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第1章 引言第1章 引言1.1 中国新能源与可再生能源现状新能源与可再生能源的含义，在中国是指除常规化石能源和大中型水利发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等能源。这些能源资源丰富、可以再生、清洁干净，是最有前景的替代能源，将成为未来世界能源的基石。风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起各地温差和气压不同，导致空气运动而产生的能量。风力发电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。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风能是最有发展前景的一种洁净能源，是一种绿色再生能源。它可以取之不尽，用之不竭。风能的利用，从古时候的风车开始发展到现在的风力发电，足以说明人类科学技术的进步。进入20世纪以来，人们无节制的开采石油、煤炭、天然气等人们赖以生存的化石能源，不仅严重污染了我们的生存空间，而且破坏了自然环境。风能作为可再生能源，取之不尽，用之不竭，并且不受价格的影响，到2003年3月，全球风力发电装机已超过40gw（70%以上在欧洲），近几年每年都以3040%的速度递增。由于技术设备越来越先进，成本会越来越低。去年风能发电平均每千瓦时的成本费用在强风区是4美分，弱风区为6美分。而20世纪80年代成本为80美分。研究人员预计，随着技术设备的改善，成本还可以再减少30到50。目前我国投资超过160亿元的风能发电计划已经出台，拟在全国范围选择20个10万千瓦以上的大型风电场。国外兆瓦级水平轴风力发电机组已经相当成熟，目前国内大都引进国外的技术，进行风场建设，对于国内自主创新，拥有自己的知识产权，具有相当大局限性。所以，国内目前有几家风电公司正在着力发展自主知识产权的垂直轴风力发电机组，以赶超和引领世界先进水平。我国是世界上利用风力最早的国家之一，风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，风力发电在中国得到迅速发展是20世纪80年代的事情，至今已经建成了一大批风力发电场。我国风力发电，从20世纪80年代开始起步，到2001年底全国累计风电装机总容量达到40万kw左右，风电场发展到26个。其中达坂城风电场累计安装风力发电机组172台，装机容量达到9.2万kw;南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机容量达到4.8万kw;内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3万kw;福建的坪潭、大连横山，浙江舟山、上海崇明也都在规建设500kw、600 kw、800 kw容量不等的风力发电场，为解决无电地区农牧民生产生活用电发挥了重要作用。我国自主开发的200-300 kw级风电机组的国产化率已超过90%;600 kw机组样机的国产化率达到80%左右。我国具备了自行研制开发容量从100w到10 kw的10目前，我国小型风力发电技术十分成熟，建设进展较快，特别是5kw以下机组的制造技术已成熟，并进行大量的推广使用，形成批量生产。100、150、200、300、500w及1、2、5kw的小型风力发电机，年生产能力达到3万台以上，销售量最大的是100300w的风电机组。我国大型风力发电机组的研究制造工作正在加快发展。中国一拖集团与西班牙电力公司，西安航空发动机公司与德国恩德公司联合分别生产了660kw的主发电机组，并已安装到辽宁营口风电场并网发电运行。另外，浙江运达风力设备厂生产出4台250 kw发电机组，安装在广东南澳风电场运行。在我国，大型风电机组的主要部件在国内制造，其成本可比进口机组降低20%30%，国产化是我国大型风力机发展的必然趋势。我国大型风电机组的国产化从250300 kw机组开始，发展到600 kw。根据我国的生产水平和技术能力，大型风力机国产化是完全可行的。从风力发电场的建设历史来看，1986年国家第一个风电场在山东荣城并网发电后，全国累计安装使用小型风力发电机组19万台以上，各地陆续引进机组并建设风电场，截止到现在，我国已建成一大批风电场，形成上百万千瓦的发电能力。在黑龙江省的富锦风电场中，单机容量已达到960kw，使我国风力发电迈上了一个新台阶。在国外，风能开发利用在国外已经形成相当的规模，风力发电在德国、西班牙丹麦、美国，还有印度等国家得到大规模的利用。相对中国而言，国外在风电开发利用上投入了大量的人力物力，尤其是欧美国家，早在20世纪70年代发生世界能源危机时，就采取了政府补贴税收政策等刺激手段，鼓励风力发电事业。从世界风电场的情况看，无论是装机容量、成本投资、年发电量、运行费用及运行可靠性、稳定性等性能来衡量，200500kw的中型机组都具有较大的竞争力。从自然环境看，我国占有优势地位。我国领土位于北半球中纬度上，幅员辽阔海岸线长，风力资源相当丰富。利用风力资源发电既能保证安全的能源供应，又能战胜全球气候变化，更有利于环境保护，我们要充分有效地利用风能自然资源为人类造福。1.2 风力发电系统的发展与现状风力发电装置一般由风轮、传动系统、发电机、储能设备、控制保护系统和塔架等组成。从结构上分，风力发电有横轴型风力发电机和垂直轴型风力发电机两种。风力发电，需要有较充足和稳定的风源。由于采用了叶顺浆机构或阻力装置，或是 由安装在传动轴上的紧急制动闸等方式来实现自动保护，风力发电机的单机容量越来越大，技术水平越来越高，成本越来越低。水平轴风力发电机常见的是螺旋桨式风力机。这种风力机的翼形与飞机翼形相类似，为了提高起动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构。当它的风速至少达到额定风速时，才能输出额定功率。水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样叶片所受的就是一个交变载荷，这对于叶片的疲劳强度是非常不利的。另外，水平轴的发电机都置于几十米的高空，这给发电机的安装和维护检修带来了很多的不便。垂直轴风力发电从根本上改变了以往常见的水平轴式风力发电机结构和形状，它把发电机、变速、传动等主要部件从几米到几十米高的塔顶搬移到地面，既方便了保养维修，又使运行更稳定更安全。采用独特的la式三片式抛物线型风叶的风轮，增强了抗强风能力，提高了风能利用系数；集多电机于一体；采用立柱加横梁的整体组合形式，增强了风轮顶端横向推力。另外，垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好，由于惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因此疲劳寿命要比水平轴的长。对于水平轴发电机，当风速发生变化时，桨叶的迎风角度不随之变化，这就显示出风力发电机组两个问题：一个是当风速高于风轮的设计点风速，桨叶必须能够自动将功率限制在额定值附近，因为风力机材料的物理性能是有限度的。二是运行中的风力发电机在突然失去电网（突率负载）的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风力发电机组风轮不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动，这对于小型机组来说问题不大，但对于大型风力机组就会有很大的影响。由此看出，相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪音等众多优点，具有更加广阔的市场应用前景。1.3 风力发电的存在的问题风力发电作为一种新能源在世界上得到了广泛的应用，尤其是在偏远的山区和内蒙古的大草原上等电力线路很难达到的地方，常年平均风速达到一定的标准，非常适合建设不同型号和等级的风机，并且投资小，灵活方便。风能作为一种资源，具有多方面的使用价值，可以综合利用。当风力发电机单机运行发电时,安装地点可因地制宜,解决一家一户用电问题。当风力发电机并网运行发电时,它以最大的能量向电网输送电能。但是，风力发电也存在很多问题，如成本问题，发电效率问题以及控制问题尤 其是制问题。衡量一个风力发电机的工作情况以及性能好坏，很大程度上是以它的控制系统为依据的，可以说控制是整个风力发电的核心和灵魂，也是限制风力发电发展的诸多瓶颈之一。如何去突破这个瓶颈，是否能够找出解决的办法，是当前讨论和研究的一个热点问题。1.4本课题的背景，目的和意义电能是我们生活中不可缺少的必须能源消耗品，我们的生活越来越依赖于电能和现代机械给我们带来的便利。可是，这样的依赖和便利背后，隐藏着危机，那就是人类将面临着不可再生资源的枯竭，现存的能源状况已经使我们的地球陷入困境，人类必须寻求廉价的可再生能源，所以绿色可再生能源是人类能源利用的新潜力。 随着环保意识的加强,削减传统能源对环境的影响,开发可再生能源,已经成为必然的选择,可再生能源的优势在于它没有污染排放,能量取之不尽。风能作为一种可再生能源已经在所有新能源中异军突起，我国风能资源丰富，风力发电的研究和应用将成为我国电力发展的一个重要部分。 本课题通过对我国新能源和可再生能源现状的分析，提出了风力发电的可行性发展和对其优势的分析，确立了风力发电在未来能源领域中的地位和作用。通过对风力发电机的基本结构和原理分析，使我们对其有了一定的认识和了解，对风力发电的优势有了进一步的认识。 19第2章 风力发电机及其机构组成第2章 风力发电机及其机构组成 2.1 风力机的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0. 593,其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。风力机调节方式：（1） 定桨距失速调节这是传统的丹麦风电技术的核心,一般用于恒速运行。其基本原理是桨叶与轮毂固定连接,桨距角不变,利用桨叶翼型本身的失速特性,在高于额定风速条件下,气流的功角增大到失速条件,使桨叶的表面产生紊流,效率降低,达到限制功率的目的。该方式控制调节、简单可靠,但叶片重,结构复杂,成型工艺难度较大,桨叶、轮毂和塔架等部是改善风力机的起动性能和功率输出特性。（2） 变桨距调节风轮叶片的桨距角可随风速变化,一般用于变速运行的风力发电机。主要目的是改善风力机的起动性能和功率输出特性。主要调节方法为:发电机起动时,通过调节桨距角,对转速进行控制;并网后对功率进行控制,当输出功率小于额定功率时,桨距角等于零,不作任何调节;当输出功率大于额定功率时,调节桨距角,以减小功角,使输出功率保持在额定值。优点是桨叶受力较小,可做得比较轻巧,减少了材料,降低了整机重量;桨距角调节增加了功率输出,提高了运行性能。但变桨距调节机构增加了结构的复杂性,使可靠性降低。（3） 主动失速调节主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合,吸取了被动失速和变桨距调节的优点,桨叶采用失速特性,调节系统采用变桨距调节。低风速时,采用变桨距调节,优化机组功率的输出;达到额定功率后,桨叶节距主动向失速方向调节,将功率调整在额定值以下,限制机组最大功率输出,随着风速的不断变化,桨叶仅需微调即可维持失速状态;另外调节桨叶可实现气动刹车。其优点是既有失速特性,又可变桨距调节,提高了机组的运行效率,减弱了机械刹车对传动系统的冲击,控制容易,输出功率平稳,执行机构的功率相对较小。2.2 风力发力电风机组和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。2.2.1 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。2.2.2 控制机构100 kw以上的中型风力发电机组及1 mw以上的大型风力发电机组皆配有由微机或可编程控制器(pm)组成的控制系统来实现控制、自检和显示功能。其主要功能是: (1)按预先设定的风速值(一般为34 m/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。(3)当风速大于最大运行速度(一般设定为25 m/s)时实现自动停机。(4)当出现恶劣气象(如强风、台风)情况、电网故障(如缺相)、发电机温升过高等情况时,机组将自动停机。(5)进行远程监控。2.2.3 发电机目前已采用的风力发电机有3种,即直流发电机、交流同步发电机和交流异步发电机。并网运行的风力发电机多采用同步发电机和异步发电机。同步发电机所需励磁功率为额定功率的1%;通过调节励磁可以调节电压及无功功率,并向电网提供无功功率,从而改善电网的功率因数。但同步发电机在阵风时因输入功率有强烈的起伏,瞬态稳定性不好,而且同步发电机还需要严格的调速及同步并网装置。对异步发电机而言,由于结构简单、价格便宜、且不需要严格的并网装置,可以较容易地与电网连接,但其转速可以在一定限度内变化,就能吸收瞬态阵风能量。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。2.3 风力发电系统结构垂直轴风轮叶片一般是等截面曲线，风轮叶片是等截面双troposkien曲线（如图2-1所示）。在相同的外形尺寸下，双等截面叶片的扫风面积比单等截面叶片的扫风面积增大了15%，但是由于双等截面叶片比单等截面叶片同时多了两套横撑，使得双等截面叶片在风力作用下旋转时，增加了阻力，影响了效率和输出功率。图2-1 风力发电机垂直轴的结构图2-1显示的是垂直轴风机的结构，主要分为风轮支撑装置、制动系统、传动系统、发电机及其控制系统四大部分。风轮支双等截面叶片撑装置：顶部轴承装置设在风轮上端，由四根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮，并保证风轮主轴的垂直；下部轴承装置承受来自风轮主轴的垂直力。制动系统：盘式制动器设在高速刹车盘上，通过齿轮箱实施制动。传动系统：包括联轴器、传动轴、齿轮箱、轴承等组成传动系统，膜片联轴器作为软连接传递扭矩。发电机和控制系统：包括启动和刹车控制，测试与plc采集传输，润滑系统和监测报警。采用发电机励磁和软并网控制。其中叶片是扁锥形的，从它的横截面可看出分三层结构，内层是钢心轴，用于加固叶片，中间层是发泡材料，其作用是缓冲拉力，外层是玻璃钢蒙皮。在该系统中，采用了plc控制，实现了只启动小电机发电和大、小电机相互切换发电。一般情况下，小电机的额定转速是63转/分钟（rpm）。大电机的额定转速是95转/分钟（rmp）。从图2-1提供的系统结构图可以看出，垂直轴风机的一个特点是控制中心在地面，便以运行人员的控制。相对于水平轴风力发电机来说，节约了一定的运营成本。但垂直轴的占地面积较大，并且需要钢丝绳固定。这样就会给轴承造成一定的压力，影响轴承的寿命。2.4 本章小结本章主要介绍了风力发电机的结构组成，其中介绍了风力发电机的核心部分风力机的工作原理及其调节方式，还介绍了风力发电机组及其系统结构，使我们对起有了一定的认识。第3章 风力发电的理论基础第3章风力发电的理论基础3.1 风的特殊性由于风能的特殊性，与常规水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在三个方面：（1）风的随机性风速随着大气的气温、气压、湿度、干度、太阳及月亮的活动和风电场地形地貌等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控的。（2）风大惯量的转动风能密度分布相对较低。为了尽可能捕获较多的风能，风力机转动的叶片直径必须做得很大，典型的商业化中大型风力发电机组转动叶片直径大概在20m-60m之间。显然，巨大的转子叶片直径，必然使得风力机具有较大的转动惯量。（3）风力机和发电机之间的柔性连接为了有效地转换风能，风力机转子由于受风能转换效率(理论极限值是0.59)的限制，叶尖速率比可能很大，风力机的转子转动的速度不会很高，与发电机转动的速度相差比较大，发电机与风力机之间不能直接相连，必须通过一定变速比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说，风力机和发电机两大系统之间是柔性连接。风力发电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。依据目前的风车技术，大约是5m/s的风速，便可以开始发电。因为风力发电具有没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染等潜在的优点，所以风力发电正在世界上形成一股热潮。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行，我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，每一部分都很重要，其中叶片用来接受风力并通过机械能转化为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转子在磁铁的磁场中旋转，切割磁场中的磁力线产生电流，定子出线送入电网。3.2 风力发电机的气动性原理当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓慢，压力较高，从而产生升力。失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少，因此根部叶面先进入失速，随风速增大，失速部分向叶尖处扩展，原来已失速的部分，失速程度加深，未失速的部分逐渐进入失速区。失速部分使功率减少，未失速部分仍有功率增加，从而使输入值保持在额定值附近。由于风力机风轮具有较大的转动惯量，如果风轮自身不具备有效的制动能力，在高风速下要求脱网停机是不可能的。当前所有的定桨风力发电机组都采用了叶尖扰流器的设计。当风力机组正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分结合在一起，组合成完整的桨叶；扰流器的结构如图3-1所示，当风力机需要脱网停机时，液压系统会按照控制指令释放扰流器并使之旋转。叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器。在风轮旋转时，作用在扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置；而液压力的释放，将会使扰流器展开而使风轮停止运行。它是整个风力发电机组的制动控制系统具有很高的可靠性。图3-1扰流器的结构事实上，风力发电机组还存在低风速运行时的效率问题。在整个运行风速范围内（5m/sv5m/s，但不足以将风力发电机组拖动到切入的转速；或风力发电机组从小功率（逆功率）状态切出，且没有重新并入电网时，这时的风力机处于自由转动状态，我们称为待机状态。待机状态除了发电机没有并入电网，机组实际上已处于工作状态。这是控制系统已做好切入电网的一切准备：机械刹车已松开；叶尖阻尼板已收回；风轮处于迎风状态；液压系统的压力保持在设定值上；风况、电网和机组的所有状态参数均在控制系统检测之中，一旦风速增大，转速升高，发电机即可并入电网。4.2 风力发电机组的起动风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速。目前大多数的发电机组的风轮都具有良好的自起动性能，一般风速在v6m/s的条件下，即可自起动到发电机的额定转速。起动的条件：正常启动前10min，风力发电机组控制系统对电网、风况和机组的状态进行检测。这些状态必须满足以下条件：（1）电网连续10min内电网没有出现过电压、低电压；电网频率在设定范围之内；没有出现三相不平衡等现象。（2）风况连续10min风速在风力发电机组运行风速的范围内（5.0m/sv6m/s时，机组可自起动直到某一设定转速，此时发电机将按控制程序被自动的联入电网。一般总先小发电机先并网；当风速继续升高到810m/s，发电机将被切换到大发电机运行。如果平均风速处于820m/s，则直接从大发电机并网。当发电机过渡到稳定的发电状态后，与晶闸管电路平行的旁路接触器合上，机组完成并网过程，进入稳定运行状态。4.5 大小发电机的软并网流程在大小发电机进行软并网流程中应考虑（1）发电机转速已达到预置的切入点，该点的设定应低于发电机同步转速。（2）连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通（这是旁路接触器处于断开状态）。（3）当发电机达到同步转速时，转速超过同步转速进入发电状态。（4）进入发电状态后，晶闸管完全导通，但这是绝大部分的电流是通过旁路接触器输送给电网的，因为它比晶闸管电路的电阻小的多。晶闸管完全导通1s后，旁路接触器吸合，发出吸合命令1s内应收到旁路反馈信号，否则旁路投入失败，正常停机。在此期间，晶闸管仍然完全导通，收到旁路反馈信号后，停止触发，风力发电机组进入正常运行4.6电机的起动电动机起动是指风力发电机组在静止状态时，把发电机用作电动机将机组起动到额定转速并切入电网。因为起动性良好的桨叶在风速v5m/s的条件下即可使机组顺利地自起动到额定转速，所以电动机起动目前在大型风力发电机组设计中不再进入自动控制程序。电动机起动一般只在调试期间无风时或某些特殊的情况下，比如气温特别低，有未安装齿轮油加热器时使用。电动机起动可使用安装在机舱内的上位控制器按钮或通过主控制器键盘的起动按钮操作，总是作用于小发电机。发电机的运行状态分为：发电机运行状态和电动机运行状态。发电机起动瞬间，存在较大的冲击电流（甚至超过额定电流的10倍），将持续一段时间（由静止到同步转速之前），因而发电机起动时采用软起动技术，根据电流反馈值，控制起动电流，以减少对电网冲击和机组的机械振动。电动机起动时间不应超出60s，起动电流小于小发电机额定电流的3倍4.7大、小发电机的相互切换（1）小发电机向大发电机的切换为提高发电机运行效率，风力发电机采用了双速发电机。低风速时，小发电机工作，高风速时，大发电机工作。小发电机为6极绕组，同步转速为1000r/min,大发