垂直轴风力发电机建设项目工程技术方案

1、垂直轴风力发电机建设项目工程技术方案1.1 项目组成1.1.1 项目组成表序号工程类别工程名称规模备注1主要生 产工程主车间年产5000套10kw垂直轴风力发 电机的设备和主厂房5500 m2新建2辅助生 产工程办公室2000 m 2新建原料、成品库23800 m新建3公用 工程供、排水系统水量50 m3/h新建供电系统500KVA变电所新建供热系统新建4其它工程厂区外网1.1.2项目组成说明本项目系新建工程，项目新增生产设施、辅助生产设施、公用工 程设施，总建筑面积11300 m2，达到设计生产能力5000台套的规模。1.2 项目产品的主要应用范围活固叶升阻复合垂直轴风力发电机是风能转化电能

2、的一种装置， 主要应用于清洁能源风力发电场作发电设备。 此外，还可用于远行船、 偏远地区农牧民、边远哨所以及航标灯、路灯、交通公路监视等供电。 本项目产品采用的大功率活、固叶升阻复合垂直轴风力发电机， 其设 计构想具有创新性，升阻复合结构优势大，启动风速低，风速4-4.5m/s 即可以起动，风能利用率达到45%可在风紊流区域、风速风向无规 则频繁条件下使用。不仅可突破风机大功率10KW设计限制，而且还可制成中小功率机型。由于该项目产品在低风速环境下的优秀表现， 包括城市市区、 内地、山区等广大地区都可以应用， 无论是居民用户、 各类船只、离岸小岛等各类民用、 军用设施，都可以使用该产品发电。1

3、.3 项目技术技术创新点 产品风车叶片采用垂直轴半活动半固定升阻复合型的风力发电 结构，实现风力机在启动过程中或低风速时，以阻力型机制运转，当 风速较大或者风轮转速升高到一定值时， 以升力型机制运转。 对于每 个叶片，在旋转到不同相位时，具有不同的运行机制，在迎风边，活 动叶片依次处于闭合 -打开- 闭合状态，因而叶片的运行机制也相应地 呈升力 -阻力- 升力的周期性变化， 在阻风边，活动叶片则一直处于闭 合状态，此时主要以升力型和减小风阻为主要特征；风车同时采用 H 型垂直轴风车结构， 在迎风面充分利用阻力和升力复合做功，可以 最大限度的捕获风能、 在图 1 的背风面从 3 到 5 的位置之

4、间， 还可利 用叶片的阻力做功，也可有效利用风能，而在 5 到 7 位置之间，叶片 的顺风摆动，可最大限度地减小风阻，使风能利用率大大增加；采用 独特的顺桨卸荷机构， 使风机具有优良的抗强风和抗台风的能力， 特 别是该机构在风速减弱时， 叶片具有自动恢复工作位置的功能， 使其 发电效率更高，更易于维护；项目产品与水平轴风力机相比，风能利 用率提高 5%以上，可达 45%。本项目采用升阻复合结构， 风速 4-4.5m/s 即可以启动，风速适应范围广，可以实现兆瓦级的大功率设计目标。tiiinitni iitniitmI正辆向佬Pl gM图1 甲风轮正常风向运转示意图乙风轮正常风向运转示意图5.

5、4项目技术成熟程度本项目产品已经研制出模型样机，经哈尔滨工业大学检验测试，主要技术指标优于水平轴风力发电机和其他垂直轴风力发电机。 性能 稳定，安全可靠。经检测项目产品主要技术指标达到：额定功率10KW 启动风速 3m/s、工作风速 4.5-25m/s、额定风速12m/s、最大 风速 v 45-60m/s、风轮直径5-8m、风轮高度8-10m。1.5主要设备选择风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能 系统、逆变器等。(1)风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。 风轮是由8个叶片组成的。叶片 的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小

6、而定， 如木心外蒙玻 璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。（ 2）发电机，在风力发电机中，已采用的发电机有 3 种，即直 流发电机、 同步交流发电机和异步交流发电机。 小型风力发电机多采 用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流 电。（3）塔架，塔架用于支撑，发电机和调向机构等。因风速随离 地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多， 但造价、安装费等也随之加大。（4）调向机构，垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此 不需要调向机构。（5）限速机构，当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶 片损坏，需要对风轮转速进行控制。（6）贮能装置，贮能装置对独立运行

7、的小型风力机是十分重要 的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。（7）逆变器，用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设 备用电的要求。2） 大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部 分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能 是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。 电气部分包括异步发电机、 电力电子变频器、 变压器和电网， 其功能是将机械能转换为频率恒定 的电能。近年来， 又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增 速齿轮箱）。风电设备关键技术：风力发电系统中，发电机是能量转换的核 心部分，风力发电机系统按照发电机运行的方式来分主要有恒速恒频 风力发电机系统和变

8、速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发 电机系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证 发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄。变速恒频风力发电系统通过变桨距控制风轮使整个系统在很大 的速度范围内按照最佳的效率运行，这是当前风力发电发展的一个趋 势。变速系统主要分为同步发电机系统和异步发电机系统。其中同步发电机系统包括永磁同步发电机系统和电励磁同步发电机系统；异步发电机系统主要是绕线异步发电机系统。 永磁同步发电机是利用永久 磁铁取代转子励磁磁场，其结构比较简单、牢固。永磁同步发电机变 速恒频风力发电系统

9、是通过控制一套整流逆变装置，将发电机输出的变频变压交流电转换为满足电网要求的恒频恒压交流电。永磁同步风力发电系统结构框图：采用电励磁的同步风力发电系统，发电机定子通过变频器和电网 相连接，转子采用AC/DC整流装置给发电机提供励磁。发电机可以采 用变速箱驱动，也可以使用直接驱动。电励磁同步风力发电系统结构框图:gQ I；丘目前，兆瓦级风力发电机组普遍采用绕线式异步电机的变速恒频风力 系统。其典型结构是采用双馈异步发电机的系统。 这是一种比较合适 的变速恒频方案，该结构定子和电网直接相连接，转子和功率变换器 相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率， 双馈调速将转差功率回 馈到电机轴或者电网，这是

10、各种传动系统中效率比较高的。 该结构适 合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系 统。双馈异步变速恒频风力发电系统按照转子变频器拓扑结构主要可以分为交交变频器、矩阵变换器和交直交变频器三大类。交交变频 器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠，适合作为双馈电机转 子绕组的变频器电源，交交变频的最高输出频率是电网频率的1/31/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变 频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功 功率处理以及有功功率回馈容易。虽然交交变频双馈系统得到了普遍 的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄, 使用

11、元件数量多使之应用受到了一定的限制。 矩阵式变频器是一种交 交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成 矩阵变换器没有中间直流环节， 输出由三个电平组成， 谐波含量比较 小; 其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦 负载电压 ; 矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然 矩阵变换器有很多优点， 但是在其换流过程中不允许存在两个开关同 时导通的或者关断的现象， 实现起来比较困难。 矩阵变换器最大输出 电压能力低， 器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。 应用在 风力发电中， 由于矩阵变换器的输入输出不解耦， 即无论是负载还是 电源侧的不对称都会影响到另一侧。 另外，矩阵变换器的输入端必须 接滤波电容， 虽然其电容的容量比交直交的中间储能电容小， 但由于 它们是交流电容，要承受开关频率的交流电流，其体积并不小。目前 利用矩阵变换器的双馈异步风力发电系统还处于研究开发阶段。 交直 交变频器又可以分为电压型和电流型两种， 由于控制方法和硬件设计 等各种因素， 电压型逆变器应用比较广泛。 传统的电流型交直交变频 器采用自然换流的晶闸管作为功率开关， 其直流侧电感比较昂贵， 而 且应用于双馈调速中， 在过同步速时需要换流电路， 在