精簡小型風力發(fā)電系統

小型風力發(fā)電系統中國可再生能源學會風能資深委員

趙福盛AH2kW風力發(fā)電機在英國戴衛(wèi)農場并網發(fā)電

小型風力發(fā)電系統本文講述風輪掃掠面積小于200㎡，產生的電壓低于1000V交流或1500V直流的將風能轉換為電能的系統（包括離網和聯網兩種運行方式）1、小型風力發(fā)電系統概述小型風力發(fā)電系統的原理是利用風力驅動風力機風輪轉動，并將轉矩傳遞到發(fā)電機，帶動發(fā)電機發(fā)出電能。與此同時，借助風力機的調向、調速機構、電氣控制及變流裝置，將瞬息變化的風能轉換為穩(wěn)定的、可直接應用的電能。在無風、風力發(fā)電機組不能運行發(fā)電時，為保持系統不間斷供電，小型風力發(fā)電系統還要配備電能儲存裝置。風力發(fā)電機發(fā)出的交流電經整流后直接向蓄電池組充電及直流負載供電，經變流器（單相或三相）還可向交流負載供電。在小型風力發(fā)電系統運行中有兩條主線，一是功率能量轉換，另一是過程控制及安全防護。兩者協調作用，使系統完成發(fā)電、供電功能。2kW在美國山村并網供電1、小型風力發(fā)電系統概述小型風力發(fā)電系統屬于獨立的發(fā)電供電系統，可以離網或者聯網運行供電。在電力網絡不能覆蓋的區(qū)域，利用當地的風能資源采用離網運行供電的方式解決電力需求，是非常適用的新能源設備。在規(guī)模較大的風電場，可以作為大型并網發(fā)電系統的補充，充分利用風電場在高度和地面的空間，安裝小型風力發(fā)電系統以增大風電場的裝機容量。AH-5kW丹麥風電場運行供電

青島金海灣別墅供電

海上采油平臺供電（DC120V/AC240V）海島哨所供電（DC24/AC240V）

1、小型風力發(fā)電系統概述在有些地區(qū)，受風能資源、地理環(huán)境、交通和運輸安裝等條件制約，不便于安裝大型風力發(fā)電機，卻更適合安裝使用小型風力發(fā)電機。青島太平山微波站供電（1.5KW/DC48V）

威海海上養(yǎng)殖戶供電（DC24V/AC240V）

小管島漁村漁民提供生活用電（DC24V～48V/AC240V）風光互補為差轉臺提供電源1、小型風力發(fā)電系統概述在很多風能、太陽能資源較豐富的地區(qū)，還可以小型風力發(fā)電系統為主體，采用風、光、柴油發(fā)電機組、蓄電池組和雙向逆變器等多能互補的方式，組成微電網或分布式發(fā)電供電站。北龍島風柴互補供電1、小型風力發(fā)電系統概述大管島風光互補供電1、小型風力發(fā)電系統概述蒙古國風光互補供電1、小型風力發(fā)電系統概述風網互補為油田輸油機供電2、小型風力發(fā)電系統的構成小型風力發(fā)電系統是由風輪、發(fā)電機、傳動、迎風回轉機構、調（限）速機構、控制系統、包含變流器（含逆變和低壓并網裝置）在內的電氣系統、制動系統、蓄能裝置、由塔架和基礎組成的支撐結構、以及電氣負荷等構成。附圖AHBJ-7.6/10kW變槳距風力發(fā)電組結構及外形是一種比較典型的小型風力發(fā)電系統。2、小型風力發(fā)電系統的構成2.1、風輪風輪是風力發(fā)電機的動力部件，它將風能轉換為機械能，以旋轉的方式通過風輪軸將轉矩傳遞（直接驅動或經過齒輪箱）給發(fā)電機。風輪由葉片和輪轂組成，葉片設計成具有高轉換效率的空氣動力外形。風力機按風輪軸的布置分為水平軸和立軸兩類；水平軸風力機按風輪所在位置又分為上風向和下風向；按結構分為定槳距和變槳距。2.2、發(fā)電機發(fā)電機將機械能轉換為電能。發(fā)電機按類型分為同步和異步；勵磁和永磁；直流和交流；內轉子和外轉子。2.3、傳動及增速齒輪箱小型風力發(fā)電機組有的采用增速齒輪箱把風輪的轉速提升，增速到每分鐘千轉以上，再帶動發(fā)電機發(fā)電。有的省略了增速齒輪箱而由風輪直接驅動低轉速永磁發(fā)電機發(fā)電。WESAHBJ5.5EnduranceWindPowerGaia-Wind2.4、迎風回轉機構風向在不斷的變化，為了更多的獲取風能，風力機必須在風向變動±15o范圍內響應跟蹤風向變化，使風輪迎風。迎風機構常見的有：尾舵、舵輪、風輪下風向布置和電力驅動等。2.5、調（限）速機構在不設控制的情況下，風輪轉速將隨風速增大而同比增高，風力機功率將隨風速增大呈3次方的倍率增大。調（限）速機構的功能是通過減小風輪受風面積或調節(jié)風能利用系數的大小，改變風力機獲取風能量的多少來控制風力機的轉速和功率。2.6、控制系統電氣控制系統的作用是接收風力機狀態(tài)及其外部環(huán)境信息，并調節(jié)風力機使其維持在被允許的運行限度之內，確保風力機運行過程的安全性和可靠性，提高機組的運行效率和發(fā)電供電質量。2.7、電氣系統小型風力發(fā)電系統屬于獨立運行供電的電源設備，所述電氣系統通常指電能的輸送、變換和配電線路，以及為使線路正常運行而設置的保護器件，組成線路的電力電子元器件包括變壓器、變流器、低壓開關電氣（如熔斷器、斷路器、交流接觸器、繼電器等）。在變換和控制線路中，常采用的基礎器件有電力二極管、可控硅整流器、電力場效應管（MOSFET）、絕緣柵型雙極性晶體管（IGBT）。2.7、電氣系統2.7、電氣系統要求電氣系統的每個部件都應能經受住所有的設計環(huán)境條件，也應能承受在運行期間可能受其影響的機械的、化學的和熱應力條件?？紤]到包含故障情況的設計載荷情況，以功率特性為基礎選擇的每個電氣部件都應具備設備功能負荷要求的條件。所有可能受雷電和其它瞬時過電壓條件影響的保護系統電路應依照IEC61643-1進行保護。2.8、制動系統制動系統是風力機至關重要的安全保護系統。在使用中遭遇破壞性大風、機組出現重大故障或必須停機進行維護檢修保養(yǎng)時，需要對風力機主軸或傳動系統實施制動，達到風力機停止轉動的目的。2.9、蓄能裝置風能是隨機性的能源，且具有間歇性，極不穩(wěn)定，高峰和低谷落差甚大。采用離網運行供電的方式時為充分地利用高峰風能，在無風風力發(fā)電機不能發(fā)電時，仍保持系統不間斷供電，小型風力發(fā)電系統在離網運用時必須配備電能儲存裝置。2.10、塔架近地面受地形、地物的影響，風速銳減，且常出現紊流。風力機在紊流中運行會產生劇烈振動，嚴重時會導致機組損壞。為獲得較高且穩(wěn)定的風速，利用塔架將風力機主體支撐到距離地面一定的高度。塔架承受來自風力的水平載荷和風力機重力的垂直載荷,為保障風力機安全穩(wěn)定運行，暴風吹襲時風力機不會傾倒，塔架要有足夠的強度和剛度。3、小型風力發(fā)電機設計與制造

3.1、結構型式的選擇

總體設計通常要求給出：風輪布置（水平/垂直、上風/下風、錐角、仰角等）、槳距（定/變）、翼型、葉片數、尖速比、風力機特性、傳動方式、發(fā)電機型式、控制和電氣系統運行方式、塔架結構及高度等，需依據這些要求確定風力機的結構和主要技術參數。日本櫻關村并網發(fā)電

3.1.1、常見結構型式現有小型風力發(fā)電機主流產品的風輪多采用水平軸、上風向、定槳距、3葉片結構，也有些機型采用下風向（風輪下風布置）、變槳距的結構型式。3.1.2、風輪布置風輪直徑10～20m的機組風輪采用下風向布置，利用風輪本身的對風能力，獲得調向功能是一個比較好的選擇，但應充分考慮“塔影效應”的影響和采取相應的技術措施使機頭的水平回轉運動穩(wěn)定。3.1.3、葉片數目風輪葉片數有2、3、4、5多種，有的為實現低風速發(fā)電，風輪外緣設計了擴散輪圈，葉片數多達5～8片。3.1.3、葉片數目葉片少（實度低），在一個很寬的尖速比范圍內能保持較高的風輪功率系數（Cp值），但最大功率系數（Cpmax值）略低；葉片多（實度高），最大功率系數（Cpmax值）略高，但只能在一個較窄的范圍內保持較高的風輪功率系數（Cp值）。隨著實度的增加，對應最大功率系數（Cpmax值）的尖速比變小。當實度太高時，最大功率系數（Cpmax值）反而減小。葉片數目多，對應的尖速比低，風輪轉矩大，運行時功率輸出平穩(wěn)，但制造成本高；葉片數目少，對應的尖速比高，制造成本低。葉片數目應兼顧技術經濟效果，統籌考慮。3.1.3、葉片數目統計數據顯示，葉片造價約占機組總成本的20～25%，從降低成本考慮葉片數目不宜過多，由于3葉片的配平、動態(tài)特性、運行平穩(wěn)性明顯優(yōu)于2葉片，近年3葉片風輪已成為風電設備的技術主流。葉片數目選3片的優(yōu)點是：①數目適中；②風輪容易調整平衡；③葉片的質量對風輪、塔架、軸線形成勻稱布局降低動態(tài)響應的幾率；④可運行在經濟合理的尖速比范圍，與其配套的直驅發(fā)電機尺寸小、重量輕、運行效率高。日本新瀉卡達克停車場供電

3.1.4、尖速比（高速性系數）風力機的尖速比可在4、5、6、7、8、9中選取。在額定風速、風輪直徑確定之后，尖速比取值便決定了風輪轉速。選擇較高的尖速比可以提升發(fā)電機的額定轉速，提高發(fā)電機的效率，電機體積和重量能減少，降低發(fā)電機的制造成本。然而高尖速比對葉片是十分不利的，當風輪轉速高至葉尖線速度達到70m/s左右時，葉片風蝕損害嚴重。風力機運行現場觀察到當葉尖速度超過70m/s時，風力機發(fā)出較大噪音，并隨轉速的再提高噪音急劇增大。因此，風力發(fā)電機的尖速比值取6～7比較合適。3.1.5、風力機特性主要包括功率特性、轉矩特性和軸向力（推力）特性。一般，風力機特性用風輪功率系數CP、風輪軸向力（推力）系數CT和風輪轉矩系數CM給出：式中A——風輪掃掠面積；

R——風輪半徑; V——來流風速.3.1.5、風力機特性a、風輪功率系數CP是評估風輪動力性能的重要指標，它直接反映風力機輸出功率的大小及變化規(guī)律，用風輪功率系數隨葉尖速比的變化曲線（CP-λ曲線）表示。如圖1為采用FX77/79翼型設計，三葉片，尖速比為7的風輪功率特性的CP-λ曲線。b、風輪軸向力（推力）系數CT是計算風力機塔頂風載荷的重要依據，它反映風力機風載荷的大小及變化規(guī)律，用風輪推力系數隨葉尖速比的變化曲線CT-λ給出。如圖2為FX77/79翼型設計，三葉片，尖速比為7的風輪在槳距角為零的情況下的CT-λ曲線。圖1風輪功率系數CP-λ曲線圖2風輪推力系數CT-λ曲線3.1.5、風力機特性c、風輪轉矩特性系數CM是風力機動力匹配設計的重要參數，它反映風力機輸出轉矩的大小及變化規(guī)律，用風輪轉矩系數隨葉尖速比的變化曲線（CM-λ曲線）表示。一臺性能好的風力機要有較高的風輪功率系數（Cp值），并希望它在一個很寬的尖速比范圍內保持較高的風輪功率系數，充分利用風能獲得較多的年發(fā)電量。而且在使用安全可靠性、減少環(huán)境噪聲方面都有良好的經濟技術效果和社會效益。欲實現這一目標在理論設計計算基礎上必須通過風洞試驗、車載試驗和自然風場檢測進一步試驗驗證及考核。3.1.5、風力機特性北京八達嶺風電試驗站運行考核

山東巨益新能源風洞

中國空氣研究與發(fā)展中心和南京航空學院的風洞AH5kW車載試驗

3.1.6、傳動方式采用增速齒輪箱以高轉速（每分鐘千轉以上）帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電量大效率高。發(fā)出相同功率，轉速高的發(fā)電機體積小、重量輕、制造成本低。但風力機要求與其配套的增速齒輪箱應體積小、重量輕、效率高、噪音小、密封好、能承受沖擊載荷、運行壽命長。增速齒輪箱增大了設備體積，大幅度增加制造成本，還會產生維護、保養(yǎng)和檢修的費用。easywind3.1.6、傳動方式目前國內生產的功率100kW以下的機型都采用風輪直接驅動低轉速永磁發(fā)電機的結構。省去齒輪箱的風力機外形緊湊，結構簡單，重量輕，效率高，噪音小，運行更可靠，降低了機組的制造成本，節(jié)省了維護和檢修費用。因此增速齒輪箱的取舍應從系統整體的技術性、經濟性綜合考慮做出選擇。3.1.7、發(fā)電機型式當前國內生產制造的100kW以下小型風力發(fā)電機組采用的發(fā)電機均為同步三相永磁式交流發(fā)電機，而且是直接驅動的低轉速、內轉子運行方式。這種發(fā)電機為永磁體轉子，無勵磁電流損耗，它比同額定轉速、同容量電勵磁發(fā)電機效率高、重量輕、體積小、制造工藝簡便、無輸電滑環(huán)，運轉時安全可靠，容易實現免維護運行。它的缺點是電壓調節(jié)性能差。一種爪極無刷自勵磁交流發(fā)電機，具備勵磁電流自動調節(jié)功能，使發(fā)電機的電壓和電流輸出保持平穩(wěn)。3.1.7、發(fā)電機型式3.1.7、發(fā)電機型式50kW以下的機組采用直接驅動的永磁發(fā)電機是比較適宜的。但是低轉速永磁發(fā)電機造價偏高，若用于與交流并網運行，配套的電氣控制系統較復雜，制造成本高，往往故障率高、可靠性差。因此大功率且用于并網發(fā)電的風力發(fā)電機組采用增速齒輪箱和雙饋異步發(fā)電機經濟合理。3.1.8、迎風回轉機構的選擇與設計a、尾舵由尾桿和舵板組成。因其結構簡單、制造工藝簡便，是小型風力發(fā)電機常用的一種迎風回轉機構。通過尾桿長度和舵板面積的配置，在風向偏離風輪軸線±15°范圍內，尾舵能響應風向變化、使風輪保持迎風狀態(tài)。適當增加尾桿長度可降低風力機主體的回轉角速度，降低陀螺力的影響，減輕風力機調向過程中的振動。3.1.8、迎風回轉機構的選擇與設計b、舵輪是由氣動轉矩較大的多葉片風輪組成。舵輪安裝在回轉體上，其盤面與風輪盤面相垂直，風輪迎風時舵輪側風；當風輪偏離風向時舵輪迎風，舵輪在風力作用下轉動，通過降低轉速增加扭矩的傳動機構驅動風力機主體回轉，使風輪保持迎風狀態(tài)。與尾舵迎風機構相比，舵輪迎風機構在迎風調節(jié)過程中風力機主體的回轉角速度低，減輕甚至避免了陀螺力的影響，風力機運行更平穩(wěn)。它適用于葉片重，風輪直徑大轉動慣量大的風力機。3.1.8、迎風回轉機構的選擇與設計c、風輪下風向布置。風輪在風力作用下繞塔架頂端支承轉動，穩(wěn)定在塔架的下風向呈現迎風狀態(tài)。其特點是省去尾舵、舵輪和構造復雜的電力驅動等迎風機構，風力機組的質量減輕，外觀緊湊。風輪下風向布置為避免塔影效應，風輪與塔桿之間要適當加大距離。為避免由陀螺效應引起振動，要在回轉機構上設置限制回轉角速度的轉動阻尼器。3.1.8、迎風回轉機構的選擇與設計d、電力驅動機構多用于風輪直徑較大的風力機。在機艙頂部設置風向標，當風向偏離風輪軸線方向±15°時，風向傳感器向處理器發(fā)出信號，再由處理器向電驅動機構發(fā)出指令，啟動回轉機構繞塔架轉動，使風輪保持迎風狀態(tài)。hswindviking

3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇轉速控制方式主要有風輪偏離風向、變槳距控制、失速控制三種類型。（a）風輪偏離風向偏離風向減小風輪受風面積控制風力機的轉速和功率的方式廣泛應用于風輪直徑小于6m的風力機。常見的有側翼、風輪偏置、風輪上仰等使風輪偏離風向的方法。這些方式結構簡單、機械零件少、加工精度不高、容易制造，通過理論設計和在自然風場中運行調試是能夠達到限速的目的。它的缺點是調節(jié)粗放、控制精度低、風力機運行中易產生有害振動，風力機往往承受較大的動應力載荷。3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇山東科技大學進行電動轉舵偏離風向運行試驗3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇（b）變槳距調節(jié)葉片處在最佳迎角時風能利用系數大，風輪效率高；偏離最佳迎角時風能利用系數減小，風輪效率則降低?；谶@個原理，在額定風速及低于額定風速值時葉片處在最佳迎角，保持較大的風能利用系數，使輸出功率達到預期的設計值；當超過額定風速時改變槳距（增大或減小），葉片偏離最佳迎角，減小風能利用系數，降低風輪效率，限制風力機轉速和功率，使其不超過設計的額定值。3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇常見的變槳距機構有機械離心飛錘（飛桿）、機械離心螺旋、風壓、彈性（柔性）、電（或液力）驅動等。與風輪偏離風向的限速方式相比，其優(yōu)點在于調控比較精準，調速過程平穩(wěn)，風力機運行穩(wěn)定。變槳距調節(jié)是將超余的風能排除在能量轉換系統之外，改善了風力發(fā)電機組的運行條件。問題在于變距機構較復雜，機械零、部件較多，所用材料、加工工藝及制造精度均要求較高，增加了制造成本。尤其是電動或液力變槳距系統還要設置若干傳感器、增加電子信息處理、液力傳動、伺服執(zhí)行機構等高價位、精密器件，大幅度提高了設備造價。同時增加了故障源，在運行中還有密封、潤滑保養(yǎng)、維護、檢修等煩瑣操作。3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇在北京八達嶺風電試驗站柔性變槳距試驗3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇從當前國內、外風電設備市場需求趨勢預計，變槳距調速的小型風力發(fā)電機，會受到越來越多的客戶歡迎并認購?？梢灶A期隨著風力機控制技術的不斷完善和變槳距技術的快速進步，采用變槳距控制風力機轉速仍將是今后的技術發(fā)展趨勢。3.1.9、小型風力機轉速的控制與機構的選擇（c）失速控制失速控制方法較多的用于并網運行的定槳距大型風力發(fā)電機。失速控制的風力機在額定運行狀態(tài)時，氣動設計已將葉片設置在臨近失速點。當超過額定風速時葉片表面流動的氣體立即呈現分離狀態(tài)，致使作用于葉片的升力不再增加，風能利用系數下降，風輪轉速和功率不再隨風速的增大而提高。3.2、主要技術參數的選擇

3.2.1、額定風速風力機達到設計功率時，輪轂高度處的最低平均風速。額定風速取值是否合理，判定依據是看它的年發(fā)電量是否最高，每度電的成本是否最低。如果額定風速取值偏高，設備按大風載荷設計，造價偏高，使用中機組很少滿負荷運行，風頻較高的風速不能被充分利用，設備利用率低，年發(fā)電量少，導致風力發(fā)電經濟性差，風電營運成本高；額定風速取值過低，風輪和發(fā)電機結構尺寸大，支撐結構耗材多，制造成本高，大量高功率密度風能被調控釋放，轉速和功率控制系統負擔重，風電營運成本也高。以往有很多“微風發(fā)電”案例，已證明過分追求低風速發(fā)電的經濟和技術效果都比較差。3.2.2、風輪直徑當風力發(fā)電機的額定功率、額定風速確定之后，可以預先設定風輪功率系數、發(fā)電機效率、傳動系效率，估算風輪直徑。式中：D——風輪直徑（m）——額定功率（W）

ρ——空氣質量密度，跟海拔高度、大氣溫度和濕度有關，其標準狀態(tài)ρ

=1.225kg/——額定風速（m/s）

3.2.2、風輪直徑——風輪功率系數，估算時可取0.35～0.4——發(fā)電機效率（0.7～0.8）

——傳動及其他效率（齒輪箱0.85～0.9/直接驅動為1）

然后經過試驗、檢測、調整確定風輪直徑。3.2.3、切入風速風力機開始發(fā)電時，輪轂高度處的最低平均風速。為追求微風發(fā)電將切入風速降低到不合理的數值，會給風輪、發(fā)電機及配套電氣系統的設計、制造帶來很多技術困難，不僅增加制造成本，由于低風速時風能密度極低，風電機組獲取的電能有限，往往會造成得不償失的結果。低風速風能密度低，比如3m/s風速時，即使運行效率較高的機組轉換的電能按每平方米風輪掃及面計算尚不足3W。小型風力發(fā)電機切入風速在3m/s～4m/s為宜。3.2.4、切出風速風力機維持額定輸出功率，輪轂高度處的最高平均風速。為更多的獲取風能，又從安全考慮，確定切出風速取20～25m/s是合理的，若干風能資源統計資料顯示即使年均風速較高的地區(qū)，超過25m/s風速的吹刮時間是有限的。機組的設計強度要求高、制造成本高。風力機在超過25m/s風速下運行，又處在調控運行狀態(tài)，風載荷及動態(tài)應力水平都很高，風力機容易遭受破壞。3.2.5、機組效率因此孤立的追求單項的風輪效率、傳動效率和電機效率高指標是沒有實用意義的。風力機從切入風速到額定風速風輪、傳動和發(fā)電機之間要有轉速、功率和轉矩的合理匹配。設計目標是把發(fā)電機的輸入軸功率及轉矩隨轉速的變化曲線，與風輪輸出的功率、轉矩隨轉速的變化曲線相擬合，風力發(fā)電系統才能在較寬的工作范圍保持較高的機組運行效率，獲得較多的年發(fā)電量、最佳的技術經濟效果。日本櫻關村并網發(fā)電風力發(fā)電機的輸出功率式中，Cp為風輪功率系數；

η1為發(fā)電機效率；

η2為傳動及其它電氣轉換效率3.2.5、機組效率對于小型風力發(fā)電機，風輪與發(fā)電機的動力負荷匹配是決定機組運行效率的關鍵技術。風力發(fā)電機組要求風輪動力輸出特性和發(fā)電機負載(發(fā)電機輸入軸功率）特性相擬合，如不能擬合，其動力——負載不匹配，會導致風輪不能運行在最佳葉尖速比附近，風輪效率低，機組達不到額定輸出功率。為便于風輪動力和發(fā)電機負載的匹配設計，風輪理論設計完成后須提供如下技術數據和參數：風輪功率系數、推力系數、力矩系數以及風輪轉速、風輪軸功率、風輪軸扭矩、風輪推力在額定風速以下及額定風速附近的變化規(guī)律，以便于進行發(fā)電機的優(yōu)化設計。3.3、風力機的振動風力機在運行中受空氣動力作用將會產生變形和振動，風力機在風剪、塔影、陣風以及葉片離心慣性力、風輪、發(fā)電機和回轉機構運動慣性力、科氏力（矩）作用下，承受多種交變載荷。這些載荷還會通過相連機體傳遞到傳動系統、支撐結構、尾舵及塔桿形成動態(tài)響應，引起很大的動應力，縮短風力機的使用壽命，甚至在發(fā)生共振時產生斷裂解體破壞。3.3.1、風力機振動的原因分析風力機在運行中常出現機械振動，風輪是主要振動源。在風能轉換過程中風的速度和方向瞬息變化，常有劇烈陣風沖擊，空氣動力不平衡和運動件離心慣性力的不平衡都將造成風輪及風力機的振動。風輪產生的激振力來源于：a、非均勻氣流：包括風剪、陣風、湍流、斜流b、風輪側風旋轉c、陀螺效應引起的力及力矩d、葉片制造、風輪裝配過程造成的氣動力、慣性不平衡。3.3.1、風力機振動的原因分析常見小型風力發(fā)電機在運行中出現程度不同的振動，在較大風速（大于12m/s）下劇烈振動，發(fā)生葉片飛逸、尾舵斷裂脫落的重大事故發(fā)生。分析其原因是：a、結構設計不合理，不能有效地實時控制，風輪轉速忽高忽低，風力機主體頻繁回轉振蕩，風力機運行極不穩(wěn)定

；b、葉片對回轉中心的水平靜力矩、風輪的平衡（質量慣性力以及氣動力）未達到規(guī)定要求c、風輪、葉片、支撐結構等零、部件未進行固有振動頻率的檢測，并相應采取避免動態(tài)響應和產生共振的技術措施d、風力機安裝地點存在嚴重的湍流。3.3.2、減輕或消除風力機振動的技術措施a、應計算或測定葉片在運行和靜止狀態(tài)下在揮舞，擺動和扭轉方向的一階、二階固有頻率。應避開額定轉速以及附近轉速的風輪旋轉激振頻率。葉片在設計制造中可以通過內部結構和質量分布調整它的固有頻率，使激振頻率與葉片的固有頻率相差百分之十；與風輪的固有頻率相差百分之二十。在額定轉速以及附近轉速范圍不發(fā)生共振，以降低葉片及風輪的動應力，延長其使用壽命。3.3.3、減輕或消除風力機振動的技術措施b、把振動控制在保障風力發(fā)電機安全運行的范圍。在葉片制造、風輪裝配過程嚴格控制重力和重力矩平衡、慣性力平衡以及氣動力平衡、是減小乃至排除振源極為關鍵的技術措施。c、為避免由陀螺效應引起振動，要在回轉機構上設置限制回轉角速度的轉動阻尼器。小型風力發(fā)電機在迎風調控過程中,把回轉機構的回轉角速度控制在0.2-0.35rad/s。3.3.3、減輕或消除風力機振動的技術措施d、風輪平衡。3.4、小型風力發(fā)電機的制造工藝以及質量控制與管理據行業(yè)2011年統計資料顯示，國內現有參與小型風力發(fā)電機整機或配套器件制造和銷售的有177家。真正具備技術實力和經濟條件，正常有序地進行生產、銷售和經營的企業(yè)約有30家左右，其中產值過億元的企業(yè)僅有4家。長期以來，產業(yè)缺乏有效的產品質量監(jiān)管機制，行業(yè)未實行設備的檢測和認證制度。因而在小型風電設備行業(yè)內存在產品質量參差不齊，甚至劣質產品以低價推銷，嚴重干擾和抑制了小風電產業(yè)的正常發(fā)展。一些國內外貿易在成交后不久，因產品性能和質量問題產生摩擦、賠償，甚至退貨的事件時有發(fā)生。3.4、小型風力發(fā)電機的制造工藝以及質量控制與管理究其原因，除產品的技術設計存在缺陷有待完善之外，在制造工藝編制是否科學合理、制造過程各個環(huán)節(jié)的材質、工藝處理、加工與裝配精度的控制與管理方面，也存在諸多亟需研究探討和有待改進的問題。質量控制應該貫穿整個風力機與它的所有部件的設計、采購、制造、安裝、運行和維護的過程之中，建議質量管理體系遵照ISO9000系列的要求。3.4、小型風力發(fā)電機的制造工藝以及質量控制與管理小型風力發(fā)電機制造過程中應著重注意：a、大多數小型風力發(fā)電機廠家的零部件加工依賴外協廠家完成。由于外協廠家裝備條件、技術水平和加工能力參差不齊，所以需要遵照設計要求和有關的技術標準，編制相應的加工工藝、規(guī)范工藝流程、制定零部件加工質檢驗收條件，對入廠的零部件進行嚴格的檢驗，重點檢驗用于制造零部件的材料（規(guī)格、化學成分、機械性能等）、零部件加工精度、零部件外觀（含防蝕處理）等；b、小型風力發(fā)電機制造過程中，廠家要掌控發(fā)電機生產的整個過程，發(fā)電機裝配完成后須由自己完成測試；3.4、小型風力發(fā)電機的制造工藝以及質量控制與管理c、葉片的生產需嚴格按照生產規(guī)程和生產工藝要求進行，由自己生產或者委托可信賴的專業(yè)生產外協廠家制造，風輪平衡調整工序必須由廠家自己完成；d、零部件及緊固件的防銹蝕處理、潤滑及密封狀況需認真檢查，按相關標準嚴格進行驗收；e、總裝廠必須擁有和具備健全的小型風力發(fā)電機性能檢測設備和試驗手段，以利有效的控制風力發(fā)電機性能及產品質量；f、建立產品質量追溯流程，以便于產品質量的控制和售后維護。3.4、小型風力發(fā)電機的制造工藝以及質量控制與管理使用卷揚機的靜力加載試驗

使用偏心旋轉質量的激振裝置試驗

使用液壓加載器的雙軸單點加載的疲勞試驗

分配梁加載實例

3.5、電氣控制系統

3.5.1電氣控制系統基本要求

小型風力發(fā)電系統對配套電氣控制系統的基本要求如下：a、整流器件的耐電壓、耐電流的高限值要有充足的裕度，推薦3倍以上；b、向蓄電池充電的控制系統，以充電電流為主控元素，控制蓄電池的均充、浮充轉換，以均充電壓、浮充電壓、充電時間作為控制條件，按蓄電池的充電、放電技術規(guī)范進行充、放電；c、向逆變器供電時應滿足逆變器所需直流電壓和容量的要求；3.5.1、電氣控制系統基本要求d、應配備超額定輸出功率容量的分流卸荷器；e、應具備檢測風力機轉速、輸出電壓、輸出電流、發(fā)電機溫度、機組振動等狀態(tài)，超過限定值或允許范圍時，控制系統自動實施風力機制動停機；f、應有防直流“+”、“-”極反接、防蓄電池過放電等保護功能；g、具備防觸電、避雷等安全保護功能。3.5.2、電氣控制系統的構成及功能a、功率容量幾千瓦的離網風電系統常配置簡易的控制器。它包括三相全橋整流、電壓限制、卸載分流電阻箱、對蓄電池充電時的充放保護和容量5kVA以下逆變電源。逆變電源輸出的交流電波形分正弦波和方波，感性負載宜采用正弦波形的逆變電源。b、比較完善的電氣控制系統：采用了PWM斬波整流，使電氣控制系統具備了AC-DC/DC-AC雙向變換功能；采用升壓型（Boost）可控整流時，能彌補永磁發(fā)電機在低轉速時電壓偏低的缺陷，提升風力發(fā)電機低風速時的輸出功率同時改善了輸出的交流波形，大幅度提高了發(fā)電機的運行效率；切入了最大功率跟蹤技術（PTTP），充分利用風能提升了風力發(fā)電機組的年發(fā)電量；具備蓄電池智能充電功能，延長了蓄電池的使用壽命；設置了狀態(tài)顯示和主參數通訊接口，實現了遠程監(jiān)控。功能完善的控制系統能保障風力機技術性能可靠，運行穩(wěn)定安全。3.5.2、電氣控制系統的構成及功能北龍島逆變控制系統

3.5.2、電氣控制系統的構成及功能小型風力發(fā)電機系統聯網運行時通常采用如圖所示的電路。由低轉速永磁發(fā)電機發(fā)出的頻率、幅值變化的交流電經過整流之后變?yōu)橹绷麟?，經Boost電路升壓后，再通過三相逆變器變換為與電網（低電壓供電網）同頻、同相位的三相恒壓交流電。這種由不可控整流、Boost升壓電路和逆變器組成的變流電氣系統控制方式簡單，性能可靠，運行穩(wěn)定，制造成本低，適用于與永磁同步發(fā)電機配套應用。3.5.2、電氣控制系統的構成及功能AH15kW在青島四八零八船廠并網（AC400V）發(fā)電

3.5.2、電氣控制系統的構成及功能

3.5.2.1、變流器變流器的功能是把風力發(fā)電機輸出的電壓和頻率總在變化的交流電能通過整流變換成直流電，然后再經過逆變器變換成恒頻恒壓的交流電饋送到電網或單獨向負載供電。 如圖示小型風力發(fā)電機電氣箱控制技術更先進，性能更可靠，轉換效率可達97%，適用于小型風力發(fā)電機的啟動、功率調節(jié)和停止。臺達

3.5.2、電氣控制系統的構成及功能

3.5.2.1、變流器控制箱主要由全功率變流器、模塊電源、觸摸屏、并網斷路器、防雷器、溫度、濕度調節(jié)單元和防雨箱體等組成。其主要特點在于采用全功率背靠背（可控直流、雙PWM）變流器，減小入網諧波，提高發(fā)電機效率；最大功率點跟蹤控制，提高了風力發(fā)電機組的運行效率；有人機對話界面視屏便于參數設定和隨時實施調節(jié)控制。臺達3.5.2、電氣控制系統的構成及功能3.5.2.2、保護裝置確保防止來自自身和外部電氣系統的異常的保護裝置，應符合GB5226.1-2002的7.1到7.5和7.8中的相關規(guī)定。這些裝置包括斷路器、過電流保護的保險絲、溫度保護的熱元件等。3.5.2.3、斷開裝置維修或測試時，要求斷開裝置能夠把電氣系統與所有電氣能量源切斷。3.5.2.4、接地系統應符合IEC60364-5-54和本地區(qū)電氣規(guī)程的要求。接地裝置（接地電極、導體、匯流排和主端子）的安裝、布局和選擇應與小型風力發(fā)電機運用的雷電防護相匹配。接地電極系統充分滿足當地的土壤條件的范圍。丹麥5kW并網供電3.5.2、電氣控制系統的構成及功能3.5.2.5、避雷小型風力發(fā)電機的雷電防護可參照IEC61400-24中的有關規(guī)定。雷電防護措施沒有必要擴展到葉片。3.5.2.6、電氣導體和電纜小型風力發(fā)電機的的導體應依照GB5226.1-2002的有關規(guī)定，考慮其特殊的應用條件，如溫度、電壓、電流、環(huán)境條件和裸露（紫外線、油污）造成的老化，還應考慮導體在安裝和使用操作時受拉伸和扭曲可能造成的機械應力，來確定等級。在存在嚙齒動物或其他動物損害電纜的地方，應使用帶鎧電纜或套管。地埋電纜應埋在一個適當的深度以免被通行車輛壓軋損壞。在設計時要考慮保護的電壓極限，以使電力傳輸中任何過電壓不會超過導體的絕緣等級。3.6、制動系統小型風力發(fā)電機多采用風輪直接驅動發(fā)電機的方式，制動力矩施加在風輪軸或發(fā)電機軸的輸出端，直接反作用于風輪的驅動力矩。制動系統分為手動、自動兩大類。手動制動系統包括縱操結構、制動力傳輸和制動器；自動制動系統包括制動信息傳感器、微處理器和制動執(zhí)行機構。3.6.1、手動制動系統一種構造比較簡單的制動系統，見圖1、圖2。圖1是在需要停止風力機轉動時扳動手柄，牽拉鋼絲繩、經過滑輪變換拉力方向，通過杠桿增大作用力，漲開制動蹄，剎住緊固在電機軸上（與風輪同軸旋轉）的制動轂。圖13.6.1、手動制動系統圖2與圖1不同的是牽拉鋼絲繩折彎尾舵，在風輪偏離風向某一角度時（比如與風向的夾角30～40°），尾舵軸上的搖臂開始接觸液力總泵推桿，然后在繼續(xù)折尾的過程中總泵液力逐漸增大，驅動總泵和剎車片夾緊固定在電機軸端的制動盤，使風力機停止轉動。這個制動系統應用在采取了折尾、風輪偏離風向限速機構的風力機上，可將制動與折尾聯動在一起，把制動的操縱方式變?yōu)樽詣雍褪謩蛹嬗?。圖2手動液壓制動系統3.6.2、自動制動系統一種構造簡單、可靠性高且較為通用的液壓制動系統，如圖3所示。制動盤與電機軸固定在一起，并隨著電機軸旋轉。制動分泵的制動缸與制動蹄加緊制動盤產生摩擦力進行制動。制動分泵的液壓油通過油管1和油管2連接到制動總泵上，制動總泵是一個柱塞泵，推動制動總泵的活塞桿，將壓力較高的液壓油通過油管注入到分泵的油缸里，制動盤與制動鉗產生摩擦力，起到制動的目的。系統中的信息傳感器采集風力機最高轉速限定值和風速最大限定值，由PLC給出制動指令，啟動電動絞盤或液力控制閥，通過執(zhí)行機構向風輪軸實施機械制動或液力制動。圖3液壓自動制動系統3.6.2、自動制動系統對小型風力發(fā)電機設置制動系統時，需要考慮以下幾個問題：（1）風輪的驅動力矩在350N·m以下，且具有可靠、有效的調（限）速機構的風力機可采用手動制動系統；風輪驅動力矩較大的風力機，無論有無有效的調速系統，都應選擇兼有大風保護、自動停機功能的自動制動系統。（2）由于制動系統是直接對風輪軸實施制動，要求制動系統的制動力矩要大于風力機運行時風輪驅動和轉動慣量合成的力矩，并要有足夠的裕度。通常，最大制動力矩裕度為1.5—2倍。風光互補為基站供電（3）當風輪的轉動慣量較大時，要求制動系統在實施制動時不要過猛。據經驗，制動歷時30～40s比較安全合理。（4）對于采用變槳距運行的風力機，在實施制動前先行變槳距，使風輪氣動力轉矩變小后，再實施制動則更為有利，可以有效減少對風力機的損害。3.7、蓄能裝置當前風力發(fā)電系統可選擇的蓄能方式有：蓄電池蓄能、飛輪蓄能、提水蓄能、壓縮空氣蓄能、電解水制氫蓄能等幾種。小型風力發(fā)電系統離網運行時廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當風力強勁、風力機發(fā)電量大，或用電負荷少時，將電能存入蓄電池；當風力較弱，或用電負荷較大時，蓄電池中的電能向負荷供電，以補充風電的不足，保持風力發(fā)電系統持續(xù)穩(wěn)定供電的運行狀態(tài)。目前，小型風力發(fā)電系統離網運行時較多采用儲能型（固定）鉛酸蓄電池，它的單體電動勢為2V，單體容量從幾百安時到數千安時。電池組配套時可根據風力發(fā)電系統的要求，以串、并聯接方式組合成所需要的端電壓（V）和總容量（Ah）。3.7、蓄能裝置蓄電池使用中應按技術規(guī)范對蓄電池充放電，不允許過充電和過放電。要求每2V單體電動勢，放電時不得低于1.7V，充電時不得高于2.4V；充放電過程，按電池容量的1/10--1/20數值控制電流量（A）。蓄電池經多次充放電之后，其充放電轉換效率和電池容量會迅速降低，壽命即終結，繼續(xù)使用已很不經濟。影響蓄電池使用壽命的因素很多，其中主要有：a、未按技術規(guī)范配制符合要求的電解液；b、未嚴格實行均充、浮充分階段充電規(guī)程；c、蓄電池過度充電、深度放電；d、蓄電池在虧電狀態(tài)下，久置未及時充電。3.8、塔架

3.8.1、塔架的高度和極限載荷塔架高度：由于地表的粗糙度影響，產生風的剪切效應，塔架越高，風速越大，風力機獲取的風能越多，但是制造成本和安裝費用也越高。確定經濟、合理的塔架高度需要從風能量增益、制造成本和安裝費用統籌考慮，通常取風輪直徑的2.5～3倍。極限載荷：安裝使用地點的極大風速，按當地幾十年一遇