風力發(fā)電基礎

1、風力發(fā)電基礎知識葉輪風電場的風力機通常有2片或3片葉片， 葉尖速度5070m/s,具有這樣的葉尖速度，3葉片葉輪通常能夠提供最佳效率，然而 2葉片葉輪僅降低23%效率。甚至可以使用單葉片葉輪， 它帶有平衡的重錘，其效率又降低一些，通常比 2 葉片葉輪低6。盡管葉片少了，自然降低了葉片的費用，但這是有代價的。對于外形很均衡的葉片，葉片少的葉輪轉速就要快些，這樣就會導致葉尖噪聲和腐蝕等問題。更多的人認為3 葉片從審美的角度更令人滿意。3 葉片葉輪上的受力更平衡，輪轂可以簡單些，然而2 葉片、 1 葉片葉輪的輪轂通常比較復雜，因為葉片掃過風時，速度是變的，為了限制力的波動，輪轂具有翹翹板的特性。翹翹

2、板的輪轂，葉輪鏈接在輪轂上，允許葉輪在旋轉平面內(nèi)向后或向前傾斜幾度。葉片的擺動運動，在每周旋轉中會明顯的減少由于陣風和剪切在葉片上產(chǎn)生的載荷。葉片是用加強玻璃塑料（ GRP ） 、 木頭和木板、碳纖維強化塑料（ CFRP）鋼和鋁構成的。對于小型的風力發(fā)電機，如葉輪直徑小于5米，選擇材料通常關心的是效率而不是重量、硬度和葉片的其它特性。對于大型風機，葉片特性通常較難滿足，所以對材料的選擇更為重要。世界上大多數(shù)大型風力機的葉片是由GRP 制成的。 這些葉片大部分是用手工把聚脂樹脂敷層，和通常制造船殼、園藝、游戲設施及世界范圍內(nèi)消費品的方法一樣。其過程需要很高的技術水平才能得到理想的結果，并且如果人

3、們對重量不太關心的話，比如對于長度小于2 0米的葉片，設計也不很復雜。不過有很多很先進的利用GRP 的方法，可以減小重量，增加強度，在此就不贅述了。玻璃纖維要較精確的放置，如果把它放在預浸片材中，使用高性能樹脂，如控制環(huán)氧樹脂比例，并在高溫下加工處理。當今，出現(xiàn)了簡單的手工鋪放聚脂，通過認真地選擇和放置纖維，為GRP 葉片提供了降低成本的途徑。偏航系統(tǒng)風力機的偏航系統(tǒng)也稱為對風裝置，其作用在于當風速矢量的方向變化時， 能夠快速平穩(wěn)地對準風向，以便風輪獲得最大的風能。小微型風力機常用尾舵對風，它主要有兩部分組成，一是尾翼，裝在尾桿上 與風輪軸平行或成一定的角度。為了避免尾流的影響，也可將尾翼上翹

4、，裝在較高的位 置。中小型風機可用舵輪作為對風裝置，其工作原理大致如下：當風向變化時， 位于風輪后面兩舵輪（其旋轉平面與風輪旋轉平面相垂直）旋轉，并通過一套齒輪傳動 系統(tǒng)使風輪偏轉，當風輪重新對準風向后，舵輪停止轉動，對風過程結束。大中型風力機一般采用電動的偏航系統(tǒng)來調整風輪并使其對準風向。偏航系 統(tǒng)一般包括感應風向的風向標，偏航電機，偏航行星齒輪減速器，回轉體大齒輪等。其 工作原理如下：風向標作為感應元件將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機的控制回路的處理器里，經(jīng)過比較后處理器給偏航電機發(fā)出順時針或逆時針的偏航命令，為了減少偏航時的 陀螺力矩，電機轉速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作

5、用在回轉體大齒輪上， 帶動風輪偏航對風，當對風完成后，風向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束。風機的發(fā)電機所有并網(wǎng)型風力發(fā)電機通過三相交流（AC）電機將機械能轉化為電能。發(fā)電 機分為兩個主要類型。同步發(fā)電機運行的頻率與其所連電網(wǎng)的頻率完全相同，同步發(fā)電機也被稱為交流發(fā)電機。異步發(fā)電機運行時的頻率比電網(wǎng)頻率稍高，異步發(fā)電機常被稱為感應發(fā)電機。感應發(fā)電機與同步發(fā)電機都有一個不旋轉的部件被稱為定子，這兩種電機的 定子相似，兩種電機的定子都與電網(wǎng)相連，而且都是由疊片鐵芯上的三相繞組組成，通電 后產(chǎn)生一個以恒定轉速旋轉的磁場。盡管兩種電機有相似的定子，但它們的轉子是完全不同 的。同步電機中的轉子有

6、一個通直流電的繞組，稱為勵磁繞組，勵磁繞組建立一個恒定的磁 場鎖定定子繞組建立的旋轉磁場。因此，轉子始終能以一個恒定的與定子磁場和電網(wǎng)頻率同 步的恒定轉速上旋轉。在某些設計中，轉子磁場是由永磁機產(chǎn)生的，但這對大型發(fā)電機來說 不常用。感應電機的轉子就不同例如，它是由一個兩端都短接的鼠籠形繞組構成。轉 子與外界沒有電的連接，轉子電流由轉子切割定子旋轉磁場的相對運動而產(chǎn)生。如果轉子 速度完全等于定子轉速磁場的速度（與同步發(fā)電機一樣），這樣就沒有相對運動，也就沒有轉子感應電流。因此，感應發(fā)電機總的轉速總是比定子旋轉磁場速度稍高，其速度差叫滑差，在正常運行期間。它大概為1% 。同步發(fā)電機和異步發(fā)電機將機

7、械能轉化為電能裝置的發(fā)電機常用同步勵磁發(fā)電機、永磁發(fā)電機和異步 發(fā)電機。同步發(fā)電機應用非常廣泛，在核電、水電、火電等常規(guī)電網(wǎng)中所使用的幾乎都是 同步發(fā)電機，在風力發(fā)電中同步發(fā)電機即可以獨立供電又可以并網(wǎng)發(fā)電。然而同步發(fā)電機在 并網(wǎng)時必須要有同期檢測裝置來比較發(fā)電機側和系統(tǒng)側的頻率、電壓、相位，對風力發(fā)電機 進行調整，使發(fā)電機發(fā)出電能的頻率與系統(tǒng)一致；操作自動電壓調壓器將發(fā)電機電壓調整到 與系統(tǒng)電壓相一致；同時，微調風力機的轉速從周期檢測盤上監(jiān)視，使發(fā)電機的電壓與系統(tǒng) 的電壓相位相吻合，就在頻率、電壓、相位同時一臻的瞬間，合上斷路器將風力發(fā)電機并入 系統(tǒng)。同期裝置可采用手動同期并網(wǎng)和自同期并網(wǎng)。

8、但總體來說，由于同步發(fā)電機造價比較 高，同時并網(wǎng)麻煩，故在并網(wǎng)風力發(fā)電機中很少采用?？刂票O(jiān)測系統(tǒng)風力機的運行及保護需要一個全自動控制系統(tǒng)，它必須能控制自動啟動，葉 片槳距的機械調節(jié)裝置（在變槳距風力機上）及在正常和非正常情況下停機。除了控制功 能，系統(tǒng)也能用于監(jiān)測以提供運行狀態(tài)、風速、風向等信息。該系統(tǒng)是以計算機為基礎，除了小的風力機，控制及監(jiān)測還可以遠程進行?？刂葡到y(tǒng)具有及格主要功能：1 、順序控制啟動、停機以及報警和運行信號的監(jiān)測2、偏航系統(tǒng)的低速閉環(huán)控制3、槳距裝置（如果是變槳距風力機）快速閉環(huán)控制4、與風電場控制器或遠程計算機的通訊風機傳動系統(tǒng)葉輪葉片產(chǎn)生的機械能有機艙里的傳動系統(tǒng)傳遞

9、給發(fā)電機，它包括一個齒輪箱、離合器和一個能使風力機在停止運行時的緊急情況下復位的剎車系統(tǒng)。齒輪箱用于增加葉輪轉速，從2050 轉 /分到10001500 轉 /分，后者是驅動大多數(shù)發(fā)電機所需的轉速。齒輪箱可以是一個簡單的平行軸齒輪箱，其中輸出軸是不同軸的，或者它也可以是較昂貴的一種，允許輸入、輸出軸共線，使結構更緊湊。傳動系統(tǒng)要按輸出功率和最大動態(tài)扭矩載荷來設計。由于葉輪功率輸出有波動，一些設計者試圖通過增加機械適應性和緩沖驅動來控制動態(tài)載荷，這對大型的風力發(fā)電機來說是非常重要的，因其動態(tài)載荷很大，而且感應發(fā)電機的緩沖余地比小型風力機的小。異步發(fā)電機永磁發(fā)電機是一種將普通同步發(fā)電機的轉子改變成

10、永磁結構的發(fā)電機，常用的永磁材料有鐵氧體（ BaFeO ） 、釤鈷 5（SmCo） 等，永磁發(fā)電機一般用于小型風力發(fā)電 機組中。異步發(fā)電機是指異步電機處于發(fā)電的工作狀態(tài)，從其激勵方式有電網(wǎng)電源勵 磁發(fā)電（他勵）和并聯(lián)電容自勵發(fā)電（自勵）兩種情況。1 電網(wǎng)電源勵磁發(fā)電：是將異步電機接到電網(wǎng)上，電機內(nèi)的定子繞組產(chǎn)生以 同步轉速轉動的旋轉磁場，再用原動機拖動，使轉子轉速大于同步轉速，電網(wǎng)提供的磁力矩的方向必定與轉速方向相反，而機械力矩的方向則與轉速方向相同，這時就將原動機的機械能轉化為電能。在這種情況下，異步電機發(fā)出的有功功率向電網(wǎng)輸送；同時又消耗電網(wǎng)的無功功率作勵磁作用，并供應定子和轉子漏磁所消耗

11、的無功功率，因此異步發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電時，一般要求加無功補償裝置，通常用并列電容器補償?shù)姆绞健?、并聯(lián)電容器自勵發(fā)電：并聯(lián)電容器的連接方式分為星形和三角形兩種。勵磁電容的接入在發(fā)電機利用本身的剩磁發(fā)電的過程中，發(fā)電機周期性地向電容器充電；同時，電容器也周期性地通過異步電機的定子繞組放電。這種電容器與繞組組成的交替進行充放電的過程，不斷地起到勵磁的作用，從而使發(fā)電機正常發(fā)電。勵磁電容分為主勵磁電容和輔助勵磁電容，主勵磁電容是保證空載情況下建立電壓所需要的電容，輔助電容則是為了保證接入負載后電壓的恒定，防止電壓崩潰而設的。通過上述的分析，異步發(fā)電機的起動、并網(wǎng)很方便且便于自動控制、價格低、 運行可靠、

12、維修便利、運行效率也較高、因此在風力發(fā)電方面并網(wǎng)機組基本上都是采用異步發(fā)電機，而同步發(fā)電機則常用于獨立運行方面。偏航系統(tǒng)的設計根據(jù)調向力矩的大小，可以進行齒輪傳動部分的設計計算。當驅動回轉體大 齒輪的主動小齒輪的強度不能滿足時，可選用兩套偏航電機行星齒輪減速器分置 于風輪主輪的兩側對稱布置，每個電機的容量為總容量的一半。齒輪傳動計算可按開式齒輪 傳動計算，其主要的磨損形式是齒面磨損失效，如調向力矩較大，除按照彎曲強度計算之外， 應計算齒面接觸強度。值得注意的是，大多數(shù)風機的發(fā)電機輸出功率的同軸電纜在風力機偏航時一 同旋轉，為了防止偏航超出而引起的電纜旋轉，應該設置解纜裝置，并增加扭纜傳感器 以

13、監(jiān)視電纜的扭轉狀態(tài)。位于下風向布重的風輪，能夠自動找正風向。在總體布置時應考慮 塔架前面的重量略重一些，這樣在風機運行時平衡就會好一些。電機的切換根據(jù)風速決定是選擇小發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電，還是選擇大發(fā)電機空轉，若風速低于 8 米 /秒，則小發(fā)電機并網(wǎng)運行且風機運行狀態(tài)切換到“投入 G2”。 如果風速高于8 米/秒， 則選擇“空轉 G1 ”運行狀態(tài)。投入 G2：小發(fā)電機接觸器閉合，發(fā)電機并網(wǎng)電流由可控硅控制到350A。 一旦投入過程完成，可控硅切除，風機切換到“運行 G2”狀態(tài)風電投入小發(fā)電機發(fā)電，如果平均輸出功率在某一單位時間內(nèi)太低，這是小發(fā)電機斷開且風機切換到“等待重新支轉”的狀態(tài)。如果平均輸出功

14、率超過了限定值110KW ，則小發(fā)電機切除，風機運行狀態(tài)切換到“G1 空轉” 。G1 空轉：風機等待風速達到投入大電機的風速，一旦達到這個風速則風機就切換到 “投入 G1 ”狀態(tài)。投入 G1 ：大發(fā)電機的接觸接通。發(fā)電機的并網(wǎng)電流由可控硅將其限定在350A。 投入過程一結束，可控硅切除，風機切換到“運行 G1 ”狀態(tài)。運行 G1風機的大電機投入發(fā)電，如果功率輸出在一定的時間內(nèi)少于限定值80KW，大發(fā)電機切除，風機的運行狀態(tài)切換到“切換 G11-G12 ”狀態(tài)。切換 G1-G2大發(fā)電機的接觸器切除小發(fā)電機的接觸器接通，可控硅將發(fā)電機如果小發(fā)電機的出力小于限定值，則此運行狀態(tài)動作。此狀態(tài)下，小發(fā)電

15、機的接觸器被除，如果風速有效，風機就切換到“投入 G2”狀態(tài)，如果風速低于限定值， 風機將切換“空轉 G2 ”狀態(tài)。機工作狀態(tài)之間轉變機工作狀態(tài)之間轉變明各種工作狀態(tài)之間是如何實現(xiàn)轉換的。高工作狀態(tài)層次只能一層一層地上升，而要降低工作狀態(tài)層次可以是一層或多層。這種作狀態(tài)之間轉變方法是基本的控制策略，它主要出發(fā)點是確保機組的安全運行。如果風力電機組的工作狀態(tài)要往更高層次轉化，必須一層一層往上升，用這種過程確定系統(tǒng)的每個障是否被檢測。當系統(tǒng)在狀態(tài)轉變過程中檢測到故障，則自動進入停機狀態(tài)。系統(tǒng)在運行狀態(tài)中檢測到故障，并且這種故障是致命的，那么工作狀態(tài)不得不從運行直到緊停，這可以立即實現(xiàn)而不需要通過暫

16、停和停止。面我們進一步說明當工作狀態(tài)轉換時，系統(tǒng)是如何動作的。工作狀態(tài)層次上升停停機果停機狀態(tài)的條件滿足，則：關閉緊停電路；建立液壓工作壓力；松開機械剎車。機暫停果暫停的條件滿足，則，起動偏航系統(tǒng)；對變槳距風力發(fā)電機組，接通變槳距系統(tǒng)壓力閥。停-運行果運行的條件滿足，則：核對風力發(fā)電機組是否處于上風向；葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)投入工作；根據(jù)所測轉速，發(fā)電機是否可以切人電網(wǎng)。工作狀態(tài)層次下降作狀態(tài)層次下降包括3 種情況：緊急停機。緊急停機也包含了 3種情況，即：停止-緊停；暫停-緊停；運 行-緊停。主要控制指令為：打開緊停電路；置所有輸出信號于無效；3）機械剎車作用；4）邏輯電路復位。（2）停

17、機。停機操作包含了兩種情況，即：暫停-停機；運行-停機。暫停停機1） 停止自動調向；2）打開氣動剎車或變槳距機構回油閥（使失壓）。運行-停機1） 變槳距系統(tǒng)停止自動調節(jié)；2）打開氣動剎車或變槳距機構回油閥（使失壓）；3）發(fā)電機脫網(wǎng)。（3）暫停。1） 如果發(fā)電機并網(wǎng)，調節(jié)功率降到。后通過晶閘管切出發(fā)電機；2）如果發(fā)電機沒有并入電網(wǎng)，則降低風輪轉速至0。（三 ）故障處理工作狀態(tài)轉換過程實際上還包含著一個重要的內(nèi)容：當故障發(fā)生時，風力發(fā)電機組將自動地從較高的工作狀態(tài)轉換到較低的工作狀態(tài)。故障處理實際上是針對風力發(fā)電機組從某一工作狀態(tài)轉換到較低的狀態(tài)層次可能產(chǎn)生的問題，因此檢測的范圍是限定的。為了便于介紹安全措施和對發(fā)生的每個故障類型處理，我們給每個故障定義如下信息：1） 故障名稱；2）故障被檢測的描述；3）當故障存在或沒有恢復時工作狀態(tài)層次；4）故障復位情況（能自動或手動復位，在機上或遠程控制復位）。（1）故障檢測。控制系統(tǒng)設在頂部和地面的處理器都能夠掃描傳感器信號以檢測故障，故障由故障處理器分類，每次只能有一個故障通過，只有能夠引起機組從較高工作狀態(tài)轉入較低工作狀態(tài)的故障才能通過。(2)故障記錄。故障處理器將故障存儲在運行記錄表和報警表中。(3)對故障的反應。對故障的反應應是以下三種情況之一：1) 降為暫停狀態(tài)；2)降為停