1風(fēng)電機組設(shè)計及并網(wǎng)技術(shù)解析

風(fēng)力發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)世界：風(fēng)力發(fā)電是在大量利用風(fēng)力提水的根底上進(jìn)展起來的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大國。我國：短短十幾年的進(jìn)展，我國成為風(fēng)電大國涌現(xiàn)出金風(fēng)、運達(dá)、華創(chuàng)、等優(yōu)秀企業(yè)。我校：沈陽工業(yè)大學(xué)從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)爭論已有25年，先后開發(fā)出0.3~20kW離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機、30~1500kW并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組及風(fēng)力機測試設(shè)備等系列產(chǎn)品三大類16個品種，4項成果納入聯(lián)合國亞太區(qū)域新能源合作工程，實施技術(shù)轉(zhuǎn)讓8項，有5種產(chǎn)品出口日本、蒙古、朝鮮、緬甸等國家?！惨弧筹L(fēng)電機組構(gòu)造〔二〕風(fēng)力機的工作原理〔三〕風(fēng)力機的主要類型〔四〕風(fēng)力機的把握技術(shù)概述風(fēng)電機組設(shè)計〔一〕風(fēng)力發(fā)電機組構(gòu)造從外部看，整個風(fēng)力發(fā)電機組看上去只有三個主要局部：風(fēng)輪、機艙和塔架。發(fā)電機、傳動系統(tǒng)、把握系統(tǒng)等都集成在機艙內(nèi)。機艙除了擔(dān)當(dāng)容納全部機械部件的功能，還起到承受全部外力〔包括靜負(fù)載及動負(fù)載〕的作用。機艙底盤和塔架之間有回轉(zhuǎn)體，使機艙可水平轉(zhuǎn)動。風(fēng)力發(fā)電機主要組成局部介紹

1、風(fēng)輪風(fēng)力機區(qū)分于其他機械的最主要特征就是風(fēng)輪。風(fēng)輪一般由2～3個葉片和輪轂所組成，其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能。由于風(fēng)力發(fā)電機的理論根底也是空氣動力學(xué)，故其葉片外形與機翼很相像。風(fēng)經(jīng)過水平軸風(fēng)力發(fā)電機的葉片時由于葉片與風(fēng)有一個夾角，風(fēng)在葉片上形成升力，風(fēng)力發(fā)電機就是依靠葉片上的升力把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能，從而帶動發(fā)電機進(jìn)展發(fā)電的。2、塔架1風(fēng)力機的塔架除了要支撐風(fēng)力機的重量，還要承受吹向風(fēng)力機和塔架的風(fēng)壓，以及風(fēng)力機運行中的動載荷。它的剛度和風(fēng)力機的振動有親切關(guān)系。水平軸風(fēng)力發(fā)電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。2一般圓柱形塔架對風(fēng)的阻力較小，特殊是對于下風(fēng)向風(fēng)力機，產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風(fēng)力機上，其優(yōu)點是造價不高，運輸也便利。但這種塔架會使下風(fēng)向風(fēng)力機的葉片產(chǎn)生很大的紊流。塔架：

3、機艙實體構(gòu)造圖機組的總體簡化構(gòu)造機組的總體構(gòu)造圖：控制系統(tǒng)風(fēng)輪增速器發(fā)電機主繼電器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘管電網(wǎng)風(fēng)變槳風(fēng)速轉(zhuǎn)速并網(wǎng)功率無功補償風(fēng)機艙內(nèi)部構(gòu)造〔二〕風(fēng)電機組的工作原理風(fēng)力發(fā)電的原理：是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。簡潔的說風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能進(jìn)而將機械能再轉(zhuǎn)換為電能的過程。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機承受空氣動力學(xué)原理，就像飛機的機翼一樣。風(fēng)力機的氣動原理

風(fēng)力發(fā)電機組中的風(fēng)輪之所以能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，緣由是由于風(fēng)力機具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風(fēng)力機葉片的翼型及翼型受力分析圖。圖3-11風(fēng)力機的葉片翼型及受力現(xiàn)分析風(fēng)輪不動時受到風(fēng)吹的狀況：當(dāng)風(fēng)以速度矢量ν吹向葉片時，在翼型的上外表，風(fēng)速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下外表，風(fēng)速增大，形成高壓區(qū)，上下外表間形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力F，力F可以分解為與相對風(fēng)速方向平行的阻力FD和垂直于風(fēng)向的升力FL，升力使風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。風(fēng)力機的輸出功率：風(fēng)輪機的輸出功率A：風(fēng)輪掃掠面積：風(fēng)能利用系數(shù)

：風(fēng)速〔通常被稱為貝茨極限〕：葉尖速比：槳距角3、葉尖速比的影響風(fēng)能利用系數(shù)Cp與風(fēng)力機葉尖速比λ的對應(yīng)關(guān)系：按風(fēng)輪軸的安裝型式按風(fēng)力發(fā)電機的功率

按運行方式

水平軸風(fēng)力發(fā)電機組和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組

微型〔額定功率50～1000W〕、小型〔額定功率1.0～10kW〕、中型〔額定功率10～100kW〕和大型〔額定功率大于100kW〕獨立運行和并網(wǎng)運行

按承受發(fā)電機類型永磁同步風(fēng)電機組雙饋異步風(fēng)電機組等〔三〕風(fēng)電機組分類水平軸垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組中，水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組因其效率低、需起動設(shè)備技術(shù)緣由應(yīng)用較少，因此下面主要介紹水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的構(gòu)造〔1〕獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組水平軸獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機、支架、電纜、充電把握器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要構(gòu)造見右圖。圖3-6水平軸獨立運行的風(fēng)力發(fā)電機組主要構(gòu)造并網(wǎng)運行的水平軸式風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、把握系統(tǒng)、塔架等部件組成，其構(gòu)造如右圖所示〔2〕并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機組圖3-7并網(wǎng)運行的水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的原理框圖并網(wǎng)運行的大型風(fēng)力發(fā)電機組的根本構(gòu)造，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、把握系統(tǒng)及附屬部件〔機艙、機座、回轉(zhuǎn)體、制動器〕等組成，構(gòu)造如右圖?！?〕大型風(fēng)力發(fā)電機組圖3-8大型風(fēng)力發(fā)電機組的根本構(gòu)造1、一般異步風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)特點：1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，需要齒輪箱增速，轉(zhuǎn)子繞組短路，構(gòu)造一般為鼠籠構(gòu)造；2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速固定，風(fēng)能利用率低，其轉(zhuǎn)速由齒輪箱傳動比和發(fā)電機極對數(shù)預(yù)備；3、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速高于同步速運行；4、發(fā)電機定子直接與電網(wǎng)連接，啟動時產(chǎn)生很大啟動電流，其配置啟動裝置。5、從系統(tǒng)吸取大量無功，需配置無功補償裝置。構(gòu)造簡潔，把握便利。2、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組技術(shù)特點1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)需要齒輪箱增速；2、轉(zhuǎn)子繞組通過電滑環(huán)或承受繞線構(gòu)造與電力電子換流裝置連接；3、通過電力電子換流裝置的把握作用，可以調(diào)整把握發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速的變化而轉(zhuǎn)變，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能捕獲效率，風(fēng)能利用率高；4、在低風(fēng)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子低于同步速運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組通過換流器向發(fā)電機饋入勵磁功率；在高風(fēng)速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子高于同步速運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組向換流器輸出勵磁功率；5、直接與電網(wǎng)連接，由于轉(zhuǎn)子電流可控，因此可以實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機平滑并網(wǎng)。3、直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機組

技術(shù)特點1〕葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組通過增加極對數(shù)來降低同步轉(zhuǎn)速，從而避開了齒輪箱損耗；2〕同步電機勵磁系統(tǒng)可承受直流電勵磁或永磁體勵磁方式，由于轉(zhuǎn)子極對數(shù)較多，電機外尺寸較大且較重，不便利運輸和吊裝。3〕對于直流電勵磁方式的同步電機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)整可以通過把握勵磁電流的大小來把握電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能捕獲效率；對于永磁同步電機，可以通過調(diào)整直流電壓的方式來把握電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風(fēng)能捕獲效率，風(fēng)能利用率高；4〕對于直流勵磁方式的同步電機，勵磁損耗較小；對于永磁同步電機，則存在永磁材料的消磁現(xiàn)象。以上風(fēng)電機組優(yōu)缺點比較表風(fēng)電機組類型優(yōu)點缺點普通異步風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單，控制方便1、采用齒輪箱，故障率高，維護(hù)困難；2、風(fēng)能利用率低；3、啟動電流大，需配置啟動裝置；4、消耗大量無功，需要從電網(wǎng)輸入無功；雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風(fēng)能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功；1、采用齒輪箱，故障率高，維護(hù)困難；2、有勵磁功率損耗；3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)復(fù)雜；永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風(fēng)能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功；4、無勵磁功率損耗；1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設(shè)備，價格稍貴；3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)復(fù)雜；4、永磁體有消磁現(xiàn)象直流勵磁同步風(fēng)力發(fā)電機組1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風(fēng)能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設(shè)備，價格稍貴；3、有勵磁功率損耗；4、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)復(fù)雜；

雙饋、永磁和直流勵磁

風(fēng)力發(fā)電機外觀圖雙饋風(fēng)力發(fā)電機外觀特點：機艙瘦長直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機外觀特點：機艙短粗直流勵磁風(fēng)力發(fā)電機外觀特點：機艙臃腫〔四〕把握系統(tǒng)主要功能1〕按預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速值(一般為3—4m／s)自動啟動風(fēng)力發(fā)電機組，并通過軟啟動裝置將異步發(fā)電機并人電網(wǎng)。2〕借助各種傳感器自動檢測風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)及狀態(tài)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力機風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機溫升、發(fā)電機輸出功率、功率因數(shù)、電壓、電流等以從齒輪箱軸承的油溫、液壓系統(tǒng)的油壓等。3〕當(dāng)風(fēng)速大干最大運行速度(一般設(shè)定為25m／s)時實現(xiàn)自動停機。4〕故障疼惜。5〕通過光纜或線相互連接。風(fēng)機把握方式及內(nèi)容一個完整的風(fēng)力發(fā)電機組通常由風(fēng)輪、增速齒輪箱、風(fēng)力發(fā)電機、機座、塔架、調(diào)速器、調(diào)向器、停車制動器、把握系統(tǒng)等構(gòu)成，為使風(fēng)力機組能夠穩(wěn)定運行，必需對其進(jìn)展有效的把握。考慮到風(fēng)力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的挨次，把握器應(yīng)依次滿足以下要求：1〕風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2〕運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負(fù)載變化作用下具有魯棒性；3〕把握代價小，即對不同輸入信號的幅值有確定限制，如調(diào)向的時間等；4〕最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率到達(dá)最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量；

5〕風(fēng)力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。風(fēng)力發(fā)電機組把握目標(biāo)有很多項，把握方法多種多樣，按能質(zhì)量問題。由風(fēng)力機最大風(fēng)能捕獲的運行原理可知，假設(shè)風(fēng)速越高，則與之相對應(yīng)的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速越高。但受風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速極限、功率極限等限制，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不行能太高。因此，為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機有三種典型的運行狀態(tài)：①低風(fēng)速段實行變速運行，可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)Cp值，依據(jù)風(fēng)速變化把握風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比λ不變，直到轉(zhuǎn)速到達(dá)極限；②轉(zhuǎn)速到達(dá)極限后，風(fēng)速進(jìn)一步加大時，按恒定轉(zhuǎn)速把握風(fēng)力機運行，直到輸出最大功率，此時的風(fēng)能Cp不愿定是最大值；③超過額定風(fēng)速時，輸出功率到達(dá)極限，按恒功率輸出調(diào)整風(fēng)力機。〔五〕風(fēng)的能量與測量產(chǎn)生能量的根本要素：風(fēng)具有確定的質(zhì)量和速度。風(fēng)能的一些主要特性參數(shù)：如風(fēng)能、風(fēng)能密度、風(fēng)速與風(fēng)級、風(fēng)向與風(fēng)頻以及風(fēng)的測量等