精简小型风力发电系统

小型风力发电系统中国可再生能源学会风能资深委员

赵福盛AH2kW风力发电机在英国戴卫农场并网发电

小型风力发电系统本文讲述风轮扫掠面积小于200㎡，产生的电压低于1000V交流或1500V直流的将风能转换为电能的系统（包括离网和联网两种运行方式）1、小型风力发电系统概述小型风力发电系统的原理是利用风力驱动风力机风轮转动，并将转矩传递到发电机，带动发电机发出电能。与此同时，借助风力机的调向、调速机构、电气控制及变流装置，将瞬息变化的风能转换为稳定的、可直接应用的电能。在无风、风力发电机组不能运行发电时，为保持系统不间断供电，小型风力发电系统还要配备电能储存装置。风力发电机发出的交流电经整流后直接向蓄电池组充电及直流负载供电，经变流器（单相或三相）还可向交流负载供电。在小型风力发电系统运行中有两条主线，一是功率能量转换，另一是过程控制及安全防护。两者协调作用，使系统完成发电、供电功能。2kW在美国山村并网供电1、小型风力发电系统概述小型风力发电系统属于独立的发电供电系统，可以离网或者联网运行供电。在电力网络不能覆盖的区域，利用当地的风能资源采用离网运行供电的方式解决电力需求，是非常适用的新能源设备。在规模较大的风电场，可以作为大型并网发电系统的补充，充分利用风电场在高度和地面的空间，安装小型风力发电系统以增大风电场的装机容量。AH-5kW丹麦风电场运行供电

青岛金海湾别墅供电

海上采油平台供电（DC120V/AC240V）海岛哨所供电（DC24/AC240V）

1、小型风力发电系统概述在有些地区，受风能资源、地理环境、交通和运输安装等条件制约，不便于安装大型风力发电机，却更适合安装使用小型风力发电机。青岛太平山微波站供电（1.5KW/DC48V）

威海海上养殖户供电（DC24V/AC240V）

小管岛渔村渔民提供生活用电（DC24V～48V/AC240V）风光互补为差转台提供电源1、小型风力发电系统概述在很多风能、太阳能资源较丰富的地区，还可以小型风力发电系统为主体，采用风、光、柴油发电机组、蓄电池组和双向逆变器等多能互补的方式，组成微电网或分布式发电供电站。北龙岛风柴互补供电1、小型风力发电系统概述大管岛风光互补供电1、小型风力发电系统概述蒙古国风光互补供电1、小型风力发电系统概述风网互补为油田输油机供电2、小型风力发电系统的构成小型风力发电系统是由风轮、发电机、传动、迎风回转机构、调（限）速机构、控制系统、包含变流器（含逆变和低压并网装置）在内的电气系统、制动系统、蓄能装置、由塔架和基础组成的支撑结构、以及电气负荷等构成。附图AHBJ-7.6/10kW变桨距风力发电组结构及外形是一种比较典型的小型风力发电系统。2、小型风力发电系统的构成2.1、风轮风轮是风力发电机的动力部件，它将风能转换为机械能，以旋转的方式通过风轮轴将转矩传递（直接驱动或经过齿轮箱）给发电机。风轮由叶片和轮毂组成，叶片设计成具有高转换效率的空气动力外形。风力机按风轮轴的布置分为水平轴和立轴两类；水平轴风力机按风轮所在位置又分为上风向和下风向；按结构分为定桨距和变桨距。2.2、发电机发电机将机械能转换为电能。发电机按类型分为同步和异步；励磁和永磁；直流和交流；内转子和外转子。2.3、传动及增速齿轮箱小型风力发电机组有的采用增速齿轮箱把风轮的转速提升，增速到每分钟千转以上，再带动发电机发电。有的省略了增速齿轮箱而由风轮直接驱动低转速永磁发电机发电。WESAHBJ5.5EnduranceWindPowerGaia-Wind2.4、迎风回转机构风向在不断的变化，为了更多的获取风能，风力机必须在风向变动±15º范围内响应跟踪风向变化，使风轮迎风。迎风机构常见的有：尾舵、舵轮、风轮下风向布置和电力驱动等。2.5、调（限）速机构在不设控制的情况下，风轮转速将随风速增大而同比增高，风力机功率将随风速增大呈3次方的倍率增大。调（限）速机构的功能是通过减小风轮受风面积或调节风能利用系数的大小，改变风力机获取风能量的多少来控制风力机的转速和功率。2.6、控制系统电气控制系统的作用是接收风力机状态及其外部环境信息，并调节风力机使其维持在被允许的运行限度之内，确保风力机运行过程的安全性和可靠性，提高机组的运行效率和发电供电质量。2.7、电气系统小型风力发电系统属于独立运行供电的电源设备，所述电气系统通常指电能的输送、变换和配电线路，以及为使线路正常运行而设置的保护器件，组成线路的电力电子元器件包括变压器、变流器、低压开关电气（如熔断器、断路器、交流接触器、继电器等）。在变换和控制线路中，常采用的基础器件有电力二极管、可控硅整流器、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）。2.7、电气系统2.7、电气系统要求电气系统的每个部件都应能经受住所有的设计环境条件，也应能承受在运行期间可能受其影响的机械的、化学的和热应力条件。考虑到包含故障情况的设计载荷情况，以功率特性为基础选择的每个电气部件都应具备设备功能负荷要求的条件。所有可能受雷电和其它瞬时过电压条件影响的保护系统电路应依照IEC61643-1进行保护。2.8、制动系统制动系统是风力机至关重要的安全保护系统。在使用中遭遇破坏性大风、机组出现重大故障或必须停机进行维护检修保养时，需要对风力机主轴或传动系统实施制动，达到风力机停止转动的目的。2.9、蓄能装置风能是随机性的能源，且具有间歇性，极不稳定，高峰和低谷落差甚大。采用离网运行供电的方式时为充分地利用高峰风能，在无风风力发电机不能发电时，仍保持系统不间断供电，小型风力发电系统在离网运用时必须配备电能储存装置。2.10、塔架近地面受地形、地物的影响，风速锐减，且常出现紊流。风力机在紊流中运行会产生剧烈振动，严重时会导致机组损坏。为获得较高且稳定的风速，利用塔架将风力机主体支撑到距离地面一定的高度。塔架承受来自风力的水平载荷和风力机重力的垂直载荷,为保障风力机安全稳定运行，暴风吹袭时风力机不会倾倒，塔架要有足够的强度和刚度。3、小型风力发电机设计与制造

3.1、结构型式的选择

总体设计通常要求给出：风轮布置（水平/垂直、上风/下风、锥角、仰角等）、桨距（定/变）、翼型、叶片数、尖速比、风力机特性、传动方式、发电机型式、控制和电气系统运行方式、塔架结构及高度等，需依据这些要求确定风力机的结构和主要技术参数。日本樱关村并网发电

3.1.1、常见结构型式现有小型风力发电机主流产品的风轮多采用水平轴、上风向、定桨距、3叶片结构，也有些机型采用下风向（风轮下风布置）、变桨距的结构型式。3.1.2、风轮布置风轮直径10～20m的机组风轮采用下风向布置，利用风轮本身的对风能力，获得调向功能是一个比较好的选择，但应充分考虑“塔影效应”的影响和采取相应的技术措施使机头的水平回转运动稳定。3.1.3、叶片数目风轮叶片数有2、3、4、5多种，有的为实现低风速发电，风轮外缘设计了扩散轮圈，叶片数多达5～8片。3.1.3、叶片数目叶片少（实度低），在一个很宽的尖速比范围内能保持较高的风轮功率系数（Cp值），但最大功率系数（Cpmax值）略低；叶片多（实度高），最大功率系数（Cpmax值）略高，但只能在一个较窄的范围内保持较高的风轮功率系数（Cp值）。随着实度的增加，对应最大功率系数（Cpmax值）的尖速比变小。当实度太高时，最大功率系数（Cpmax值）反而减小。叶片数目多，对应的尖速比低，风轮转矩大，运行时功率输出平稳，但制造成本高；叶片数目少，对应的尖速比高，制造成本低。叶片数目应兼顾技术经济效果，统筹考虑。3.1.3、叶片数目统计数据显示，叶片造价约占机组总成本的20～25%，从降低成本考虑叶片数目不宜过多，由于3叶片的配平、动态特性、运行平稳性明显优于2叶片，近年3叶片风轮已成为风电设备的技术主流。叶片数目选3片的优点是：①数目适中；②风轮容易调整平衡；③叶片的质量对风轮、塔架、轴线形成匀称布局降低动态响应的几率；④可运行在经济合理的尖速比范围，与其配套的直驱发电机尺寸小、重量轻、运行效率高。日本新泻卡达克停车场供电

3.1.4、尖速比（高速性系数）风力机的尖速比可在4、5、6、7、8、9中选取。在额定风速、风轮直径确定之后，尖速比取值便决定了风轮转速。选择较高的尖速比可以提升发电机的额定转速，提高发电机的效率，电机体积和重量能减少，降低发电机的制造成本。然而高尖速比对叶片是十分不利的，当风轮转速高至叶尖线速度达到70m/s左右时，叶片风蚀损害严重。风力机运行现场观察到当叶尖速度超过70m/s时，风力机发出较大噪音，并随转速的再提高噪音急剧增大。因此，风力发电机的尖速比值取6～7比较合适。3.1.5、风力机特性主要包括功率特性、转矩特性和轴向力（推力）特性。一般，风力机特性用风轮功率系数CP、风轮轴向力（推力）系数CT和风轮转矩系数CM给出：式中A——风轮扫掠面积；

R——风轮半径; V——来流风速.3.1.5、风力机特性a、风轮功率系数CP是评估风轮动力性能的重要指标，它直接反映风力机输出功率的大小及变化规律，用风轮功率系数随叶尖速比的变化曲线（CP-λ曲线）表示。如图1为采用FX77/79翼型设计，三叶片，尖速比为7的风轮功率特性的CP-λ曲线。b、风轮轴向力（推力）系数CT是计算风力机塔顶风载荷的重要依据，它反映风力机风载荷的大小及变化规律，用风轮推力系数随叶尖速比的变化曲线CT-λ给出。如图2为FX77/79翼型设计，三叶片，尖速比为7的风轮在桨距角为零的情况下的CT-λ曲线。图1风轮功率系数CP-λ曲线图2风轮推力系数CT-λ曲线3.1.5、风力机特性c、风轮转矩特性系数CM是风力机动力匹配设计的重要参数，它反映风力机输出转矩的大小及变化规律，用风轮转矩系数随叶尖速比的变化曲线（CM-λ曲线）表示。一台性能好的风力机要有较高的风轮功率系数（Cp值），并希望它在一个很宽的尖速比范围内保持较高的风轮功率系数，充分利用风能获得较多的年发电量。而且在使用安全可靠性、减少环境噪声方面都有良好的经济技术效果和社会效益。欲实现这一目标在理论设计计算基础上必须通过风洞试验、车载试验和自然风场检测进一步试验验证及考核。3.1.5、风力机特性北京八达岭风电试验站运行考核

山东巨益新能源风洞

中国空气研究与发展中心和南京航空学院的风洞AH5kW车载试验

3.1.6、传动方式采用增速齿轮箱以高转速（每分钟千转以上）带动发电机发电，发电量大效率高。发出相同功率，转速高的发电机体积小、重量轻、制造成本低。但风力机要求与其配套的增速齿轮箱应体积小、重量轻、效率高、噪音小、密封好、能承受冲击载荷、运行寿命长。增速齿轮箱增大了设备体积，大幅度增加制造成本，还会产生维护、保养和检修的费用。easywind3.1.6、传动方式目前国内生产的功率100kW以下的机型都采用风轮直接驱动低转速永磁发电机的结构。省去齿轮箱的风力机外形紧凑，结构简单，重量轻，效率高，噪音小，运行更可靠，降低了机组的制造成本，节省了维护和检修费用。因此增速齿轮箱的取舍应从系统整体的技术性、经济性综合考虑做出选择。3.1.7、发电机型式当前国内生产制造的100kW以下小型风力发电机组采用的发电机均为同步三相永磁式交流发电机，而且是直接驱动的低转速、内转子运行方式。这种发电机为永磁体转子，无励磁电流损耗，它比同额定转速、同容量电励磁发电机效率高、重量轻、体积小、制造工艺简便、无输电滑环，运转时安全可靠，容易实现免维护运行。它的缺点是电压调节性能差。一种爪极无刷自励磁交流发电机，具备励磁电流自动调节功能，使发电机的电压和电流输出保持平稳。3.1.7、发电机型式3.1.7、发电机型式50kW以下的机组采用直接驱动的永磁发电机是比较适宜的。但是低转速永磁发电机造价偏高，若用于与交流并网运行，配套的电气控制系统较复杂，制造成本高，往往故障率高、可靠性差。因此大功率且用于并网发电的风力发电机组采用增速齿轮箱和双馈异步发电机经济合理。3.1.8、迎风回转机构的选择与设计a、尾舵由尾杆和舵板组成。因其结构简单、制造工艺简便，是小型风力发电机常用的一种迎风回转机构。通过尾杆长度和舵板面积的配置，在风向偏离风轮轴线±15°范围内，尾舵能响应风向变化、使风轮保持迎风状态。适当增加尾杆长度可降低风力机主体的回转角速度，降低陀螺力的影响，减轻风力机调向过程中的振动。3.1.8、迎风回转机构的选择与设计b、舵轮是由气动转矩较大的多叶片风轮组成。舵轮安装在回转体上，其盘面与风轮盘面相垂直，风轮迎风时舵轮侧风；当风轮偏离风向时舵轮迎风，舵轮在风力作用下转动，通过降低转速增加扭矩的传动机构驱动风力机主体回转，使风轮保持迎风状态。与尾舵迎风机构相比，舵轮迎风机构在迎风调节过程中风力机主体的回转角速度低，减轻甚至避免了陀螺力的影响，风力机运行更平稳。它适用于叶片重，风轮直径大转动惯量大的风力机。3.1.8、迎风回转机构的选择与设计c、风轮下风向布置。风轮在风力作用下绕塔架顶端支承转动，稳定在塔架的下风向呈现迎风状态。其特点是省去尾舵、舵轮和构造复杂的电力驱动等迎风机构，风力机组的质量减轻，外观紧凑。风轮下风向布置为避免塔影效应，风轮与塔杆之间要适当加大距离。为避免由陀螺效应引起振动，要在回转机构上设置限制回转角速度的转动阻尼器。3.1.8、迎风回转机构的选择与设计d、电力驱动机构多用于风轮直径较大的风力机。在机舱顶部设置风向标，当风向偏离风轮轴线方向±15°时，风向传感器向处理器发出信号，再由处理器向电驱动机构发出指令，启动回转机构绕塔架转动，使风轮保持迎风状态。hswindviking

3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择转速控制方式主要有风轮偏离风向、变桨距控制、失速控制三种类型。（a）风轮偏离风向偏离风向减小风轮受风面积控制风力机的转速和功率的方式广泛应用于风轮直径小于6m的风力机。常见的有侧翼、风轮偏置、风轮上仰等使风轮偏离风向的方法。这些方式结构简单、机械零件少、加工精度不高、容易制造，通过理论设计和在自然风场中运行调试是能够达到限速的目的。它的缺点是调节粗放、控制精度低、风力机运行中易产生有害振动，风力机往往承受较大的动应力载荷。3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择山东科技大学进行电动转舵偏离风向运行试验3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择（b）变桨距调节叶片处在最佳迎角时风能利用系数大，风轮效率高；偏离最佳迎角时风能利用系数减小，风轮效率则降低。基于这个原理，在额定风速及低于额定风速值时叶片处在最佳迎角，保持较大的风能利用系数，使输出功率达到预期的设计值；当超过额定风速时改变桨距（增大或减小），叶片偏离最佳迎角，减小风能利用系数，降低风轮效率，限制风力机转速和功率，使其不超过设计的额定值。3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择常见的变桨距机构有机械离心飞锤（飞杆）、机械离心螺旋、风压、弹性（柔性）、电（或液力）驱动等。与风轮偏离风向的限速方式相比，其优点在于调控比较精准，调速过程平稳，风力机运行稳定。变桨距调节是将超余的风能排除在能量转换系统之外，改善了风力发电机组的运行条件。问题在于变距机构较复杂，机械零、部件较多，所用材料、加工工艺及制造精度均要求较高，增加了制造成本。尤其是电动或液力变桨距系统还要设置若干传感器、增加电子信息处理、液力传动、伺服执行机构等高价位、精密器件，大幅度提高了设备造价。同时增加了故障源，在运行中还有密封、润滑保养、维护、检修等烦琐操作。3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择在北京八达岭风电试验站柔性变桨距试验3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择从当前国内、外风电设备市场需求趋势预计，变桨距调速的小型风力发电机，会受到越来越多的客户欢迎并认购。可以预期随着风力机控制技术的不断完善和变桨距技术的快速进步，采用变桨距控制风力机转速仍将是今后的技术发展趋势。3.1.9、小型风力机转速的控制与机构的选择（c）失速控制失速控制方法较多的用于并网运行的定桨距大型风力发电机。失速控制的风力机在额定运行状态时，气动设计已将叶片设置在临近失速点。当超过额定风速时叶片表面流动的气体立即呈现分离状态，致使作用于叶片的升力不再增加，风能利用系数下降，风轮转速和功率不再随风速的增大而提高。3.2、主要技术参数的选择

3.2.1、额定风速风力机达到设计功率时，轮毂高度处的最低平均风速。额定风速取值是否合理，判定依据是看它的年发电量是否最高，每度电的成本是否最低。如果额定风速取值偏高，设备按大风载荷设计，造价偏高，使用中机组很少满负荷运行，风频较高的风速不能被充分利用，设备利用率低，年发电量少，导致风力发电经济性差，风电营运成本高；额定风速取值过低，风轮和发电机结构尺寸大，支撑结构耗材多，制造成本高，大量高功率密度风能被调控释放，转速和功率控制系统负担重，风电营运成本也高。以往有很多“微风发电”案例，已证明过分追求低风速发电的经济和技术效果都比较差。3.2.2、风轮直径当风力发电机的额定功率、额定风速确定之后，可以预先设定风轮功率系数、发电机效率、传动系效率，估算风轮直径。式中：D——风轮直径（m）——额定功率（W）

ρ——空气质量密度，跟海拔高度、大气温度和湿度有关，其标准状态ρ

=1.225kg/——额定风速（m/s）

3.2.2、风轮直径——风轮功率系数，估算时可取0.35～0.4——发电机效率（0.7～0.8）

——传动及其他效率（齿轮箱0.85～0.9/直接驱动为1）

然后经过试验、检测、调整确定风轮直径。3.2.3、切入风速风力机开始发电时，轮毂高度处的最低平均风速。为追求微风发电将切入风速降低到不合理的数值，会给风轮、发电机及配套电气系统的设计、制造带来很多技术困难，不仅增加制造成本，由于低风速时风能密度极低，风电机组获取的电能有限，往往会造成得不偿失的结果。低风速风能密度低，比如3m/s风速时，即使运行效率较高的机组转换的电能按每平方米风轮扫及面计算尚不足3W。小型风力发电机切入风速在3m/s～4m/s为宜。3.2.4、切出风速风力机维持额定输出功率，轮毂高度处的最高平均风速。为更多的获取风能，又从安全考虑，确定切出风速取20～25m/s是合理的，若干风能资源统计资料显示即使年均风速较高的地区，超过25m/s风速的吹刮时间是有限的。机组的设计强度要求高、制造成本高。风力机在超过25m/s风速下运行，又处在调控运行状态，风载荷及动态应力水平都很高，风力机容易遭受破坏。3.2.5、机组效率因此孤立的追求单项的风轮效率、传动效率和电机效率高指标是没有实用意义的。风力机从切入风速到额定风速风轮、传动和发电机之间要有转速、功率和转矩的合理匹配。设计目标是把发电机的输入轴功率及转矩随转速的变化曲线，与风轮输出的功率、转矩随转速的变化曲线相拟合，风力发电系统才能在较宽的工作范围保持较高的机组运行效率，获得较多的年发电量、最佳的技术经济效果。日本樱关村并网发电风力发电机的输出功率式中，Cp为风轮功率系数；

η1为发电机效率；

η2为传动及其它电气转换效率3.2.5、机组效率对于小型风力发电机，风轮与发电机的动力负荷匹配是决定机组运行效率的关键技术。风力发电机组要求风轮动力输出特性和发电机负载(发电机输入轴功率）特性相拟合，如不能拟合，其动力——负载不匹配，会导致风轮不能运行在最佳叶尖速比附近，风轮效率低，机组达不到额定输出功率。为便于风轮动力和发电机负载的匹配设计，风轮理论设计完成后须提供如下技术数据和参数：风轮功率系数、推力系数、力矩系数以及风轮转速、风轮轴功率、风轮轴扭矩、风轮推力在额定风速以下及额定风速附近的变化规律，以便于进行发电机的优化设计。3.3、风力机的振动风力机在运行中受空气动力作用将会产生变形和振动，风力机在风剪、塔影、阵风以及叶片离心惯性力、风轮、发电机和回转机构运动惯性力、科氏力（矩）作用下，承受多种交变载荷。这些载荷还会通过相连机体传递到传动系统、支撑结构、尾舵及塔杆形成动态响应，引起很大的动应力，缩短风力机的使用寿命，甚至在发生共振时产生断裂解体破坏。3.3.1、风力机振动的原因分析风力机在运行中常出现机械振动，风轮是主要振动源。在风能转换过程中风的速度和方向瞬息变化，常有剧烈阵风冲击，空气动力不平衡和运动件离心惯性力的不平衡都将造成风轮及风力机的振动。风轮产生的激振力来源于：a、非均匀气流：包括风剪、阵风、湍流、斜流b、风轮侧风旋转c、陀螺效应引起的力及力矩d、叶片制造、风轮装配过程造成的气动力、惯性不平衡。3.3.1、风力机振动的原因分析常见小型风力发电机在运行中出现程度不同的振动，在较大风速（大于12m/s）下剧烈振动，发生叶片飞逸、尾舵断裂脱落的重大事故发生。分析其原因是：a、结构设计不合理，不能有效地实时控制，风轮转速忽高忽低，风力机主体频繁回转振荡，风力机运行极不稳定

；b、叶片对回转中心的水平静力矩、风轮的平衡（质量惯性力以及气动力）未达到规定要求c、风轮、叶片、支撑结构等零、部件未进行固有振动频率的检测，并相应采取避免动态响应和产生共振的技术措施d、风力机安装地点存在严重的湍流。3.3.2、减轻或消除风力机振动的技术措施a、应计算或测定叶片在运行和静止状态下在挥舞，摆动和扭转方向的一阶、二阶固有频率。应避开额定转速以及附近转速的风轮旋转激振频率。叶片在设计制造中可以通过内部结构和质量分布调整它的固有频率，使激振频率与叶片的固有频率相差百分之十；与风轮的固有频率相差百分之二十。在额定转速以及附近转速范围不发生共振，以降低叶片及风轮的动应力，延长其使用寿命。3.3.3、减轻或消除风力机振动的技术措施b、把振动控制在保障风力发电机安全运行的范围。在叶片制造、风轮装配过程严格控制重力和重力矩平衡、惯性力平衡以及气动力平衡、是减小乃至排除振源极为关键的技术措施。c、为避免由陀螺效应引起振动，要在回转机构上设置限制回转角速度的转动阻尼器。小型风力发电机在迎风调控过程中,把回转机构的回转角速度控制在0.2-0.35rad/s。3.3.3、减轻或消除风力机振动的技术措施d、风轮平衡。3.4、小型风力发电机的制造工艺以及质量控制与管理据行业2011年统计资料显示，国内现有参与小型风力发电机整机或配套器件制造和销售的有177家。真正具备技术实力和经济条件，正常有序地进行生产、销售和经营的企业约有30家左右，其中产值过亿元的企业仅有4家。长期以来，产业缺乏有效的产品质量监管机制，行业未实行设备的检测和认证制度。因而在小型风电设备行业内存在产品质量参差不齐，甚至劣质产品以低价推销，严重干扰和抑制了小风电产业的正常发展。一些国内外贸易在成交后不久，因产品性能和质量问题产生摩擦、赔偿，甚至退货的事件时有发生。3.4、小型风力发电机的制造工艺以及质量控制与管理究其原因，除产品的技术设计存在缺陷有待完善之外，在制造工艺编制是否科学合理、制造过程各个环节的材质、工艺处理、加工与装配精度的控制与管理方面，也存在诸多亟需研究探讨和有待改进的问题。质量控制应该贯穿整个风力机与它的所有部件的设计、采购、制造、安装、运行和维护的过程之中，建议质量管理体系遵照ISO9000系列的要求。3.4、小型风力发电机的制造工艺以及质量控制与管理小型风力发电机制造过程中应着重注意：a、大多数小型风力发电机厂家的零部件加工依赖外协厂家完成。由于外协厂家装备条件、技术水平和加工能力参差不齐，所以需要遵照设计要求和有关的技术标准，编制相应的加工工艺、规范工艺流程、制定零部件加工质检验收条件，对入厂的零部件进行严格的检验，重点检验用于制造零部件的材料（规格、化学成分、机械性能等）、零部件加工精度、零部件外观（含防蚀处理）等；b、小型风力发电机制造过程中，厂家要掌控发电机生产的整个过程，发电机装配完成后须由自己完成测试；3.4、小型风力发电机的制造工艺以及质量控制与管理c、叶片的生产需严格按照生产规程和生产工艺要求进行，由自己生产或者委托可信赖的专业生产外协厂家制造，风轮平衡调整工序必须由厂家自己完成；d、零部件及紧固件的防锈蚀处理、润滑及密封状况需认真检查，按相关标准严格进行验收；e、总装厂必须拥有和具备健全的小型风力发电机性能检测设备和试验手段，以利有效的控制风力发电机性能及产品质量；f、建立产品质量追溯流程，以便于产品质量的控制和售后维护。3.4、小型风力发电机的制造工艺以及质量控制与管理使用卷扬机的静力加载试验

使用偏心旋转质量的激振装置试验

使用液压加载器的双轴单点加载的疲劳试验

分配梁加载实例

3.5、电气控制系统

3.5.1电气控制系统基本要求

小型风力发电系统对配套电气控制系统的基本要求如下：a、整流器件的耐电压、耐电流的高限值要有充足的裕度，推荐3倍以上；b、向蓄电池充电的控制系统，以充电电流为主控元素，控制蓄电池的均充、浮充转换，以均充电压、浮充电压、充电时间作为控制条件，按蓄电池的充电、放电技术规范进行充、放电；c、向逆变器供电时应满足逆变器所需直流电压和容量的要求；3.5.1、电气控制系统基本要求d、应配备超额定输出功率容量的分流卸荷器；e、应具备检测风力机转速、输出电压、输出电流、发电机温度、机组振动等状态，超过限定值或允许范围时，控制系统自动实施风力机制动停机；f、应有防直流“+”、“-”极反接、防蓄电池过放电等保护功能；g、具备防触电、避雷等安全保护功能。3.5.2、电气控制系统的构成及功能a、功率容量几千瓦的离网风电系统常配置简易的控制器。它包括三相全桥整流、电压限制、卸载分流电阻箱、对蓄电池充电时的充放保护和容量5kVA以下逆变电源。逆变电源输出的交流电波形分正弦波和方波，感性负载宜采用正弦波形的逆变电源。b、比较完善的电气控制系统：采用了PWM斩波整流，使电气控制系统具备了AC-DC/DC-AC双向变换功能；采用升压型（Boost）可控整流时，能弥补永磁发电机在低转速时电压偏低的缺陷，提升风力发电机低风速时的输出功率同时改善了输出的交流波形，大幅度提高了发电机的运行效率；切入了最大功率跟踪技术（PTTP），充分利用风能提升了风力发电机组的年发电量；具备蓄电池智能充电功能，延长了蓄电池的使用寿命；设置了状态显示和主参数通讯接口，实现了远程监控。功能完善的控制系统能保障风力机技术性能可靠，运行稳定安全。3.5.2、电气控制系统的构成及功能北龙岛逆变控制系统

3.5.2、电气控制系统的构成及功能小型风力发电机系统联网运行时通常采用如图所示的电路。由低转速永磁发电机发出的频率、幅值变化的交流电经过整流之后变为直流电，经Boost电路升压后，再通过三相逆变器变换为与电网（低电压供电网）同频、同相位的三相恒压交流电。这种由不可控整流、Boost升压电路和逆变器组成的变流电气系统控制方式简单，性能可靠，运行稳定，制造成本低，适用于与永磁同步发电机配套应用。3.5.2、电气控制系统的构成及功能AH15kW在青岛四八零八船厂并网（AC400V）发电

3.5.2、电气控制系统的构成及功能

3.5.2.1、变流器变流器的功能是把风力发电机输出的电压和频率总在变化的交流电能通过整流变换成直流电，然后再经过逆变器变换成恒频恒压的交流电馈送到电网或单独向负载供电。 如图示小型风力发电机电气箱控制技术更先进，性能更可靠，转换效率可达97%，适用于小型风力发电机的启动、功率调节和停止。台达

3.5.2、电气控制系统的构成及功能

3.5.2.1、变流器控制箱主要由全功率变流器、模块电源、触摸屏、并网断路器、防雷器、温度、湿度调节单元和防雨箱体等组成。其主要特点在于采用全功率背靠背（可控直流、双PWM）变流器，减小入网谐波，提高发电机效率；最大功率点跟踪控制，提高了风力发电机组的运行效率；有人机对话界面视屏便于参数设定和随时实施调节控制。台达3.5.2、电气控制系统的构成及功能3.5.2.2、保护装置确保防止来自自身和外部电气系统的异常的保护装置，应符合GB5226.1-2002的7.1到7.5和7.8中的相关规定。这些装置包括断路器、过电流保护的保险丝、温度保护的热元件等。3.5.2.3、断开装置维修或测试时，要求断开装置能够把电气系统与所有电气能量源切断。3.5.2.4、接地系统应符合IEC60364-5-54和本地区电气规程的要求。接地装置（接地电极、导体、汇流排和主端子）的安装、布局和选择应与小型风力发电机运用的雷电防护相匹配。接地电极系统充分满足当地的土壤条件的范围。丹麦5kW并网供电3.5.2、电气控制系统的构成及功能3.5.2.5、避雷小型风力发电机的雷电防护可参照IEC61400-24中的有关规定。雷电防护措施没有必要扩展到叶片。3.5.2.6、电气导体和电缆小型风力发电机的的导体应依照GB5226.1-2002的有关规定，考虑其特殊的应用条件，如温度、电压、电流、环境条件和裸露（紫外线、油污）造成的老化，还应考虑导体在安装和使用操作时受拉伸和扭曲可能造成的机械应力，来确定等级。在存在啮齿动物或其他动物损害电缆的地方，应使用带铠电缆或套管。地埋电缆应埋在一个适当的深度以免被通行车辆压轧损坏。在设计时要考虑保护的电压极限，以使电力传输中任何过电压不会超过导体的绝缘等级。3.6、制动系统小型风力发电机多采用风轮直接驱动发电机的方式，制动力矩施加在风轮轴或发电机轴的输出端，直接反作用于风轮的驱动力矩。制动系统分为手动、自动两大类。手动制动系统包括纵操结构、制动力传输和制动器；自动制动系统包括制动信息传感器、微处理器和制动执行机构。3.6.1、手动制动系统一种构造比较简单的制动系统，见图1、图2。图1是在需要停止风力机转动时扳动手柄，牵拉钢丝绳、经过滑轮变换拉力方向，通过杠杆增大作用力，涨开制动蹄，刹住紧固在电机轴上（与风轮同轴旋转）的制动毂。图13.6.1、手动制动系统图2与图1不同的是牵拉钢丝绳折弯尾舵，在风轮偏离风向某一角度时（比如与风向的夹角30～40°），尾舵轴上的摇臂开始接触液力总泵推杆，然后在继续折尾的过程中总泵液力逐渐增大，驱动总泵和刹车片夹紧固定在电机轴端的制动盘，使风力机停止转动。这个制动系统应用在采取了折尾、风轮偏离风向限速机构的风力机上，可将制动与折尾联动在一起，把制动的操纵方式变为自动和手动兼用。图2手动液压制动系统3.6.2、自动制动系统一种构造简单、可靠性高且较为通用的液压制动系统，如图3所示。制动盘与电机轴固定在一起，并随着电机轴旋转。制动分泵的制动缸与制动蹄加紧制动盘产生摩擦力进行制动。制动分泵的液压油通过油管1和油管2连接到制动总泵上，制动总泵是一个柱塞泵，推动制动总泵的活塞杆，将压力较高的液压油通过油管注入到分泵的油缸里，制动盘与制动钳产生摩擦力，起到制动的目的。系统中的信息传感器采集风力机最高转速限定值和风速最大限定值，由PLC给出制动指令，启动电动绞盘或液力控制阀，通过执行机构向风轮轴实施机械制动或液力制动。图3液压自动制动系统3.6.2、自动制动系统对小型风力发电机设置制动系统时，需要考虑以下几个问题：（1）风轮的驱动力矩在350N·m以下，且具有可靠、有效的调（限）速机构的风力机可采用手动制动系统；风轮驱动力矩较大的风力机，无论有无有效的调速系统，都应选择兼有大风保护、自动停机功能的自动制动系统。（2）由于制动系统是直接对风轮轴实施制动，要求制动系统的制动力矩要大于风力机运行时风轮驱动和转动惯量合成的力矩，并要有足够的裕度。通常，最大制动力矩裕度为1.5—2倍。风光互补为基站供电（3）当风轮的转动惯量较大时，要求制动系统在实施制动时不要过猛。据经验，制动历时30～40s比较安全合理。（4）对于采用变桨距运行的风力机，在实施制动前先行变桨距，使风轮气动力转矩变小后，再实施制动则更为有利，可以有效减少对风力机的损害。3.7、蓄能装置当前风力发电系统可选择的蓄能方式有：蓄电池蓄能、飞轮蓄能、提水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种。小型风力发电系统离网运行时广泛采用蓄电池作为蓄能装置。蓄电池的作用是当风力强劲、风力机发电量大，或用电负荷少时，将电能存入蓄电池；当风力较弱，或用电负荷较大时，蓄电池中的电能向负荷供电，以补充风电的不足，保持风力发电系统持续稳定供电的运行状态。目前，小型风力发电系统离网运行时较多采用储能型（固定）铅酸蓄电池，它的单体电动势为2V，单体容量从几百安时到数千安时。电池组配套时可根据风力发电系统的要求，以串、并联接方式组合成所需要的端电压（V）和总容量（Ah）。3.7、蓄能装置蓄电池使用中应按技术规范对蓄电池充放电，不允许过充电和过放电。要求每2V单体电动势，放电时不得低于1.7V，充电时不得高于2.4V；充放电过程，按电池容量的1/10--1/20数值控制电流量（A）。蓄电池经多次充放电之后，其充放电转换效率和电池容量会迅速降低，寿命即终结，继续使用已很不经济。影响蓄电池使用寿命的因素很多，其中主要有：a、未按技术规范配制符合要求的电解液；b、未严格实行均充、浮充分阶段充电规程；c、蓄电池过度充电、深度放电；d、蓄电池在亏电状态下，久置未及时充电。3.8、塔架

3.8.1、塔架的高度和极限载荷塔架高度：由于地表的粗糙度影响，产生风的剪切效应，塔架越高，风速越大，风力机获取的风能越多，但是制造成本和安装费用也越高。确定经济、合理的塔架高度需要从风能量增益、制造成本和安装费用统筹考虑，通常取风轮直径的2.5～3倍。极限载荷：安装使用地点的极大风速，按当地几十年一遇