翼使葉片始終對(duì)著風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能； 轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定，故其輸出的是1325V變化的交流電，須經(jīng)過充電器整流，再對(duì)蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電量 變成化學(xué)能。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流 220V,才能保證穩(wěn)定使用。風(fēng)能具有一定的動(dòng)能，通過風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng) 力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)， 再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高促使 發(fā)電機(jī)發(fā)電的。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約 3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)片葉旋轉(zhuǎn)如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。鳳向圖6-1風(fēng)力發(fā)電原理圖圖6-26.2風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)(1)可再生的潔凈能源風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的潔凈能源， 不消耗化石資源也不污染環(huán)境，這是火 力發(fā)電所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。(2)建設(shè)周期短一個(gè)十兆瓦級(jí)的風(fēng)電場建設(shè)期不到一年(3) 裝機(jī)規(guī)模靈活可根據(jù)資金情況決定一次