1风电机组设计及并网技术解析

风力发电与并网技术世界：风力发电是在大量利用风力提水的根底上进展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。我国：短短十几年的进展，我国成为风电大国涌现出金风、运达、华创、等优秀企业。我校：沈阳工业大学从事风力发电技术争论已有25年，先后开发出0.3~20kW离网型风力发电机、30~1500kW并网型风力发电机组及风力机测试设备等系列产品三大类16个品种，4项成果纳入联合国亚太区域新能源合作工程，实施技术转让8项，有5种产品出口日本、蒙古、朝鲜、缅甸等国家。〔一〕风电机组构造〔二〕风力机的工作原理〔三〕风力机的主要类型〔四〕风力机的把握技术概述风电机组设计〔一〕风力发电机组构造从外部看，整个风力发电机组看上去只有三个主要局部：风轮、机舱和塔架。发电机、传动系统、把握系统等都集成在机舱内。机舱除了担当容纳全部机械部件的功能，还起到承受全部外力〔包括静负载及动负载〕的作用。机舱底盘和塔架之间有回转体，使机舱可水平转动。风力发电机主要组成局部介绍

1、风轮风力机区分于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮一般由2～3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。由于风力发电机的理论根底也是空气动力学，故其叶片外形与机翼很相像。风经过水平轴风力发电机的叶片时由于叶片与风有一个夹角，风在叶片上形成升力，风力发电机就是依靠叶片上的升力把风能转换为旋转的机械能，从而带动发电机进展发电的。2、塔架1风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有亲切关系。水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类。2一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特殊是对于下风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造价不高，运输也便利。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。塔架：

3、机舱实体构造图机组的总体简化构造机组的总体构造图：控制系统风轮增速器发电机主继电器主开关熔断器变压器晶闸管电网风变桨风速转速并网功率无功补偿风机舱内部构造〔二〕风电机组的工作原理风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。简洁的说风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为电能的过程。现代风力发电机承受空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。风力机的气动原理

风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，缘由是由于风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。图3-11风力机的叶片翼型及受力现分析风轮不动时受到风吹的状况：当风以速度矢量ν吹向叶片时，在翼型的上外表，风速减小，形成低压区，翼型的下外表，风速增大，形成高压区，上下外表间形成压差，产生垂直于翼弦的力F，力F可以分解为与相对风速方向平行的阻力FD和垂直于风向的升力FL，升力使风力机旋转，实现能量的转换。风力机的输出功率：风轮机的输出功率A：风轮扫掠面积：风能利用系数

：风速〔通常被称为贝茨极限〕：叶尖速比：桨距角3、叶尖速比的影响风能利用系数Cp与风力机叶尖速比λ的对应关系：按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率

按运行方式

水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组

微型〔额定功率50～1000W〕、小型〔额定功率1.0～10kW〕、中型〔额定功率10～100kW〕和大型〔额定功率大于100kW〕独立运行和并网运行

按承受发电机类型永磁同步风电机组双馈异步风电机组等〔三〕风电机组分类水平轴垂直轴风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备技术缘由应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的构造〔1〕独立运行的风力发电机组水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电把握器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要构造见右图。图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要构造并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、把握系统、塔架等部件组成，其构造如右图所示〔2〕并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图并网运行的大型风力发电机组的根本构造，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、把握系统及附属部件〔机舱、机座、回转体、制动器〕等组成，构造如右图。〔3〕大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的根本构造1、一般异步风力发电机组技术特点：1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮箱增速，转子绕组短路，构造一般为鼠笼构造；2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱传动比和发电机极对数预备；3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行；4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启动电流，其配置启动装置。5、从系统吸取大量无功，需配置无功补偿装置。构造简洁，把握便利。2、双馈式异步风力发电机组技术特点1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转需要齿轮箱增速；2、转子绕组通过电滑环或承受绕线构造与电力电子换流装置连接；3、通过电力电子换流装置的把握作用，可以调整把握发电机转子电流和电磁转矩，从而使转子转速可随风速的变化而转变，使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4、在低风速时，发电机转子低于同步速运行，发电机转子绕组通过换流器向发电机馈入励磁功率；在高风速时，发电机转子高于同步速运行，发电机转子绕组向换流器输出励磁功率；5、直接与电网连接，由于转子电流可控，因此可以实现风力发电机平滑并网。3、直驱式同步风力发电机组

技术特点1〕叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，转子绕组通过增加极对数来降低同步转速，从而避开了齿轮箱损耗；2〕同步电机励磁系统可承受直流电励磁或永磁体励磁方式，由于转子极对数较多，电机外尺寸较大且较重，不便利运输和吊装。3〕对于直流电励磁方式的同步电机，转子转速的调整可以通过把握励磁电流的大小来把握电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率；对于永磁同步电机，可以通过调整直流电压的方式来把握电磁转矩，从而使风力发电系统获得最大风能捕获效率，风能利用率高；4〕对于直流励磁方式的同步电机，励磁损耗较小；对于永磁同步电机，则存在永磁材料的消磁现象。以上风电机组优缺点比较表风电机组类型优点缺点普通异步风力发电机组结构简单，控制方便1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、风能利用率低；3、启动电流大，需配置启动装置；4、消耗大量无功，需要从电网输入无功；双馈异步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；1、采用齿轮箱，故障率高，维护困难；2、有励磁功率损耗；3、结构复杂，控制系统复杂；永磁同步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功；4、无励磁功率损耗；1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、结构复杂，控制系统复杂；4、永磁体有消磁现象直流励磁同步风力发电机组1、可以实现变速运行，获得最大风能利用率；2、输出电流可控，无需启动装置；3、可以吸收或发出无功1、电机体积大、重量大2、采用全功率电力电子设备，价格稍贵；3、有励磁功率损耗；4、结构复杂，控制系统复杂；

双馈、永磁和直流励磁

风力发电机外观图双馈风力发电机外观特点：机舱瘦长直驱永磁风力发电机外观特点：机舱短粗直流励磁风力发电机外观特点：机舱臃肿〔四〕把握系统主要功能1〕按预先设定的风速值(一般为3—4m／s)自动启动风力发电机组，并通过软启动装置将异步发电机并人电网。2〕借助各种传感器自动检测风力发电机组的运行参数及状态，包括风速、风向、风力机风轮转速、发电机转速、发电机温升、发电机输出功率、功率因数、电压、电流等以从齿轮箱轴承的油温、液压系统的油压等。3〕当风速大干最大运行速度(一般设定为25m／s)时实现自动停机。4〕故障疼惜。5〕通过光缆或线相互连接。风机把握方式及内容一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮箱、风力发电机、机座、塔架、调速器、调向器、停车制动器、把握系统等构成，为使风力机组能够稳定运行，必需对其进展有效的把握。考虑到风力发电机组的特殊性，按重要性的挨次，把握器应依次满足以下要求：1〕风能转换系统是稳定的；2〕运行过程中，在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性；3〕把握代价小，即对不同输入信号的幅值有确定限制，如调向的时间等；4〕最大限度地将风能转换为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速时，输出的电功率到达最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量；

5〕风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量。风力发电机组把握目标有很多项，把握方法多种多样，按能质量问题。由风力机最大风能捕获的运行原理可知，假设风速越高，则与之相对应的风力机转速越高。但受风电机组转速极限、功率极限等限制，风力机转速不行能太高。因此，为实现最大风能捕获，风力机有三种典型的运行状态：①低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的风能利用系数Cp值，依据风速变化把握风力机转速，使叶尖速比λ不变，直到转速到达极限；②转速到达极限后，风速进一步加大时，按恒定转速把握风力机运行，直到输出最大功率，此时的风能Cp不愿定是最大值；③超过额定风速时，输出功率到达极限，按恒功率输出调整风力机。〔五〕风的能量与测量产生能量的根本要素：风具有确定的质量和速度。风能的一些主要特性参数：如风能、风能密度、风速与风级、风向与风频以及风的测量等