风力发电机原理及风力发电技术

第卷第期

316

200712Dec.2007

年月卷终

()

.316Vol

№

湖 北 电 力

风力发电机原理及风力发电技术

李滨波段向阳

,

()

武汉电力职业技术学院武汉

,430079

摘 要 文章讲述了风力发电的基本原理并对风力发电的新技术进行了展望。

[],

关键词 风力发电机发电技术

[];;

[]TM614[]A[]10063986200706005402

中图分类号 文献标识码 文章编号222

()

PrincipleandTechnologyoftheWindDrivenGenerator

LIBinbo,DUANXiangyang

22

()

WuhanElectricPowerTechnicalCollege,Wuhan,China

430079

[Abstract]Thisarticleelaboratedthebasicprincipleofthewindpowergenerationandmadeanoutlookfor

thenewtechnology.

[Keywords]windpower;generator;generatingtechnology

1

风力机工作原理

风力发电机的基本工作原理比较简单风轮在

,

风力的作用下旋转将风的动能转变为风轮轴的机

,

械能风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化

,

装置称为风力机。风力机的核心部件为叶轮的设

计随着空气动力学的飞速发展叶轮设计已经取得

,,

了巨大的进步。

一般叶轮设计成翼形风轮从自然界获得的能

,

量有限理论上风力机获得最大效率约为其

,0.593,

功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。

现代风轮设计一般采用新翼形设计除按照传

,

统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采

用厚翼型满足机械强度外新翼形和传统的航空翼

,

形有较大差别一般在叶轮尖部采用较低的最大升

:

力系数并减少尖部叶片弦长以控制转子尖部的负

,,

荷。而在中部采用较高的升力系数并增加叶片弦

,

长以达到中等风速时的最佳风轮性能。这样的设

,

计可使风轮年平均的能量输出大大增加。

随着计算机流体设计水平和三维设计在风轮设

计中的应用可以设计出在一定输出功率下的最佳

,

风轮几何形状。

气及共控制设备的组合一般的风力发电机组主要

,

由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等

几大部分组成。

风力发电机组是实现由风能到电能转换的关键

设备。由于风能是随机性的风力的大小时刻变化

,,

必须根据风力大小及电能需要的变化及时通过控制

装置来实现对风力发电机组的启动、调节转速、电

(

压、频率、停机、故障保护超速、振动、过负荷等

)()

以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操

作。由于控制十分复杂现在普遍采用微机控制。

,

下面就系统中各部件作简要描述。

2.1

调向机构

风力机的调向机构是用来调整风力机的风轮叶

片旋转平面与空气流动方向相对位置的机构。以水

平轴风力机为例因为当风轮叶片旋转平面与气流

,

方向垂直时即迎着风向时风力机从流动的空气中

,,

获取的能量最大因而风力机的输出功率最大所以

,,

调向机构又称为迎风机构国际上通称偏航系统。

()

风电场中并网运行的中大型风力机则采用由伺服电

动机也有用液压马达驱动的齿轮传动装置来进

()

行调向伺服电动机亦称偏航电动机则是在风信

,

()

标给出的信号下转动。伺服电动机可以正反转因

,

此可以实现两个方向的调向。

2.2

控制系统

100kW1MW

以上的中型风力发电机组及以

上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制

器组成的控制系统来实现控制、自检和显示功

()

PM

能。其主要功能是按预先设定的风速值一般

:1

()(

2

风力发电机组和风力发电机

风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电

[]20071109

收稿日期 22

[]1954-,,

作者简介 李滨波男副教授。

()

・・

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Vol.316

№

Dec.2007200712

第卷第期

316

湖 北 电 力

年月卷终

()

为～自动启动风力发电机组并通过软启电流能按风轮转速的变化而变化保持旋转磁场与

34m/s,,

)

动装置将异步发电机并人电网。借助各种传感功率绕组的相对转速恒定无论风轮转速如何变化

()

2,,

器自动检测风力发电机组的运行参数及状态。只要控制励磁绕组的输入频率

()

3

当风速大于最大运行速度一般设定为时输出的电频率保持不变实现电机变速恒频运行。

()

25m/s,

实现自动停机。当出现恶劣气象如强风、台当然实际要求控制精度高控制计算比较复杂目前

()(

4,,

风情况、电网故障如缺相、发电机温升过高等情此项控制技术已经成熟并已经得到广泛应用。

)()

况时机组将自动停机。进行远程监控。

,5

()

2.3

发电机

f

C

,

就可以使发电机

f

,

3

风力发电技术及展望

3.1

独立运行方式

目前已采用的风力发电机有种即直流发电

3,

机、交流同步发电机和交流异步发电机。并网运行独立运行的风力发电机组又称离网型风力发

的风力发电机多采用同步发电机和异步发电机。电机组是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄

同步发电机所需励磁功率为额定功率的能再供应用户使用。可供边远地区气象台站、边

1%;,,

通过调节励磁可以调节电压及无功功率并向电网防哨所等电网覆盖不到的地区利用。这种方式的缺

,

提供无功功率从而改善电网的功率因数。但同步点是在无风期不能发供电为了克服这一缺点可配

,,,

发电机在阵风时因输入功率有强烈的起伏瞬态稳备少量蓄电池来保证不能断电的设备在无风期间内

,

定性不好而且同步发电机还需要严格的调速及同从蓄电池获得电能同时为保证独立运行的离网则

,,

步并网装置。风力发电机组能连续可靠地供电解决风力发电受

对异步发电机而言由于结构简单、价格便宜、自然条件限制的影响。风力发电机组还可与其他动

,

且不需要严格的并网装置可以较容易地与电网连力源联合使用常用的方式主要有风力———柴油发

,,

接但其转速可以在一定限度内变化就能吸收瞬态电联合运行、风力———太阳能电池发电联合运行等。

,,

阵风能量。但异步发电机需借助电网获得励磁加

,

重了对电网的无功功率的需求。并网运行方式就是采用风力发电机与电网连

现代并网风力发电机主要分为恒速恒频和变速接由电网输送电能的方式。这种方式是克服风的

恒频两种发电运行方式。恒速恒频方式即风随机性而带来的蓄能问题的最稳妥易行的运行方

()

1,

力发电机组的转速不随风速的波动而变化始终维式同时可达到节约矿物燃料的目的。以上

,,10kW

持恒转速运转从而输出恒定额定频率的交流电。直至级的风力发电机组皆可采用这种运行方

,MW

这种方式简单可靠但是对风能的利用不充分而且式。并网运行又可分为两种不同的方式恒速桓频

,,:

风轮调速机构体积较大结构复杂也增加了设备投方式和变速恒频方式。

,,

资。变速恒频方式即风力发电机组的转速随风力发电场是目前世界上风力发电并网运行方

()

2,

风速的波动作变速运行但仍输出恒定频率的交流式的基本形式即在风能资源良好的地区将几十

,,,

电。这种方式可增加的风能利用率以前需增台、几百台甚至几千台单机容量从数十千瓦、数百千

10%,

加实现恒频输出的较昂贵的电力电子设备现在已瓦直至兆瓦级以上的风力发电机组按一定的阵列布

,

经开始使用微机控制的双馈电机在变速恒频风力局方式成群安装而组成的风力发电机群体有利于

,,

发电上已有比较成功的应用。风能的充分、高效率利用。

一般双馈发电机安装了同轴的功率绕组和励磁

绕组。励磁绕组由变频器供电负责控制电机的磁风力发电技术目前还在不断发展主要体现在

,,

场变化发电机转子直接与风轮连接发电机的工作单机容量的不断增大通过采用更高的塔架以捕获

,,,

转速就是风车的转速更多的风能。风力发电场未来的发展趋向将集中

n

R

,p,

假设发电机极对数为励

磁机极对数为在提高机群安装场地选择的准确性合理性

p

C

,

由变频器向励磁机定子绕组提供

频率为的励磁电流发电机定子绕组输出频率为

f,f

C

的电功率在发电机转速变化的情况下通过改变励制。总装机容量在以上的风力发电场将占据

,,

磁电流的频率主导地位。此外发展海上风电场也成为新的大型

f

C

,f

可以使发电机的输出频率保持不

变。风力发电机组也日益受到重视。

发电机能够实现变速恒频发电是因为其励磁

,

,

,

,

3.2

并网运行方式

,

,

3.3

风力发电展望

:1,;

()

()

2,

提高运行的可靠性、稳定性实现运行的最佳控

1MW

,

・・

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