风力发电机分析报告

1、风力发电技术概述一、国内外风电发展历史、现状风能是太阳能的一种表现形式。它是由太阳的热辐射引起的空气流动。太阳 把自己能的绝大部分以热的形式给了地球，而到大气求得太阳能约有2%转变为 风。所以，地球上风能资源蕴藏丰富。人类对于风能的开发利用也很早就开始了。对风能的利用首先出现在波斯， 在荷兰和英国的风车磨坊大约从公元七世纪就广泛应用，在中国对风能的利用全 少不晚于13世纪中叶，主要用于磨面和提水灌溉。利用风力发电的设想始于1890 年的丹麦，到1918年，丹麦已拥有120台风力发电机1931年前苏联采用螺旋 桨式的叶片建造了一台大型风力发电机。随后，各国相距建造了一大批大型风力 发电机。但是，

2、近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展， 使风力发电机的发展缓慢下来。20世纪70年代后，由于能源短缺，人类生存环 境的进一步恶化，环境与能源问题成为当今世界面临的两大挑战。因此寻求无污 染、可再生的能源成为科技界的一大目标。风能这一古老而丰富的自然资源，以 其易于获得并转换，且分布广泛无污染又能够不断再生，而被重新认识，开发和 利用。此时的风力发电机设计应用了航空器的成熟理论，使得风力机的效率比老 式的风车提高了几倍乃至十倍。欧美工业发达国家凭借其先进的科技和工业水 平，投入数以亿美元计的研制经费，相继制造了兆瓦级风力发电机，形成了风能 工业，使风力机的概念由单机运行

3、发展到并网运行和建成有相当规模的风车田。 据报道，截止1990年底的报道材料统计，全球风力发电设备总装机容量已经达 到3800MW，其中美国约200MW，而且各国正在不断加大对风能开发的投入。 面对新世纪的来临，美国、丹麦、荷兰、德国、日本和英国等国家纷纷制定出能 源规划的长远目标。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持， 因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、 安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工 作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重 等现象，另外由于科技意识日渐深入

4、人心，可再生无污染的风能利用受到了足够 的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研 制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、 蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应 的发展。目前微型（1KW）、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟，已 经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 3可）也研制成功，并已投入 了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了 20余个风电场。总装机 容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有 了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然

5、存在差距，尤其是在大型风力发电机 组的开发与研制方面。二、风力发电的技术及构成1、风力发电机组的构成及分类1.1构成风力发电机组由风轮、机舱、塔架和基础构成。风轮是风力机的核心部件。 机舱由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装机组发电系统、变桨距系统及偏 航系统等主要部件。机舱罩后上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音及通 风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需高度，其上布置发电机和主 控制器之间的动力电缆、控制电缆及通信电缆，塔架上还装有供操作人员上下机舱的扶梯或电梯。基础采用钢筋混凝土结构，其 中心预置与塔架连接的基础部件，基础周围还设置了防雷击的接地装置。水平轴 风力发电机组机舱

6、构成示意图见图1。图1变桨距王动偏航风力发电机组机舱构成1.2分类风力发电机组类型主要按容量和结构即（机型）划分。（1）按容量分容量在0.11kW为小型机组,1100kW为中型机组,1001000kW为大型机 组，大于10000kW为特大型机组。（2）按风轮轴方向分水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。风轮在塔架前面迎风的称为上风向 风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。上风向风力机需利用调向装置来 保持风轮迎风。垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需 对风。垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个 主要类别。（3）按功率调节方式分定桨距机

7、组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节 完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角， 使翼型升力发生变化从而调节输出功率。主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使 叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。（4）按传动形式分高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增 速来满足发电机转速的要求。齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见 的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。中传动比齿轮箱（“半直驱

8、”）型机组：采用一级行星齿轮副，其增速比约 为高传动比齿轮副的1/10，因而减少了多极同步风力发电机的极数和体积。（5）按转速变化分定速机组：转速恒定不变，不随风速变化。多态定速机组：包含两台不同转速和容量的发电机，可根据风速的变化， 选投其中一台运行。变速机组：发电机转速随风速变化。2、风力机的气动特性及结构2.1气动特性风轮叶片是风力机最重要的部件之一，其平面和剖面几何形状与风力机空 气动力特性密切相关。风轮叶片在空气动力作用下主要产生两种力：升力推动风 力机旋转进行有效工作，阻力形成对风轮叶片的正面压力。风力机将风能转换为机械能的效率用风能利用系数Cp表示，Cp是叶尖速 比人 和桨距角乃

9、（或攻角。）的函数。叶尖速比人 是叶片的叶尖圆周速 度与风速之比，桨距角0是叶片剖面的翼弦线与风轮旋转面间的夹角，而攻 角a是叶片剖面的翼弦线与合成气流方向间的夹角。Cp与人 的典型关系如图2所示。可以看出，风能利用系数Cp只有在 叶尖速比为人m时最大。因此，在一定的风速下调节风力机转速，使其运行 在最佳叶尖速比人m条件下，即可捕获最大风能。图2 一种典型的Cp与人 的关系曲线Cp与。的典型关系如图3所示。可以看出，随着a由零逐渐增大到 接近a cr，Cp由某一数值开始逐渐增大，基本呈线性变化。当a =a cr时， Cp达到最大值Cpmax；当a a cr时，Cp随a的增加而明显下降，这一 现

10、象称为失速。失速发生时，风力机的输出功率显著减小，噪声常常会突然增加， 并引起风力机振动和运行不稳定等。图3 一种典型的Cp与a的关系曲线风力发电机组的风轮并不能提取风的所有功率。根据贝兹（Betz）理论， 风力机能获取的最大功率是风功率的59.3%。2.2结构风力机的核心部件是风轮，风轮由叶片和轮毂组成。2.2.1叶片叶片具有空气动力形状，能接受风能，使风轮绕轴转动。叶片呈螺旋桨状， 其上不同截面的桨距角随其所处半径的增大而逐渐减小。叶片可用玻璃纤维增强材料（GFRP）、碳纤维增强材料（CFRP）、木材、钢、 铝等制造。目前，国际上多采用复合材料制作叶片，并以玻璃纤维或碳纤维为 增强材料、树

11、脂为基体，其优点是比重较小、强度较高、易成型、耐腐蚀、少维 护、易修补。CFRP强度高、重量轻，但价格昂贵，只在长度40 m以上的叶 片使用。木材在大型风电机组中主要作叶片内的夹心部件。钢材主要用于叶片 内部结构的连接件。风轮叶片主要以梁、壳结构为主。目前，水平轴风力机叶片一般为2片或3片。两叶片风轮的制造成本较低， 但叶片几何形状及风轮旋转速度相同时，两叶片风轮对应最大风能利用系 数的转速比较高、由脉动载荷引起的风轮轴向力变化也较大。三叶片风轮由于 外形整体对称，旋转速度较低、噪声相对较小，更易于为大众接受，故目前三 叶片风轮居多。2.2.2轮毂轮毂用于将叶片固定到转轴上，并将风轮的力和力矩

12、传递到主传动机构， 同时控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）。轮毂有固定式和铰链式两种。固定式轮毂为铸造或焊接结构件，铸造采用铸钢或球墨铸铁材料。目前， 三叶片风轮普遍采用这种刚性轮毂。铰链式轮毂常用于单叶片和两叶片风轮，又分为叶片之间相对固定和各叶 片自由两种类型。前者两叶片之间固定连接，轴向相对位置不变；后者每个叶 片互不依赖，在外力作用下，叶片可单独作调整运动。铰链式轮毂具有活动部件，相对于固定式轮毂来说，制造成本高、可靠性 较低、维护费用高，但其所承受的力和力矩较小。3、典型风力发电机的结构特点3.1异步风力发电机一般采用笼型异步发电机，其定子由铁芯和定子绕组构成，转子为笼型结 构，转子

13、铁芯由硅钢片叠成。其转子无需外加励磁，没有集电环和电刷，结构 简单、运行可靠、价格便宜且并网容易。由于是定速恒频机组，转速基本不变， 风力发电机组运行在最佳Cp下的概率较小，因而其发电能力比后述的两种机 型低。该类型机组运行时，从电力系统吸收无功功率，为满足电网对风电场功 率因数的要求，多在机端并联补偿电容器。由于风速随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能常运行在额定风速 下，为充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步 发电机。其极对数可改变，运行方式有高转速大容量和低转速小容量两种。3.2双馈异步风力发电机双馈异步风力发电机也称作变速恒频发电系统（如图4），其风力机可

14、变速 运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风力机的风能利用系数Cp得 到优化，获得高的利用率，并实现发电机较平滑的电功率输出。图4双馈异步发电机变速恒频风力发电系统原理图双馈异步发电机的定子结构与异步风力发电机相同，但转子中带有集电环和 电刷，转子侧可加入交流励磁，既能输入电能也可输出电能。其定子绕组直接接 入电网，转子绕组由一个频率、相位、幅值可调的AC-AC或AC-DC-AC变流 器提供低频励磁电源，实现恒频输出。其风力发电系统工作原理见图4。当 转子绕组通过低频励磁电流时，转子中形成一个低频旋转磁场，该磁场的旋转速 度n2与转子的机械转速n1叠加等于定子的同步转速ne，即n1 n2

15、 =ne， 在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速n1 随之变化，在n1变化的同时，相应改变转子励磁电流的频率和旋转磁场的速 度n2,以补偿转子机械转速n1的变化，从而达到变速恒频发电的目的。双馈 异步发电机通过控制励磁电流的幅值和相位，实现发电机有功和无功功率的独立 调节，无需附加无功补偿设备。由于变流器供给的转差功率容量一般不超过发电 机额定功率的30%，使变流器的成本及控制难度大大降低，故此类风力发电机 适合用于大型变速恒频风电系统。3.3直驱式交流永磁同步发电机交流永磁同步发电机的定子结构与一般同步发电机相同，转子采用永磁结 构，无励磁绕组及滑环碳刷。发电

16、机轴直接连到风力机轴上，转子的转速随风速 变化。由于发电机为直接驱动结构，省去了齿轮箱，系统运行噪声低、可靠性 高。直接耦合的永磁发电机转速很低，发电机极数多、体积大、制造成本高。为 克服这一弊端而开发的半直驱型机组，采用一级行星齿轮增速器集成多极中速 发电机，风轮与发电机单元直接相连，其增速比约为高传动比齿轮副的1/10， 发电机极数较直驱型发电机少许多，体积也大幅缩小，重量明显减轻。交流永磁同步发电机运行时，全部功率经AC-DC-AC变换，故与双馈异步 发电机相比，其变流器容量要大得多。但全容量的变流器更容易维持低电压运 行，满足电网对风电并网日益严格的要求。在大功率变流装置技术和高性能永

17、磁 材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用永磁同步发电机。三、国内风力发电市场面临的困难我国国内风力发电市场发展潜力巨大，但是由于国内风力发电机组制造企 业制造能力不足，无法满足国内需求，导致进口量激增。风电是一个复杂的 系统工程，在测量、发电、并网、电控、服务等方面需要有成熟的技术支持， 风力发电机组设备看起来很简单，实际技术很复杂，主要难度是机组在野外应 可靠运行20年以上，需要经受住各种极端恶劣天气和非常复杂的风力交变载 荷，没有实践经验的积累是很难想象的。国际上和国内很多大的公司和研究院 所都涉足过风电机组开发，但是失败的例子也很多，都是对风电技术的困难估 计不足。而目前

18、我国的企业还未掌握大容量风电机组的全部核心技术，这也是 制约国内风电发展的瓶颈之一。目前，我国风力发电机组制造业无论在技术还 是在产品质量上同国外制造厂相比都存在较大差距。对于世界上主流的MW级 风电机组仍然处于试用和推广阶段，大型风力发电机组市场多为西班牙、丹麦、 德国等风力发电设备生产大国的企业所垄断。根据中国国际招标网数据显示， 从2003年以来所有的风电项目国际招标项目中，西班牙戈美沙风能公司和丹麦 维斯塔斯公司垄断了近80%的市场份额，而我国企业的中标比率仅有13%左右。 技术上的差距不仅使我们失去了大量的订单，也抬高了我国风电项目的运作成 本。风电机组进口设备的售价要比国内设备高出

19、30%，而设备成本占到了发电 成本的80%，由于设备过于依赖进口，直接导致我国风电成本上升，相比于火 电、水电等传统电力能源，其成本缺乏竞争力。根据测算，在现有条件下， 国内风力发电的平均成本最少要在0.50 元/kWh，如果采用进口设备，则需要更 高的电价，风电的竞争劣势显而易见。大力发展风力发电是解决我国能源和环保问题的一项重要战略，而设备成 本过高则是这一战略实施当中的一个瓶颈。在这种情况下，提高自主研发能力， 尽快实现风电设备的国产化，降低发电成本才是解决问题的最根本途径。目前国内风电场造价成本约为80009000 元/kW，机组(设备)占75% 左右，基础设施占20%，其它占5%。风

20、能利用小时数在27003200h，其风 电成本约0.450.6元/kW (一般风电场机组寿命按25年核算)。四、风力发电技术发展动向单机容量增大。目前世界上最大风电机组的单机容量达到了 6 MW，叶 轮直径127 m，810 MW的风电机组也已在设计开发中。由于风电机组设备 的大型化尚未出现技术限制，其单机容量将继续增大。传动系统设计不断创新。从中长期看，直驱式和半直驱式传动系统在特 大型风力机中所占比例将日趋提高。传动系统采用集成化设计和紧凑型结构是 未来特大型风力机的发展趋势。叶片技术不断改进。对于2 MW以下风力机，通常采用增加塔筒高度 和叶片长度来提高发电量，但对于更大容量的风电机组，这两项措施可能会大幅 增加运输和吊装的难度及成本。为此，开发高效叶片越来越受到重视。另外， 特大型风力机叶片长，运输困难，分段式叶片是个很好的解决方案，而解决两段 叶片接合处