2022年小學科學演講：風力發(fā)電

1、第10頁共10頁2022年小學科學演講：風力發(fā)電風力發(fā)電的應用風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術，大約是每秒_米的微風速度，便可以開始發(fā)電。許多世紀以來，風力發(fā)電同水力機械一樣，作為動力源替代人力、畜力，對生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮過重要作用。后來，由于電動力的廣泛應用使風力的發(fā)展緩慢下來?，F(xiàn)在，由于能源緊張的問題，人們在尋求清潔的可再生能源，風能作為可再生的、無污染的自然能源又重新引起了人們的重視。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部

2、地區(qū)大力提倡。風力發(fā)電機的組成風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)為機械功的動力機械，又稱風車。風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為電源，尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。根據(jù)葉片形式的不同，現(xiàn)有風力發(fā)電機分為以下兩類：(1)水平軸；(2)新型垂直軸風力發(fā)電的系統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)是一個有一定科技含量的小系統(tǒng)，由風力發(fā)電機+充電器+數(shù)字逆變器組成。風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13_v變化的交流電，須經(jīng)充電器整理，再對蓄電瓶充電，使風力

3、發(fā)電機產(chǎn)生的電能變化學能。然后用有保護電路的變電源，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鱛v市電，才能保護穩(wěn)定使用。風力發(fā)電功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。在內(nèi)地，小的風力發(fā)電機會比大的更合適。因為它是更容易被小風量帶動而發(fā)電，持續(xù)不斷的小風，會比一時狂風更能供給較大的能量?，F(xiàn)在的風力發(fā)電機比幾年前的性能有很大的改進，以前只是在少數(shù)邊遠地區(qū)使用，風力發(fā)電機接一個15w的燈泡直接用電，一明一暗并會經(jīng)常損壞燈泡。2022年小學科學演講：風力發(fā)電（二）風力發(fā)電機在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，要求風電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，即風電頻率保持恒定，因此風力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻

4、發(fā)電機系統(tǒng)(cscf系統(tǒng))和變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)(vscf系統(tǒng))。恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠式感應發(fā)電機，前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運行。變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程_機的轉(zhuǎn)速可以隨風速變化，而通過其他的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)目前，單機容量為600-750kw的風電機組多采用恒速運行方式，這種機組控制簡單，可靠性好，大多采用制造簡單，并網(wǎng)容易、勵磁功率可直接從電網(wǎng)中獲得的籠型異

5、步發(fā)電機。恒速風電機組主要有兩種類型。定槳距失速型和變槳距風力機。定槳距失速型風力機利用風輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風能，功率調(diào)節(jié)由風輪葉片來完成，對發(fā)電機的控制要求比較簡單。這種風力機的葉片結構復雜，成型工藝難度較大。而變槳距風力機則是通過風輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機構控制風力機的輸出功率。由于采用的是籠型異步發(fā)電機，無論是定槳距還是變槳距風力發(fā)電機，并網(wǎng)后發(fā)電機磁場旋轉(zhuǎn)速度由電網(wǎng)頻率所固定，異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍很小，轉(zhuǎn)差率一般為_%_%，屬于恒速恒頻風力發(fā)電機。1.1定槳距失速控制定槳距風力發(fā)電機組的主要特點是槳葉與輪轂固定連接，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。利

6、用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，效率降低，達到限制功率的目的。在低風速段運行的，采用小電機使槳葉縣有較高的氣動效率，提高發(fā)電機的運行效率。采用這種方式的風力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應，導致葉片重，結構復雜，機組的整體效率較低，當風速達到一定值時必須停機。失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)簡單可靠，當風速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。其缺點是葉片重晏大(與變槳距風機葉片比較)，槳葉、輪載、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。1.2變槳距調(diào)節(jié)方式在目前應用較多的恒

7、速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，一般情況要維持風力機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，這在風速處于正常范圍之中時可以通過電氣控制而保證，而在風速過大時，輸出功率繼續(xù)增大可能導致電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)不能承受，因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定。這時就要通過調(diào)節(jié)葉片的槳距，改變氣流對葉片攻角，從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩。由于變槳距調(diào)節(jié)型風機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調(diào)節(jié)型風機有更好的能量輸出，因此比較適合于平均風速較低的地區(qū)_。變槳距調(diào)節(jié)的另外一個優(yōu)點是在風速超速時可以逐步調(diào)節(jié)槳距角，屏蔽部分風能，避免停機，增加風機發(fā)電量。對變槳距調(diào)節(jié)的一個要求是其對陣風的反應靈敏性。其調(diào)節(jié)方法為：當風電機組達到運

8、行條件時，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到45”，當轉(zhuǎn)速達到一定時，再調(diào)節(jié)到0“，直到風力機達到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。槳距角可以隨風速的大小而進行自動調(diào)節(jié)，因而能夠盡可能多的吸收風能轉(zhuǎn)化為電能，同時在高風速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點是結構比較復雜，故障率相對較高。1.3主動失速調(diào)節(jié)主動失速調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，吸取了被動失速和變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點。系統(tǒng)中槳葉設

9、計采用失速特性，系統(tǒng)調(diào)節(jié)采用變槳距調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化了機組功率的輸出。系統(tǒng)遭受強風達到額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機組最大功率輸出。隨著風速的不斷變化，槳葉僅需微調(diào)即可維持失速狀態(tài)。另外調(diào)節(jié)槳葉還可實現(xiàn)氣動剎車。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是既有失速特性，又可變槳距調(diào)節(jié)，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。系統(tǒng)控制容易，輸出功率平穩(wěn)，執(zhí)行機構的功率相對較小。恒速恒頻風力發(fā)電機的主要缺點有以下幾點：1)風力機轉(zhuǎn)速不能隨風速而變，從而降低了對風能的利用率；2)當風速突變時，巨大的風能變化將通過風力機傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械

10、應力;3)并網(wǎng)時可能產(chǎn)生較大的電流沖擊。目前的恒速機組，大部分使用異步發(fā)電機，在發(fā)出有功功率的同時，還需要消耗無功功率(通常_電容器給以補償)。而現(xiàn)代變速風電機組卻能十分精確地控制功率因數(shù)，甚至向電網(wǎng)輸送無功，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。由于以上原因，變速風電機組越來越受到風電界的重視，特別是在進一步發(fā)展的大型機組中將更為引人注目。當然，決定變速機組設計是否成功的一個關鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設計。將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風力發(fā)電機組相結合，充分吸取了被動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。在低風速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化

11、機組功率的輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風速的不斷變化，槳葉僅需要微調(diào)維持失速狀態(tài)。制動剎車時，調(diào)節(jié)槳葉相當于氣動剎車，很大程度上減少了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。主動失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是其言了定獎距失速型的特點，并在此基礎上進行變槳距調(diào)節(jié)，提高了機同頻率后并入電網(wǎng)。機組在葉片設計上采用了變槳距結構。其調(diào)節(jié)方法是：在起動階段，通過調(diào)節(jié)變槳距系統(tǒng)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，將發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳并網(wǎng)時機然后平穩(wěn)并網(wǎng)；在額定風速以下時，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機反力轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；

12、在額定風速以上時，采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風力機獲取能量，保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性，獲取良好的動態(tài)特性；而變速調(diào)節(jié)主要用來響應快速變化的風速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動作，提高傳動系統(tǒng)的柔性。2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)利用變速恒頻發(fā)電方式，風力機就可以改恒速運行為變速運行，這樣就可能使風輪的轉(zhuǎn)速隨風速的變化而變化，使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比，使風力機的風能利用系數(shù)在額定風速以下的整個運行范圍內(nèi)都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。尤其是這種變速機組可適應不同的風速區(qū)，極大拓寬了風力發(fā)電的地域范圍。即使風速躍升時，所產(chǎn)生的風能也部分被風輪吸收，以動能的形式儲存于高速運

13、轉(zhuǎn)的風輪中，從而避免了主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力，在電力電子裝置的調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽腿腚娋W(wǎng)，從而使能量傳輸機構所受應力比較平穩(wěn)，風力機組運行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻風力機組可在風速低于額定風速時，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，盡可能最大地捕獲風能，同時穩(wěn)定發(fā)電機輸出電能的頻率；在風速高于額定風速時通過變槳距保持額定發(fā)電功率，仍可捕獲“最大”能量。變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風電技術發(fā)展的主要方向。變速恒頻的優(yōu)點是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行轉(zhuǎn)速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度的吸收風能，因而效率較高；控制系統(tǒng)采取的控制手段可以

14、較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復雜。風力發(fā)電機變速恒頻控制方案一般有四種。鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng);交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng);無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng);永磁發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。2.1鼠籠式異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)采用的發(fā)電機為鼠籠式轉(zhuǎn)子，其變速恒頻控制策略是在定子電路實現(xiàn)的。由于風速是不斷變化的，導致風力機以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也是變化的，所以實際上鼠籠式風力發(fā)電機發(fā)出的電是頻率變化的，即為變頻的，通過定子繞組與電網(wǎng)之間的變頻器把變頻的電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能。盡管實現(xiàn)了變速恒頻控制，具有變速恒頻的一系列優(yōu)點，但由于變頻

15、器在定子側(cè)，變頻器的容量需要與發(fā)電機的容量相同，使得整個系統(tǒng)的成本、體積和重量顯著增加，尤其對于大容量的風力發(fā)電系統(tǒng)。2.2雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)常采用的發(fā)電機為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機，其結構與繞線式異步電機類似。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分，故所需的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度極大降低。這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實現(xiàn)對有功、無功功率的靈活控制，

16、對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔谩Ｈ秉c是交流勵磁發(fā)電機仍然有滑環(huán)和電刷。目前已經(jīng)商用的有齒輪箱的變速恒頻系統(tǒng)，大部分采用繞線式異步電機作為發(fā)電機，由于繞線式異步發(fā)電機有滑環(huán)和電刷，這種摩擦接觸式結構在風力發(fā)電惡劣的運行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障。而無刷雙饋電機定子有兩套級數(shù)不同繞組，轉(zhuǎn)子為籠型結構，無須滑環(huán)和電刷，可靠性高。這些優(yōu)點都使得無刷雙饋電機成為當前研究的熱點。但在目前，這種電機在設計和制造上仍然存在著一些難題。2.3直驅(qū)型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)近幾年來，直接驅(qū)動技術在風電領域得到了重視。這種風力發(fā)電機組采用多極發(fā)電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動，從而免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，由于其具有很多技術方面的優(yōu)

17、點，特別是采用永磁發(fā)電機技術，其可靠性和效率更高，處于當今國際上領先地位，在今后風電機組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間。在德國_年上半年所_的風力機中，就有_%采用了無齒輪箱系統(tǒng)。直驅(qū)型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機多采用永磁同步發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子為永磁式結構，無須外部提供勵磁電源，提高了效率。其變速恒頻控制也是在定子電路實現(xiàn)的，把永磁發(fā)電機發(fā)出變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻的交流電，因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。采用永磁發(fā)電機可做到風力機與發(fā)電機的直接耦合，省去了齒輪箱，即為直接驅(qū)動式結構，這樣可極大減少系統(tǒng)運行噪聲，提高了可靠性。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機體積很大

18、，成本較高，但由于省去了價格更高的齒輪箱，所以，整個系統(tǒng)的成本還是降低了。另外，電勵磁式徑向磁場發(fā)電機也可視為一種直驅(qū)風力發(fā)電機的選擇方案，在大功率發(fā)電機組中，它的直徑大而軸向長度小。為了能放置勵磁繞組和極靴，極距必須足夠大，它輸出的交流電頻率通常低于50hz，必須配備整流逆變器。直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的效率高、極距小，況且永磁材料的性價比正得到不斷提升，應用前景十分廣闊。2.4混合式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)不僅需要低速、大轉(zhuǎn)矩電機而且直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)不僅需要低速、大轉(zhuǎn)矩電機而且需要全功率變流器，為了降低電機設計難度，帶有低變速比齒輪箱的混合型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)得到實際應用。這

19、種系統(tǒng)可以看成是全直驅(qū)傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)解決方案的一個折中。發(fā)電機是多極的，和直驅(qū)設計本質(zhì)上一樣，但它更緊湊，相對來說具有更高的速度和更小的轉(zhuǎn)矩。3離網(wǎng)型風力發(fā)電機系統(tǒng)通常離網(wǎng)型風力發(fā)電機組容量較小，均屬小型發(fā)電機組?？砂凑瞻l(fā)電容量的大小進行分類，其大小從幾百w至幾十kw不等。自_世紀_年代初開始，中國的小型風力機制造業(yè)，在政府的支持下，尤其是_自治區(qū)政府的大力扶植，得到了引人矚目的發(fā)展，十幾萬臺小型風力發(fā)電機的生產(chǎn)和推廣應用，為遠離電網(wǎng)的農(nóng)牧民解決了基本的生活用電，尤其是照明和收聽廣播電視，作出了不可磨滅的貢獻。據(jù)統(tǒng)計，在_世紀_年代初期，國內(nèi)有近百家小型風力發(fā)電機制造企業(yè)。隨著改革開放的不斷深

20、化以及社會經(jīng)濟的發(fā)展，這些小型風力發(fā)電機制造企業(yè)經(jīng)過內(nèi)部的調(diào)整和外部的整合，根據(jù)中國農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會小型電源專委會的統(tǒng)計，到目前為止，全國有_家小型風力發(fā)電機生產(chǎn)企業(yè)，_年共生產(chǎn)小型風力發(fā)電機_臺，裝機容量為1_kw，產(chǎn)值_萬元，利稅為_萬元。國內(nèi)生產(chǎn)的小型風力發(fā)電機，單機容量從60w到30kw不等。小型風力發(fā)電機按照發(fā)電類型的不同進行分類，可分為直流發(fā)電機型、交流發(fā)電機型。較早時期的小容量風力發(fā)電機組一般采用小型直流發(fā)電機，在結構上有永磁式及電勵磁式兩種類型。永磁式直流發(fā)電機利用永磁鐵提供發(fā)電機所需的勵磁磁通；電勵磁式直流發(fā)電機則是借助在勵磁線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生磁通來提供發(fā)電機所需要的勵磁磁通，由于勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，又可分為他勵與并勵(或自勵)兩種形式。隨著小型風力發(fā)電機組的發(fā)展，發(fā)電機類型逐漸由直流發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣靼l(fā)電機。主要包括永磁發(fā)電機、硅整流自勵交流發(fā)電機及電容自勵異步發(fā)電機。其中，永磁發(fā)電機在結構上轉(zhuǎn)子無勵磁繞組，不存在勵磁繞組損耗，效率高于同容量的勵磁式發(fā)電機；轉(zhuǎn)子沒有滑環(huán)，運轉(zhuǎn)時更安全可靠；電機重量輕，體積小，工藝簡便，因此在離網(wǎng)型風力發(fā)電機中被廣泛應用，但其缺點是電壓調(diào)節(jié)