风力发电系统构成 一、风力发电机组的系统组成 风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及控制设备的组合。 水平轴发电装置通常包括风叶、传动机构（传动轴、增速器）、停车制动器、发电机、机座、 塔架、调速器（或限速器）、对风装置、储能装置和控制器等。 （1）叶轮 将风的动能转换为机械能并带动其它装置。 叶轮由叶片与轮毂组成。 1.1叶片数目的确定 依据使用目的、当地风能状况决定采用高速或低速风轮后。 叶片数选择的根本原则： （1）提高风轮转速就要减少叶片数，这样可使齿轮箱变速比减小，并可降低齿轮箱费用； （2）要减少风轮成本就要减少叶片数； （3）叶片叶素的弦长与叶片数成反比； （4）风轮转动质量的动力平衡、震动控制问题的难易度，风轮运转的噪声大小。 单叶片：转速提高，但动态不平衡问题突出，系统震动增强，噪音增大，基本无应用。 双叶片：结构成本较低，叶片实度小，转速较高，但工作过程中支撑塔架的受力影响较大； 三叶片：转速动态平衡较好，质量分布均匀。 多叶片：获得较大的转动力矩，只适用于低速风机。 1.2 叶片翼型 现有美国NACA系列，德国DVL系列，英国有RAE系列和前苏联有ЦΑΓИ系列等。 高速风轮：薄而弯曲度小的高速翼型，具有较小的阻力，也能保证大型风力机的气动性能。 低速风机：由于叶片上气流雷诺数较小，对气动设计没有特别的条件，一般不进行特殊叶型设计。 ②5位数翼型族：这是在4位数翼型族的基础上发展的。这一族翼型的中线有两种类型,一类是简单中线,它的前段为三次曲线，后段为直线；另一类是S形中线,前后两段都是三次曲线，后段上翘的形状能使零升力矩系数为零。这族翼型的厚度分布与4位数翼型族的相同。 ③6族翼型：适用于较高速度的一些翼型族,得到普遍应用。这种翼型又称层流翼型，它的前缘半径较小，最大厚度位置靠后，能使翼型表面上尽可能保持层流流动，以便减小摩擦阻力。 ④1族、7族、8族等翼型族，还有各种修改翼型。 1.3 叶片材料： 要求：强度高、重量轻、耐腐蚀 常用：轻木、铝合金、不锈钢、玻璃纤维树脂基复合材料、碳纤维树脂基复合材料 存在的主体问题： 1、刚度 2、雷击 3、疲劳强度 4、腐蚀 目前中国对风电机组中叶片的研制技术已基本掌握，能批量生产1.5MW以下各系列化叶片，有代表性的有保定惠腾、中复连众、上海玻璃钢研究院等。 另外丹麦LM公司早在2002年就在天津设立了生产工厂，为国内外整机企业配套生产叶片； 外资整机制造企业，如维斯塔斯、歌美飒和苏司兰公司，也都在国内设有自己的叶片生产厂。 国内正在进行叶片研发试制的企业还有多家，包括保定华翼、天津东汽、北京玻璃钢研究院等 1.4 轮毂 连接叶片与风轮转轴，将风轮的力和力矩通过风轮转轴转给后面的传动变速结构。 要求：能够承载大的、复杂的负荷 结构及形式：固定式轮毂、相对固定铰链式轮毂和自由的铰链式轮毂 固定式轮毂： 相对固定铰链式轮毂： 自由的铰链式轮毂： 2、 传动系 将风轮的力和力矩通过变速后传递给发电机，当风轮转速过高时并能限制传动轴转动。 传动系包括低速传动轴、叶片刹车盘、增速箱、耦合器和高速传动轴。 齿轮箱和叶片：中国风电发展限制的重要的因素。 2.1齿轮箱 （1）由于发电机转速高，二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，六极三相交流发电机转速约每分钟1000转，而风力机风轮转速低，小型风力机转速每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转。这么大的转速差别，风轮只有通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。 （2）齿轮变速主要有两种形式，一种是圆柱齿轮变速，一种是行星齿轮变速，风力机的齿轮增速箱增速比较大，多采用二级行星齿轮增速或一级行星齿轮加一级圆柱齿轮增速，当然也有三级增速的。圆柱齿轮增速箱的输入输出轴多数不在同一轴线上，而行星齿轮增速箱的输入输出轴则在同一轴线上。行星齿轮增速箱还有体积较小、效率较高、加工成本较低的优点，故行星齿轮增速在风力机中用得较多。 （3）由于风力机的工作环境恶劣，对制作齿轮箱的材料与工艺技术要求很高，同时对对齿轮箱的润滑系统要求也很高。 2.2轴 承 风电机组主轴承在国内还没有专业制造厂，目前几乎全部依赖进口，主要的国外厂商有SKF、FAG等；别的部位的轴承，如偏航轴承和变桨轴承，徐州罗特艾德公司可以生产。 此外，瓦轴和洛轴可以生产变桨轴承。 2.3刹车系统 风力机刹车系统有三种形式： （1）主轴刹车（2）紧急停止用刹车（3）偏航刹车 ※主轴刹车：在平时运行中不使用，在停机或来维护保养时使用，可将风力发电机的主轴制动，通常设在低速轴一侧。 ※紧急停止用刹车：当发生过转速等紧急状况时，为安全起见，使风力发电机组紧急停车用的刹车装置。因为是用于紧急状况，所以安装在扭矩小的发电机一侧的轴系上。 ※偏航刹车：位于风力发电机组机构中心部的机舱，在一定风向下保持固定，但有时会因风速变动的影响发生左右震动现象，这会给偏航装置中齿轮带来一定的冲击力。因此为了固定偏航装置而设置了偏航刹车。当偏航装置依据风向改变机舱方向时，偏航刹车便被解除。这种刹车装置与前两种运行方式在运转时状况不同。 主轴刹车在强风作用下易产生大的冲击力，偏航刹车在风力发电机组的正常运转过程中要频繁使用，其可靠性尤其重要。 3、对风偏航系统 在风向与风轮扫风面不垂直时，对风偏航系统能产生回位力矩使风轮扫风面垂直于风向。 风向与风轮转轴之间的角度偏差叫偏航误差（Yaw error），当偏航误差为θ时风力发动机组所获得的风能是风轮正对风时（ θ=0）的cos3 θ倍。 偏航误差越小获得的风能效率越高，同时偏航误差会增加风轮的载荷，给风力发电机组强度带来影响。 主要形式：尾舵对风、侧轮对风和机械对风 4 塔架 5 调速系统 调节、限制风轮转速，保证输出功率稳定和设备安全。在一些范围内，无论风速如何变化，总是使风力机转速保持恒定，当风速过高时，调速装置将限制功率并减小作用在叶片上的力。 平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。 5.2变桨距调速 变浆距调节转速是当前大中型风力机普遍的使用的调速技术，可使风力机在超过额定转速时的风速时稳定在额定转速。图左是翼型运行在接近最高转速时状态，此时有最大的推力F。图右是翼型运行在高风速时的情况，如果翼型角度不变就会进入严重的失速状态，但此时翼型的浆距角β增加了Δβ，使攻角α维持在不失速状态，调节合适的Δβ可使推力F与失速前一样。 ☆有变浆距调节转速功能的风力机的工作在变浆定速模式与变速变浆模式。变浆定速模式用在发电机直接并网的工作状态，因为发电机要与电网频率同步。 ☆实际上现在流行的是变速变浆模式，所谓变速就是指发电机在较低的风速较低的转速时就开始发电，转速随风速增加，一直到额定风速，此时虽未进入失速状态但仍可选择合适的浆距角以获得上限功率输出；当风的速度超越额定风速继续增加时则通过增大浆距角以保持转速稳定在额定转速，使输出功率稳定维持。所以说变速变浆模式使风力机从低风到高的风力下均可发电，大幅度的提升了风力发电的效率。而且在遇到强风时可把浆叶调为顺风状态以减小冲击，保护风力机安全。 浆距调节系统 浆叶的浆距调节通过电动或液压推动进行。风力机主轴上安装着轮毂，在轮毂圆周分布着3个变浆距齿轮，齿轮内侧有轴承，浆叶根部安装在轴承内，浆叶在轴承内旋转就改变了浆距角。在浆叶根部安装有变浆距驱动电动机，其减速器输出接有小齿轮与变浆距齿轮啮合，当电动机转动时即可改变浆距角。3个浆叶各有一套变浆距驱动电动机与相关部件，也称为独立电动变浆系统，尽管3个变浆装置独立，但它们的浆距角变化是按规律同步的。 6、发电单元 大致上可以分为同步发电机、异步发电机、双速异步发电机、低速交流发电机 同步发电机：转速n和交流电网的频率f成严格恒定比例的发电机。 异步发电机又称“感应发电机”。利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同，但转速略高于旋转磁场的同步转速。 异步发电机有笼型和绕线型（以转子的结构及形式定） 笼型转子的绕组由嵌入铁心槽内的裸导体构成，各端由端换连接，形成短路绕组。 绕线型转子的绕组和定子绕组相似，也是三相对称绕组，绕组的三个末端连接在一起（Y联结），三个首端分别接在转轴上的三个彼此绝缘的滑环上，再通过与滑环滑动连接的电刷将变阻器串入转子绕组。 7、变频器 变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到控制电动机转速的目的。 8、逆变器 9 控制管理系统 控制单元的作用：保证风力发电机组的安全可靠运行，获取最大的能量，提高良好的电力质量。 控制管理系统组成：各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。 主要控制内容：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动上限功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程控制。 目前风力发电场多采用分布式控制系统（DCS)，其特点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象的位置，就地进行数据采集、控制、处理，避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连线。 DCS现场适应能力强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数，并与其他功能模块保持通信，发出各种指令。 同步发电机 实现交流与直流之间的互换装置 * NACA翼型系列最重要的包含下列一些翼型族： ①4位数翼型族:这是最早建立的一个低速翼型族。例如,NACA2415翼型,这4位数字的意义是:最大相对弯度为2％，最大弯度位于翼弦前缘 的40％处,末两位数15表示相对厚度为15％。四为数翼型最大厚度一般在离前缘的30%弦长处，已取得实验数据的有相对厚度为6%、8%、9%、10%、12%、15%、18%、21%、24%，相对弯度为0%、1%、2%三种，中弧线%弦长处。 Clark Y??（低性能，允许制造误差大，下表面很长一段是直线 （低性能，允许制造误差大，头部圆钝不易气流分离， 下表面平坦容易制造） （升力比较大，但下表面内凹，不便制造，俯仰力矩大，一般不用。 模型上通常用较薄的NACA6409） NACA 23012/23015/23018（综合性可靠的，商务飞机最常用的，厚度范围比较大） FX 63-137（低速大升力翼型，通常仅用于人力飞机类慢速飞机） 中小型风力机常采用固定式轮毂，兆瓦级风机采用自由铰链式轮毂。 我国风电齿轮箱生产企业都是从国家大型齿轮箱企业延伸出来的，如南京高速齿轮制造有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司和杭州前进齿轮箱公司，此外大连重工、四川二重等企业也开始齿轮箱的生产。其中前两者占国产化齿轮箱市场占有率的80%～90%以上。 南高齿还与美国通用开展技术合作，专为通用公司做配套。 齿轮箱外资企业主要是弗兰德机电传动（天津）有限公司，2005年被西门子公司收购后改名西门子机械传动（天津）有限公司，主要为外资整机厂供货。 大型风力机常采用机械对风，根据机舱上设置的风向风速计传来的信号，通过电气或液压装置来强制转动机舱。 注意：大型风力机的电缆一般是从机舱中悬垂至塔架中，偏航动作可能会引起机舱和塔架间的连接电缆发生扭绞，因此偏航系统中应设置偏航计数器对扭绞程度进行仔细的检测，在单侧方向转过2~4转后自动将机场转回。 支撑风轮、机舱等装置，铺设电缆架和维护梯。 风力发电机常用的工作模式有定浆变速、变浆定速、变速变浆等 5.1 定桨距调速 对于小型风力发电机多用定浆变速模式，即浆叶是固定在转轴上的，风小转速低、风大转速高，当风速过高时还能够最终靠失速来扼制转速的飙升、保护发电机，也可认为是定浆变速加失速模式，这种模式在中型风力机也有应用。 左图为翼型的升力系数与阻力系数随攻角的变化曲线图，在曲线中可看出，翼型在攻角α大于15度时开始失速，升力骤然下降，阻力大幅度上升，开始失速的攻角α的值称为失速角。 翼型弦线与风轮旋转平面的固定夹角β称为浆距角，对于固定浆叶浆距角是不变的。相对翼型的风速是外来风速v与翼型线速度u合成的相对风速w，相对风速w与翼型弦线间的夹角α是翼型的攻角。 正常状态 失速状态 翼型运行在允许的转速之内（低于最高转速）时状态，翼型的攻角α应小于失速角（17度）。翼型升力Fl与阻力Fd的合力为F1，F1在风轮旋转平面上的投影F就是推动翼型运动的力。风速v低时攻角小，则F小就转速低；风速v高时攻角大，则F大就转速高。 当风速上升风轮转速超过允许的转速时，翼型的攻角大于17度后就进入失速状态，尽管风速v加大许多，但升力Fl却下降了、阻力Fd大幅度提升了，结果是F反而减小了，从而抑制了转速的上升。 * * * 该翼型弦线与风轮旋转平面的固定夹角β称为浆距角，对于固定浆叶浆距角是不变的。相对翼型的风速是外来风速v与翼型线速度u合成的相对风速w，相对风速w与翼型弦线间的夹角α是翼型的攻角。图中左面是翼型运行在允许的转速之内（低于最高转速）时状态，翼型的攻角α应小于失速角（17度）。翼型升力Fl与阻力Fd的合力为F1，F1在风轮旋转平面上的投影F就是推动翼型运动的力。风速v低时攻角小，则F小就转速低；风速v高时攻角大，则F大就转速高。当风速上升风轮转速超过允许的转速时，翼型的攻角大于17度后就进入失速状态，图中右面就表示了这一状态。尽管风速v加大许多，但升力Fl却下降了、阻力Fd大幅度提升了，结果是F反而减小了，从而抑制了转速的上升。 也有采用一台变浆距驱动电动机通过齿轮或连杆同时带动3个浆叶同时变距的， * *

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