风力发电原理及生产过程

1、风 能发电的主要形式有三种： 一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式 （如柴油机发电） 相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电，未经特别说明，均指并网发电。1、小型独立风力发电系统小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机 由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终 对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功 能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因

2、风量不稳定，故小型风力发电机输出的是1325V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电， 使风力发电机产生 的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。2、并网风力发电系统德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统， 发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上

3、。不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。现代风力发电机多为水平轴式。 一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、 液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透 过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。 目前也有厂商推出无齿 轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设

4、备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定 容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达 20-25米/秒范围内停机。一般采 用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速（微风的程度）便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地 10米高 的年平均风速达到 5-5.5米/秒以上。1 / 29风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡，约与叶

5、轮直径平方成正比。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。此外。现代风机的叶片多采用机翼的翼 型。近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。主流风电机组的单机容量为 600-2000千瓦，容量越大，发电效率越高， 技术难度越大。目前，国内单机容量 750-2000千瓦的机组最受欢迎。国外正在开发、应用 的机组单机容量是 3000-5000千瓦。2003年，德国Enercon公司安装了第一台 4500千瓦的 风电机组样机。目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机

6、、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。 风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能 优异的叶片（目前商业机组一般为2-3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。 上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置， 它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节一即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，

7、可以实现无人操作管理。风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机等。其中，水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种形式。它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装 置、控制系统、塔架等部件所组成。 风轮将风能转换为机械能，低速转动的风轮通过传动系 统由增速齿轮箱增速， 将动力传递给发电机。 整个机舱由高大的塔架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，还安装有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制 器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风。风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地， 按照地形和主风向

8、排成阵列，组成机群向电网供电。 风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为 凤力田风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起， 目前世界上最大的风电场是洛杉矶附近的特哈查比风电场，装机容量超过50万千瓦，年发电量为14亿千瓦 时，约占世界风力发电总量的23%。风力发电的优越性可归纳为三点：第一，建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、 火力发电厂或核电站的建造费用低得多；第二，不需火力发电所需的煤、 油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗； 第三，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。制造风能机械，利用风力发电

9、是风能利用的两项主要内容。风力发动机是一种把风能变2 / 29成机械能的能量转化装置。风力发动机由5部分组成：screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;(1)风轮。风轮由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能 的主要部件。(2)机头。机头是支承风轮轴和上部构件(如发电机和齿轮变速器等)的支座， 它能绕塔架中的竖直轴自由转动。(3)机尾。机尾装于机头之后，它的作用是保证在风向变化时，使风轮正对风向。(4)回转体。回转体位于机头底盘和塔架之间，在机尾力矩的作用下转动。(5)塔架。塔架是支撑风力发动机本体的构架，它把风力发动

10、机架设在不受周围 障碍物影响的高空中。根据风轮叶片的数目，风力发动机分为少叶式和多叶式两种。少叶式有24个叶片，具有转速高，单位功率的平均质量小，结构紧凑的优点；常用在年平均风速较高的地区。是目前主要用作风力发电机的原动机。其缺点是启动较为困难。多叶式一般有4-24个叶片，常用于年平均风速低于34米/秒的地区；具有易启动的优点，因此利用率较高。由于转速低，多用于直接驱动农牧业机械。风力发动机的风轮与纸风车转动原理一样，但是，风轮叶片具有比较合理的形状。 为了减小阻力，其断面呈流线型。前缘有很好的圆角，尾部有相当尖锐的后缘，表面光 滑，风吹来时能产生向上的合力，驱动风轮很快地转动。对于功率较大的

11、风力发动机， 风轮的转速是很低的，而与之联合工作的机械，转速要求较高，因此必须设置变速箱， 把风轮转速提高到工作机械的工作转速。风力发动机只有当风垂直地吹向风轮转动面 时，才能发出最大功率来，由于风向多变，因此还要有一种装置，使之在风向变化时， 保证风轮跟着转动，自动对淮风向，这就是机尾的作用。风力发动机是多种工作机械的 原动机。利用它带动水泵和水车，就是风力提水机；带动碾米机，就是风力碾米机；此 类机械统称为风能的直接利用装置。带动发电机的就叫风力发电机。它们均由两大部分 组成，一部分是风力发动机本体和附件，是把风能转化为机械能的装置；另一部分是电 气部分，包括发电机及电气装置，把机械能转化

12、为电能，并可靠地提供给用户。小风力 发电机的容量不大，功率一般从几瓦到几千瓦，大都具有结构简单，搬运方便的优点。 按风力发动机与发电机的连接方式分，有变速连接的和直接连接的两种。在风能的利用中，蓄能是一个重要的问题。特别是对于风力发电，在很大程度上，3 / 29 其生命力由蓄能装置（如蓄电池）的可靠程度来决定。有了蓄能装置，在有风的时候， 把多余的能量储存起来；在无风时，输出应用。各种蓄能方式的研究是风能利用的一个 急待解决的重要任务。风力发电技术主要分为风能资源评估与预测，风力发电装备制造技术，风电机组测试、近海风电技术、风电对公共电网的影响等几个方面。1,能资源的评估与预测国外已经对风能资

13、源的测试与评估开发出许多的测试设备和评估软件，在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化软件。如丹麦RIS国家研究实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件 WASP ；美国TureWind Solutions公司开发的 MesoMap和Sitewind 风能资源评估系统等。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟的软件。国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测作了很多研究，精确度可达90%以上。2.风力发电装配制造技术1）单机容量继续稳步上升20世纪80年代生产的旧式机组单机容量仅为20KW 60KW。单机容量增大后的直接好处是能以数目较少的风电机组完成相同的发电量

14、，从而节省土地使用面积。目前单机容量最大的风电机组是由德国Repower公司生产的，容量为 5MW ,叶轮直径达130m ,安装在120m 高的塔架上，预计 2010年将开发出10MW 的风电机组。对容量在2MW 以上的机组欧洲主要考虑在海上安装。2）风轮输出功率控制方式有失速调节和变桨距调节两种失速控制是在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围内。失速控制的优点是叶片与轮毂之间没有活动部件，不需要复杂的控制程序，在失 速过程中功率波动小；其缺点是风力发电机组的性能的限制，启动风速较高，在风速超过额 定值时发电功率有所下降，同时需要叶间刹车装置，机组动态负荷

15、较大。4 / 29变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率，变桨距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点是增 加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，采用变 桨距调节的风电极组较多。3）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率及运行可靠性。在德国2004年所安装的风电机

16、组中，就有40.9%采用了无齿轮箱系统。.风电机组测试技术德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家对风电机组的设计和测试技术都做过很多研究，制定 了国际标准，建立了认证体系，并都有自己的检测机构，其他国家的产品只有通过其检测才 能进入。我国对风电机组的测试技术做过一定研究，但不系统。.风电与电网风力发电能够顺利并入一个国或地区电网的电量，主要取决于电力系统对供电波动反应的能力。变化不定的风力给电网带来的问题，远比怀疑论者估计的低。很多涉及到现代欧洲电网系统的评估表明，电网系统中风电容量占20%并不存在技术问题。但是，当大规模的风电并入电网后，风电与电网间的相互影响及相互作用规律还是需要进一步研究。风

17、电技术发展趋势随着风电工业的不断发展，风电技术和风电系统也在不断的发展，以满足其自身技术，应对风速变化、成本、环境以及稳定运行等各方面的要求。其主要趋势包括以下几个方面：.主要发展水平轴风力机5 / 29垂直轴的主要优点是全风向、变速装置及发电机可以置于地面，但其主要缺点是轴距过长，风能转换效率不高。目前主流风力机都采用水平轴设计，其优点是风能转换效率高，传动轴距短。对大型风电机组来说经济性更好。其缺点是需要根据风向调节机舱的位置，需要有对风装置。同时由于变速装置及发电机布置在塔架顶端，增加了塔架的投资和安装维护的难度。.从风轮到发电机的新型驱动方式目前从风轮到发电机的新型驱动方式主要有三种：

18、一种是通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步电机，简称双馈式，这是目前市场上的主流产品。第二种是风轮直接驱动多级同步发电机，简称为直驱式。直驱式风机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，可靠性好等优点，在市场上正占有越来越大的份额。但直驱发电机体积大而笨重。第三种是单级增速装置加多级发电机技术，简称为混合式。混合式单级增速装置以提高发电机转速，但速度低于标准发电机所需要的转速，同时配以类似于直驱发电机的多级电机。该装置介于 纯变速装置驱动和直驱之间，旨在融合两者的优点而避免其缺点。.变桨距调节方式迅速取代失速调节从目前市场情况来看变桨距调节方式能充分克服失速调节的缺陷，得到了迅速的应

19、用。这点在前面已有了较详细的论述。除此之外，改善声学特性，改善空气动力学特性，改善轴传动效率，满足高风速或低风速地 区以及复杂地形的运行要求等也是风电机组设计的发展趋势。风力发电系统的一般组成结构如图 2,首先通过桨叶将风能转化为风机转动的机械能，由于风机的转速大多比较低，需要用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额定转速附近，再经过发电机将机械能转化为电能,电力电子变流器将发电机输出的电能转换为合适幅值或频率的电压、电流，经过并网变压器升压后接入大电网。对于目前出现的一些低转速发电机，图中的齿轮箱可以省去。系统转速、功率等运行状态的控制可以通过改变风机桨叶的节距角实现，也可通过电力电子变流器来调

20、节发电机的电磁力矩完成。对于小型风力发电机组来说，通过电力电子变流器来调节发电机电磁力矩的方法更方便，可以省掉变桨距机构，减小6 / 29系统设计制造的难度。风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发 电技术是风力发电技术发展的必然趋势，另外用于变流器系统的电力电子技术直接决定了产生的电能质量,这三项技术同时也是风力发电中的关键核心技术。一、风力机的变桨距功率调节技术a）风力机的特性曲线风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数Cp：式

21、中：t时间内叶轮吸收的风能；t时间内通过叶轮旋转面的全部风能；单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率的表达式为：式中： 一一空气密度（kg/m3）；A叶轮的扫掠面积（m2）;D叶轮的直径（m）。7 / 29系数，反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的储的功率特性通常用风能利用系数（叶尖速比）曲线来表示，如图 3所示。储的功率发电机I】门六二十电机转速X同步转速血动机图4异步电机输出功率曲线Fig.4 Curve of IM ou

22、tput power恒速恒频发电系统中， 多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性 曲线的稳定区内运行，如图4所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。 当风力机传给发 电机的机械功率随风速而增加时， 发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。 运行点发生改 变。当转子速度高于同步转速 3%5%时达到最大值，若超过这个转速， 异步发电机进入不 稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。b）变速恒频发电系统目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重

23、视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交一一交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，8 / 29这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的

24、是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点， 可以适用于各种不同场合。为充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。下面将对各种电机系统加以简单介绍。(1)交一直一交风力发电系统这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化， 风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电首先通过三 相桥式整流器整流成直流电， 再通过逆变器直流电变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量相同。这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。 在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机

25、和永磁发电机等。而在这几种发电机中，鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用，因为其转子结构都很简单容易制造和维护，并且没有滑环和电刷，励磁方式也比较简单，尤其是永磁同步电机不需要外部励磁。(2)磁场调制发电机系统这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。发电机本身具有较高的旋转频率，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为的低频交流电励磁(即为所要求的输出频率，一般为50Hz),当频率远低于频率时， 发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为和的两个分量组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是 ，包络线所包含的高频波的频率是。将三个相绕组接到一组并

26、联桥式整流器，得到基本频率为 的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波 的一半反向。最后经滤波器滤去高次谐波，即可得到与发电机转速无关、频率为的恒频正弦波。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。与前而的交直一交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是：由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零 点时开关换向。因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。9 / 29晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，因此可以得到相当好的正弦输出波形。磁场调制发电机系统的

27、输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与交 一直一交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。 发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。(3)交流励磁双馈发电机系统系统如图5 (d)所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电

28、能给电网；当 时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流向；当 时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。因此，当发电机的转速 变化时，若控制变频器励磁相应变化，即可以使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一部分，因此变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频器的成本将会大大降低。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器

29、的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制， 对电网而言可起到无功补偿的作用。但交一交变频器输出特性差，6脉波、36管交一交变频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。只有 12脉波、72管交一交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力发电系统。目前国际上开发使用PWM整流一PWM逆变的交一交型变频电源，具有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励10 / 29磁变频器。此外绕线式交流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应用的机组。(4)无刷双馈发电机系统系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套

30、极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。 其转子为鼠笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制，不再赘述。尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。同样，这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，

31、还可在矢量控制策略下实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用， 同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本， 又提高了系统运行的可靠性。 该种变速恒频风电系统现在已被工业界普遍采用。(5)爪极式发电机系统无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般同步发电机相比， 励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。 对于一台8极电机，在每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不

32、到一般同步电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构， 基本上不需要维护。 与永磁发电机相 比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳11 / 29 叶尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于千瓦级的风力发电装置中。但该项技术的最大功率跟踪(MPPT)尚处在研究阶段。(6)开关磁阻发电机系统开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心。开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无

33、绕组也无永磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。风力机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上， 开关磁阻发电机本身也具有可控参数多、 非线性、缺少 明确的数学模型的特点。 与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温(250。C)和高速(30000r/min )环境运行以及大容量、高效率、高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是

34、一个动态三维磁空间。 开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组间无电耦合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。总之，通过以上的对比分析，可知：如果将风力机和发电机直接耦合，省去变速箱，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免齿轮箱漏油的问题。风力发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件较差，而电机大多是密闭结构，靠外壳故热，因此要求发电机耐高温性能好， 开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势。交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电

35、机系统的变频器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案适用于小容量的风力发电 系统。12 / 29交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统可在亚同步和超同步状态下运行，因而具有更宽的风速运行范围。 无刷双馈电机省去了滑环和电刷，结构简单，坚固可靠。在转子转速变化的条件下，通过控制励磁绕组的励磁电流频率来确保发电机输出电流的频率保持在50Hz不变，非常适用于风力发电系统，是当今世界风力发电的发展趋势。这几种变速恒频系统的性能对比分析见表4所示。表4几种变速恒频方案的对比分析Tab.4 Several scheme of variable-speed c

36、onstant frequency系统方案蔓频器能 量流醴方 向变频器容 策触朝 范围特点交一直一交系统Ml nJ钙$较宽并屈无电流冲击，发电机工作 频率独立磁场调制废电机系统单1时辐锂较窄系辍率较局，谐波成份少新励碳胴黑电机系统眼揩宽有功，无功功率可灵活控制无刷双微发电机系统双向贡无滑环和电刷.既降低了成本，又提昂JRI靠性爪极式发电机系统单N辐揩窄起动阻力矩、h无秘护，调 节惭3好开关诙阳发电机系统单H例锦宽结构葡单,电流检迎环节少， 主功率器件少，成本f氐三、电力电子变流器系统由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的6种风力发电系统结构如图 5所示。下面对图5中的风力发电系统结构加以简单说

37、明。图a是二十世纪八十年代到九十年代被很多风机制造商应用的比较传统的结构，如使用鼠笼型转子的异步发电机的上风式、失速调节、三桨叶风力机就是这种结构。在八十年代这种结构被扩展，为补偿无功功率使用了电容器组，为平滑并网使用了电机软起动器。图b是用全程范围或 低风速区域”大小的变频器代替了图 a中的电容器组和电机软起动器。低风速区域”大小的变频器的功率仅为发电机额定功率的20-30%,而全程范围的变频器功率大约为发电机额定功率的120%，但它能使风力发电机在所有风速下变速运行。13 / 29图c这种结构是二十世纪九十年代中期，Vestas风力机厂生产的名为“Optislip风力机所采用的结构。这种结

38、构的基本思想是利用电力电子变换器改变外部的转子电阻，来改变总的转子电阻，从而使转差率有 10%的变化范围。控制了转差率也就控制了系统的输出功率。图d这种结构使用双馈异步发电机，用变频器直接控制转子绕组里的电流。用功率为发电机额定功率的20-30%电力电子变换器，即可控制整个的发电机输出功率。有两个原因促使这种结构得到广泛应用：1）较图c的结构有更宽的调速范围；2）较全功率变换器更经济。图e这种个功率控制结构的典型应用是在航海船只上作为电源。无齿轮箱，通过两个或三个叶片的上风式风力机与永磁发电机相连， 发出的电能经整流器给蓄电池充电。 这种结构的风 力机也可以应用于家庭风电系统或混合风电系统，这

39、时风力机一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用这种结构提出一个新的设想：用多极3. 5MW永磁发电机发出电能后经二极管整流器产生 21kV直流电，然后经高压直流输电并入电网。因此可以这种结构将 是世界风力发电的发展的另一个趋势。图f这种结构使用多极的绕线式同步发电机。由于它使用的是多极发电机，所以它不需要齿轮箱。它是通过整流器从电机外部来励磁的。与前几种结构相比。 这种结构吸引力不大是由于三种原因：1）需要励磁电路；2）需要滑环；3）风力机更加复杂的保护策略。目前，电力电子变流装置很多，表 5列出应用于风力发电的六种典型电气拓扑的发展现状。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为

40、电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电 能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。目前国 内对风力发电技术研究较深入的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、 中国科学院电工研究所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等。怎样利用风力来发电呢？14 / 29我们把风的动能转变成机械能， 再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要 的装置，称作风力发电机组。这种风力发电

41、机组，大体上可分风轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只（或更多只）螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料（如碳纤维）来制造。由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定； 所以，在带动发电机之前， 还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高

42、，为的是获得较大的和较均匀 的风力，又要有足够的强度。 铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。发电机的作用， 是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。多大的风力才可以发电呢 ？一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台 55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为 55千瓦；当风速每秒 8米时，功率为38千瓦；风速每秒为 6米时，只有16千瓦；而风速为每秒 5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。基本原理和部件组成如

43、下：大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为 零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为 16米/秒。图中的黄色带子比红色带子， 被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风 电机前部的风速的八倍。15 / 29为什么转子叶片呈螺旋状？大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动， 直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多） 。如果叶片从特别陡的角度受到撞击， 转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要 被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。风电机结构机舱：机舱包容着风电机

44、的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过 风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代 600千瓦风电机上，每个 转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代 600千瓦风 电机上，转子转速相当慢，大约为 19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的 导管，来激发空气动力闸的运行。齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧

45、急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。 在现代风电机上，最大电力输出通 常为500至1500千瓦。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操 作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在 风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机， 并控制偏航装置。为防止 任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动， 并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此

46、外，它包含一个油冷却元件，用 于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越16 / 29大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以 是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子 到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。风速计及风向标：用于测量风速及风向。风电机发电机风电机发电机将机械能转化为电能。 风电机上的发电机与你通常看到的， 电网上 的发电设备相比，有点不同。原因是，发电机需要在波动的机械能条件下运转。输出电压大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的

47、三相交流电。然后电流通过风 电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至一万至三万伏，这取决于当地电网 的标准。大型制造商可以提供50赫兹风电机类型（用于世界大部分的电网），或60赫兹 类型（用于美国电网）。冷却系统发电机在运转时需要冷却。在大部分风电机上，发电机被放置在管内，并使用大 型风扇来空冷；一部分制造商采用水冷。水冷发电机更加小巧，而且电效高，但 这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。启动及停止发电机如果你通过弹开一个普通开关，将大型风电机发电机与电网连接或解开， 你很可 能会损毁发电机、齿轮箱及邻近电网。发电机电网的设计风电机可以使用同步或异步发电机，并直接或非

48、直接地将发电机连接在电网上。 直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。非直接电网连接指的是， 风电机的电流通过一系列电力设备， 经调节与电网匹配。采用异步发电机，这个 调节过程自动完成。转子叶片转子叶片轮廓（横切面）风电机转子叶片看起来像航行器的机翼。 实际上，转子叶片设计师通常将叶片最 远端的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼。但是叶片内端的厚轮廓，通常是专门为风电机设计的。为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面，诸如可靠 的运转与延时特性。叶片的轮廓设计，即使在表面有污垢时，叶片也可以运转良 好。转子叶片的材质大型风电机上的大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（ GRP）制造。采用碳

49、纤 维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择， 但这种叶片对大型风电机是不经 济的。木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现，17 / 29尽管目前在这一领域已经有了发展。钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳等问 题，他们目前只用在小型风电机上。风电机齿轮箱 为什么要使用齿轮箱？风电机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。 为什么要使用齿轮箱？为什么我们不能通过主轴直接驱动发电机？如果我们使用普通发电机，并使用两个、四个或六个电极直接连接在50赫兹交流三相电网上，我们将不得不使用转速为 1000至3000转每分钟的风电机。对 于43米转子直径的风电机，这意

50、味着转子末端的速度比声速的两倍还要高。另 外一种可能性是建造一个带许多电极的交流发电机。但如果你要将发电机直接连在电网上，你需要使用200个电极的发电机，来获得30转每分钟的转速。另外 一个问题是，发电机转子的质量需要与转矩大小成比例。 因此直接驱动的发电机 会非常重。更低的转矩，更高的速度使用齿轮箱，你可以将风电机转子上的较低转速、 较高转矩，转换为用于发电机 上的较高转速、较低转矩。风电机上的齿轮箱，通常在转子及发电机转速之间具 有单一的齿轮比。对于600千瓦或750千瓦机器，齿轮比大约为1比50。下图显示了用于风电机的1.5兆瓦的齿轮箱。这个齿轮箱有些不同寻常，因为在 高速点的两个发电机

51、上安装有法兰。 右侧安装在发电机下的橙黄色配件， 是液压 驱动的紧急盘状刹车。在背景处你可以看到用于 1.5MW风电机的机舱的下半部 分风电机偏航装置风电机偏航装置用于将风电机转子转动到迎风的方向。偏航误差当转子不垂直于风向时，风电机存在偏航误差。偏航误差意味着，风中的能量只 有很少一部分可以在转子区域流动。 如果只发生这种情况，偏航控制将是控制向 风电机转子电力输入的极佳方式。 但是，转子靠近风源的部分受到的力比其它部 分要大。一方面，这意味着转子倾向于自动对着风偏转， 逆风或顺风的汽轮机都 存在这种情况。另一方面，这意味着叶片在转子每一次转动时，都会沿着受力方 向前后弯曲。存在偏航误差的风

52、电机，与沿垂直于风向偏航的风电机相比， 将承 受更大的疲劳负载。18 / 29偏航机构几乎所有水平轴的风电机都会强迫偏航。即，使用一个带有电动机及齿轮箱的机构来保持风电机对着风偏转。本图显示的是 750千瓦风电机上的偏航机构。我 们可以看到环绕外沿的偏航轴承，及内部偏航马达及偏航闸的轮子。几乎所有逆 风设备的制造商都喜欢在不需要的情况下， 停止偏航机构。偏航机构由电子控制 器来激发。电缆扭曲计数器电缆用来将电流从风电机运载到塔下。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时 问时，电缆将越来越扭曲。因此风电机配备有电缆扭曲计数器， 用于提醒操作员 应该将电缆解开了。类似于所有风电机上的安全机构，系统具

53、有冗余。风电机还 会配备有拉动开关，在电缆扭曲太厉害时被激发。风力发电系统结构：叶轮（浆叶、轮毂）：三桨叶，水平轴，上风型，定浆 距失速调节型和变浆距调节两种形式。发电机：采用多极变速恒频双馈发电机，机构如图3所示。制动系统：采用机械、电制动两套制动系统，确保事 故状态系统的安全制动。偏航系统：由在机座上面的两个相互独立的传感器（风速计 和风标）确定风速和风向。当风向变化时，风标登记这个方位，且传递信号到控 制器。控制偏航系统去转动机舱。塔架：采用钢结构锥形筒，表面经喷锌加喷铝涂层防腐处理，内部设有梯子直接登上偏航系统和机舱，内部备有 220V照明和月台。控制系统：是一套基于工业控制计算机和数

54、字信号处理器（DSP）的风力发电机组DCS控制系统。主要任务是将发电机切入和切除电网， 并管理来自不同传感器（风电机组内部传感器，电网电压电流变送器等）的全部 信息。根据采集的数据，计算机程序将自动以最佳和最安全的方式执行所有的控 制操作。计算机实时监控全部阀值参数。运行和安全系统：风速达到 3m/s时机组自启动，加速，到 同步转速时，软切入；超出安全风速时自动停机；风速降到安全启动风速后，能 自动再启动；事故情况下空气断路器和机械制动可同时动作；安全系统是失灵安全型。除了监测控制系统还有利用离心力的冗余安全系统。19 / 29 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨

55、大，全 球的风能约为2.74 X09MW,其中可利用的风能为2X107MW,比地球上可开发 利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用-主要是通过 风车来抽水、 磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。目录风力发电简介怎样利用风力来发电多大的风力才可以发电风力发电的原理风力发电的输出用风力发电机的节约程度双馈型感应发电机 风力发电机的分类展开编辑本段风力发电简介凡是一种潜力很大的 新能源,人们也许还记得，十八世纪初，横扫英法两国 的一次狂风力发电图暴大风，吹毁了四百座风力磨坊、八百座房屋、一百座教堂、四百多条帆船，并 有数千人受到伤害，二十五万株大树连根拔起。仅就拔树一事而论，风

56、1在数秒 钟内就发出了一千万马力（即750万千瓦；一马力等于0.75千瓦）的勃生!有人估20 / 29 计过，地球上可用来发电的风力资源约有 100亿千瓦，几乎是现在全世界 水力发 电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供 能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。利用风力发电的尝试，早在本世纪初就已经开始了。三十年代，丹麦、瑞典、 苏联和美国应用航空工业的旋翼技术,成功地研制了一些小型风力发电 装置。这 种小型风力发电机,广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用， 它所获得的电力成本 比小型内燃机的发电成本低得多。不过，当时的发电量较低，大都在5千

57、瓦以下。目前，据了解，国外已生产出15, 40, 45, 100, 225千瓦的风力发电机了。 1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，具叶 片直径为38米，发电量足够60户居民用电。而1978年初夏，在丹麦日德兰半 囿西海岸投入运行的风力发电装置， 其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所 发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。1979年上半年，美国在 北卡罗来纳州的蓝岭山,又建成了一座世界上最大 的发电用的风车。这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以

58、上时，发电能力也可达2000千瓦。由于这个丘陵地区的平均风力时 速只有29公里，因此风车不能全部运动。据估计，即使全年只有一半时间运转， 它就能够满足北卡罗来纳州七个县 1%到2%的用电需要。编辑本段怎样利用风力来发电我们把风的动能转变成机械能、再把机械能转化为电能，这就是风力发电。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风 轮（包括尾舵）、发电机和铁塔三部分。（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般 只有小型（包括家用型）才会拥有尾舵）风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只 （或更多只）螺旋桨形 的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。

59、桨叶的材料要 求强度高、重量轻，目前多用 玻璃钢或其它复合材料（如碳纤维）来制造。（现在 还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着， 这又使转速不 稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速 的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定， 然后再联接到发电机上。为 保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标 的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得 较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响 的情况，

60、以及风轮的直径大小而定，一般在 6-20米范围内。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀 运转，因而把机械能转变为电能。编辑本段多大的风力才可以发电一般说来，3级风就有利用的价值。但从 经济合理的角度出发、风速大于每 秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5 米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每 秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈 大，经济效益也愈大。在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。21 / 29我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均