1、风力发电 风力发电的原理,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。依据目前的风车技术,大约是每秒三米的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。 风力发电是目前可再生能源中技术较成熟、具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式。 风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电，未经特别说明，均指并网发电。 1、小型独立风力发电系统 小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为 100 瓦-5千瓦，通常不超过 10 千瓦。它的构成
2、为：风力发电机充电器数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是 1325V 变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流 220V 市电，才能保证稳定使用。 2、并网风力发电系统 德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的
3、风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术， 从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。 在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到 600 千瓦以上。 不少国家建立了众多的中型及大型风力发电场，并实现了与大电网的对接。 现代风力发电机多为水平轴式。 一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、 轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱
4、，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。 风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为 59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于 30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为 20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为 2.5-4 米/秒，于风速 12-15 米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达 20-25 米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片
5、之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3 米/秒左右的风速(微风的程度)便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地 10 米高的年平均风速达到 5-5.5 米/秒以上。 风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡， 约与叶轮直径平方成正比。 叶片的数量也会影响到风机的输出。 一般来说，2 叶、3 叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。此外。现代风机的叶片多采用机翼的翼型。 近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。主流风电机组的单机容量为 600-2000 千瓦，容量越大，发电效率越高，
6、技术难度越大。目前，国内单机容量 750-2000 千瓦的机组最受欢迎。国外正在开发、应用的机组单机容量是 3000-5000 千瓦。2003 年，德国 Enercon 公司安装了第一台 4500 千瓦的风电机组样机。 目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为 23 个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风
7、能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。 风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节 即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。 风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机等。其中，水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种形式。它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮将风能转换为机械能，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。整个机
8、舱由高大的塔架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，还安装有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风。 风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为 “风力田 ”。风力发电场于 20 世纪 80 年代初在美国的加利福尼亚州兴起，目前世界上最大的风电场是洛杉矶附近的特哈查比风电场，装机容量超过 50 万千瓦，年发电量为 14 亿千瓦 时，约占世界风力发电总量的 23。 风力发电的优越性可
9、归纳为三点：第一，建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；第二，不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗；第三，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。 制造风能机械，利用风力发电是风能利用的两项主要内容。风力发动机是一种把风能变成机械能的能量转化装置。风力发动机由 5 部分组成： screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;“ （ 1）风轮。风轮由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能的主要部件。 （
10、2）机头。机头是支承风轮轴和上部构件（如发电机和齿轮变速器等）的支座，它能绕塔架中的竖直轴自由转动。 （ 3）机尾。机尾装于机头之后，它的作用是保证在风向变化时，使风轮正对风向。（ 4）回转体。回转体位于机头底盘和塔架之间，在机尾力矩的作用下转动。 （ 5）塔架。塔架是支撑风力发动机本体的构架，它把风力发动机架设在不受周围障碍物影响的高空中。 根据风轮叶片的数目，风力发动机分为少叶式和多叶式两种。少叶式有 2 4 个叶片，具有转速高，单位功率的平均质量小，结构紧凑的优点；常用在年平均风速较高的地区。 是目前主要用作风力发电机的原动机。 其缺点是启动较为困难。 多叶式一般有 424 个叶片，常用
11、于年平均风速低于 3 4 米秒的地区；具有易启动的优点，因此利用率较高。由于转速低，多用于直接驱动农牧业机械。 风力发动机的风轮与纸风车转动原理一样，但是，风轮叶片具有比较合理的形状。为了减小阻力，其断面呈流线型。前缘有很好的圆角，尾部有相当尖锐的后缘，表面光滑，风吹来时能产生向上的合力，驱动风轮很快地转动。对于功率较大的风力发动机，风轮的转速是很低的，而与之联合工作的机械，转速要求较高，因此必须设置变速箱，把风轮转速提高到工作机械的工作转速。风力发动机只有当风垂直地吹向风轮转动面时，才能发出最大功率来，由于风向多变，因此还要有一种装置，使之在风向变化时，保证风轮跟着转动，自动对淮风向，这就是
12、机尾的作用。风力发动机是多种工作机械的原动机。利用它带动水泵和水车，就是风力提水机；带动碾米机，就是风力碾米机；此类机械统称为风能的直接利用装置。带动发电机的就叫风力发电机。它们均由两大部分组成，一部分是风力发动机本体和附件，是把风能转化为机械能的装置；另一部分是电气部分，包括发电机及电气装置，把机械能转化为电能，并可靠地提供给用户。小风力发电机的容量不大，功率一般从几瓦到几千瓦，大都具有结构简单，搬运方便的优点。按风力发动机与发电机的连接方式分，有变速连接的和直接连接的两种。 在风能的利用中，蓄能是一个重要的问题。特别是对于风力发电，在很大程度上，其生命力由蓄能装置（如蓄电池）的可靠程度来决
13、定。有了蓄能装置，在有风的时候，把多余的能量储存起来；在无风时，输出应用。各种蓄能方式的研究是风能利用的一个急待解决的重要任务。 风力发电技术主要分为风能资源评估与预测，风力发电装备制造技术，风电机组测试、近海风电技术、风电对公共电网的影响等几个方面。 1能资源的评估与预测 国外已经对风能资源的测试与评估开发出许多的测试设备和评估软件，在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化软件。 如丹麦 RIS 国家研究实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件 WASP；美国 TureWind Solutions 公司开发的 MesoMap和 Sitewind 风能资源评估系统等。在风电机组
14、布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟的软件。国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测作了很多研究，精确度可达90%以上。 2风力发电装配制造技术 1）单机容量继续稳步上升 20 世纪 80 年代生产的旧式机组单机容量仅为 20KW60KW。单机容量增大后的直接好处是能以数目较少的风电机组完成相同的发电量，从而节省土地使用面积。目前单机容量最大的风电机组是由德国 Repower 公司生产的，容量为 5MW，叶轮直径达 130m，安装在 120m 高的塔架上，预计 2010 年将开发出 10MW 的风电机组。对容量在 2MW 以上的机组欧洲主要考虑在海上安装。 2） 风轮输出功率控制方式有
15、失速调节和变桨距调节两种 失速控制是在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围内。失速控制的优点是叶片与轮毂之间没有活动部件，不需要复杂的控制程序，在失速过程中功率波动小；其缺点是风力发电机组的性能的限制，启动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降，同时需要叶间刹车装置，机组动态负荷较大。 变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率，变桨距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点是增加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。 两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。
16、从目前市场情况看，采用变桨距调节的风电极组较多。 3）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大 齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率及运行可靠性。在德国 2004 年所安装的风电机组中，就有40.9%采用了无齿轮箱系统。 3风电机组测试技术 德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家对风电机组的设计和测试技术都做过很多研究，制定了国际标准，建立了认证体系，并都有自己的检测机构，其他国家的产品只有通过其检测才能进入。我国对风电机组的测试技术做过一定研究，但不系统。
17、4风电与电网 风力发电能够顺利并入一个国或地区电网的电量，主要取决于电力系统对供电波动反应的能力。变化不定的风力给电网带来的问题，远比怀疑论者估计的低。很多涉及到现代欧洲电网系统的评估表明，电网系统中风电容量占 20%并不存在技术问题。但是，当大规模的风电并入电网后，风电与电网间的相互影响及相互作用规律还是需要进一步研究。 风电技术发展趋势 随着风电工业的不断发展，风电技术和风电系统也在不断的发展，以满足其自身技术，应对风速变化、成本、环境以及稳定运行等各方面的要求。其主要趋势包括以下几个方面： 1主要发展水平轴风力机 垂直轴的主要优点是全风向、变速装置及发电机可以置于地面 , 但其主要缺点是
18、轴距过长，风能转换效率不高。目前主流风力机都采用水平轴设计，其优点是风能转换效率高，传动轴距短。对大型风电机组来说经济性更好。其缺点是需要根据风向调节机舱的位置，需要有对风装置。 同时由于变速装置及发电机布置在塔架顶端， 增加了塔架的投资和安装维护的难度。2从风轮到发电机的新型驱动方式 目前从风轮到发电机的新型驱动方式主要有三种：一种是通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步电机，简称双馈式，这是目前市场上的主流产品。第二种是风轮直接驱动多级同步发电机，简称为直驱式。直驱式风机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，可靠性好等优点，在市场上正占有越来越大的份额。但直驱发电机体积大而笨重。
19、第三种是单级增速装置加多级发电机技术，简称为混合式。混合式单级增速装置以提高发电机转速，但速度低于标准发电机所需要的转速，同时配以类似于直驱发电机的多级电机。该装置介于纯变速装置驱动和直驱之间，旨在融合两者的优点而避免其缺点。 3变桨距调节方式迅速取代失速调节 从目前市场情况来看变桨距调节方式能充分克服失速调节的缺陷，得到了迅速的应用。这点在前面已有了较详细的论述。 除此之外，改善声学特性，改善空气动力学特性，改善轴传动效率，满足高风速或低风速地区以及复杂地形的运行要求等也是风电机组设计的发展趋势。 风力发电系统的一般组成结构如图 2，首先通过桨叶将风能转化为风机转动的机械能，由于风机的转速大
20、多比较低，需要用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额定转速附近，再经过发电机将机械能转化为电能，电力电子变流器将发电机输出的电能转换为合适幅值或频率的电压、电流，经过并网变压器升压后接入大电网。对于目前出现的一些低转速发电机，图中的齿轮箱可以省去。系统转速、功率等运行状态的控制可以通过改变风机桨叶的节距角实现，也可通过电力电子变流器来调节发电机的电磁力矩完成。对于小型风力发电机组来说，通过电力电子变流器来调节发电机电磁力矩的方法更方便，可以省掉变桨距机构，减小系统设计制造的难度。 图 2 风力发电系统组成结构框图 风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技术和发电机的
21、变速恒频发电技术是风力发电技术发展的必然趋势， 另外用于变流器系统的电力电子技术直接决定了产生的电能质量，这三项技术同时也是风力发电中的关键核心技术。 一、风力机的变桨距功率调节技术 a) 风力机的特性曲线 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数 Cp： 式中： t 时间内叶轮吸收的风能； t 时间内通过叶轮旋转面的全部风能； 单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率； 单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。 对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输
22、出功率 的表达式为： 式中： 空气密度(kg/m P3P)； A叶轮的扫掠面积(m P2P)； D叶轮的直径(m)。 系数 ，反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数 （叶尖速比 ）曲线来表示，如图 3 所示。 图 4 异步电机输出功率曲线 Fig.4 Curve of IM output power 恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图 4 所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增
23、大。运行点发生改变。当转子速度高于同步转速 3% 5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。 b）变速恒频发电系统 目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统， 但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比 ，从而使风力机的风能利用系数 保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。自上世纪 90 年代开始，国外新建的大型风力发电
24、系统大多采用变速恒频方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。 可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交 直 交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的， 有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。 这些系统都有自己的特点， 可以适用于各种不同场合。 为充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。下面将对各种电机系统加以简单介绍。 （ 1）交 直 交风力发电系统 这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中
25、实现的。由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过逆变器直流电变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量相同。 这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等。而在这几种发电机中，鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用，因为其转子结构都很简单容易制造和维护，并且没有滑环和电刷，励磁方式也比较简单，尤其是永磁同步电机不需要外部励磁。 （ 2）磁场调制发电机系统 这种变速恒频发电系统由一台专门设计
26、的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。 发电机本身具有较高的旋转频率 ，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为 的低频交流电励磁 （ 即为所要求的输出频率， 一般为 50Hz） ， 当频率 远低于频率 时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为 和 的两个分量组成的调幅波， 这个调幅波的包络线的频率是 ，包络线所包含的高频波的频率是 。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率为 的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。最后经滤波器滤去高次谐波，即可得到与发电机转速无关、频率为 的恒频正弦波。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率
27、和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。与前而的交 直 交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是： 由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时开关换向。因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。 晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，因此可以得到相当好的正弦输出波形。 磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与交 直 交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十
28、千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。 发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。 （ 3）交流励磁双馈发电机系统 系统如图 5（ d）所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起发电机转速 变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。 当发电机的转速 小于定子旋转磁场 的转速时，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；当 时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流向；当 时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。 因此，当发电机的转速 变化时，
29、若控制变频器励磁相应变化，即可以使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的， 流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一部分，因此变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频器的成本将会大大降低。 这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。但交 交变频器输出特性差， 6 脉波、 36 管交 交变频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必
30、须进行谐波抑制。只有 12 脉波、 72 管交 交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力发电系统。目前国际上开发使用 PWM 整流 PWM逆变的交 直 交型变频电源，具有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励磁变频器。此外绕线式交流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应用的机组。 （ 4）无刷双馈发电机系统 系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子为鼠笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子
31、的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别， 但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制，不再赘述。 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的， 但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。 同样， 这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制， 降低变频器的容量外，还可在矢量控制策略下实现有功、 无功功率的灵活控制， 对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。该种变速恒频风
32、电系统现在已被工业界普遍采用。 （ 5）爪极式发电机系统 无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。 其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组， 因此与一般同步发电机相比， 励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。对于一台 8 极电机，在每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不到一般同步电机的一半， 故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与永磁发电机相比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外基本上没有什
33、么起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳叶尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于千瓦级的风力发电装置中。但该项技术的最大功率跟踪（ MPPT）尚处在研究阶段。 （ 6）开关磁阻发电机系统 开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心。 开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。风力机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳， 就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合， 通过对发电系统的
34、控制，使风力机工作在最佳功率负载线上，开关磁阻发电机本身也具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点。与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温（ 250C）和高速（ 30000r/min）环境运行以及大容量、高效率、高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、 周期性变化， 没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组间
35、无电耦合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。 总之，通过以上的对比分析，可知： 如果将风力机和发电机直接耦合，省去变速箱，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免齿轮箱漏油的问题。 风力发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件较差，而电机大多是密闭结构，靠外壳故热， 因此要求发电机耐高温性能好， 开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势。 交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统的变频器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案适用于小容量的风力发电系统。 交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统
36、可在亚同步和超同步状态下运行，因而具有更宽的风速运行范围。 无刷双馈电机省去了滑环和电刷，结构简单，坚固可靠。在转子转速变化的条件下，通过控制励磁绕组的励磁电流频率来确保发电机输出电流的频率保持在 50Hz 不变，非常适用于风力发电系统，是当今世界风力发电的发展趋势。 这几种变速恒频系统的性能对比分析见表 4 所示。 表 4 几种变速恒频方案的对比分析 Tab.4 Several scheme of variable-speed constant frequency 三、电力电子变流器系统 由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的 6 种风力发电系统结构如图 5 所示。下面对图 5中的风力发电系
37、统结构加以简单说明。 图 a 是二十世纪八十年代到九十年代被很多风机制造商应用的比较传统的结构， 如使用鼠笼型转子的异步发电机的上风式、失速调节、三桨叶风力机就是这种结构。在八十年代这种结构被扩展，为补偿无功功率使用了电容器组，为平滑并网使用了电机软起动器。 图 b 是用全程范围或 “低风速区域 ”大小的变频器代替了图 a 中的电容器组和电机软起动器。“低风速区域 ”大小的变频器的功率仅为发电机额定功率的 20-30，而全程范围的变频器功率大约为发电机额定功率的 120，但它能使风力发电机在所有风速下变速运行。 图 c 这种结构是二十世纪九十年代中期， Vestas 风力机厂生产的名为 “Op
38、tislip”风力机所采用的结构。这种结构的基本思想是利用电力电子变换器改变外部的转子电阻，来改变总的转子电阻，从而使转差率有 10的变化范围。控制了转差率也就控制了系统的输出功率。 图 d 这种结构使用双馈异步发电机，用变频器直接控制转子绕组里的电流。用功率为发电机额定功率的 20-30电力电子变换器，即可控制整个的发电机输出功率。有两个原因促使这种结构得到广泛应用： 1）较图 c 的结构有更宽的调速范围； 2）较全功率变换器更经济。 图 e 这种个功率控制结构的典型应用是在航海船只上作为电源。无齿轮箱，通过两个或三个叶片的上风式风力机与永磁发电机相连，发出的电能经整流器给蓄电池充电。这种结
39、构的风力机也可以应用于家庭风电系统或混合风电系统，这时风力机一般大于 1kW 小于 20kW。ABB 公司在 2000 年利用这种结构提出一个新的设想：用多极 3. 5MW 永磁发电机发出电能后经二极管整流器产生 21kV 直流电，然后经高压直流输电并入电网。因此可以这种结构将是世界风力发电的发展的另一个趋势。 图 f 这种结构使用多极的绕线式同步发电机。由于它使用的是多极发电机，所以它不需要齿轮箱。它是通过整流器从电机外部来励磁的。与前几种结构相比。这种结构吸引力不大是由于三种原因： 1）需要励磁电路； 2）需要滑环； 3）风力机更加复杂的保护策略。 目前，电力电子变流装置很多，表 5 列出
40、应用于风力发电的六种典型电气拓扑的发展现状。 风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程， 其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。目前国内对风力发电技术研究较深入的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研究所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等。 什么是新概念型风能转换系统 来源:国际能源网 发布日期:2006-08-26
41、 15:35 新概念型风能转换系统 innovative wind energy conversion system 区别于传统的水平轴风力机和垂直轴风力机的风能转换系统。它的特点是通过较小的风轮扫掠面积来收集较多的风能，以提高有效的风功率密度。目前新概念型风能转换系统尚处在研究阶段，主要有可变几何型直叶片垂直轴风力机、环量控制型直叶片垂直轴风力机、扩压型风能装置、扩压引射型风能装置、旋风型风能装置等。 风力发电基础知识 发布时间：2007-4-23 13:50:28 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系
42、统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。 太阳能发电是指将太阳能转换成电能，即直接将太阳光能转换电能的发电方式，光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辅射能， 并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳光发电的主流。 风力发电存在着无风时（尤其是夏季白天长夜间短，太阳光强季节）不发电的问题，太阳能发电也存在着无阳光时（尤其是冬季白天短夜间长，北风大的季节）不发电的问题，如果能把风力发电、太阳能发电结合在一起互补发电就解决了这个问题，实现了 365 天连续供电。 风能和太阳能的利用和发展已有三千多年的历史，是一门古老而又年青的科学、实用而又和生活
43、关系密切的科学、可再生而又能保护环境的科学、现时而又可持续发展的科学、一次投资多年受益的项目。在众多新能源领域中，风力发电和太阳能发电的开发和利用被首当其冲优先发展，是当今国际上的一大热点，因为风电和光电的利用，不用开采、不用运输、不用排放垃圾、没有环境污染的技术，是保护我们的地球，造福子孙后代的百年大计工程。 风力发电和太阳能发电从生产到回收处理的整个过程都不产生任何污染，它既可以增加电力供应，又可以减少燃料带来的环境污染，从而起到保护地球生态环境的作用，是真正的绿色能源。以 2000 年为例，我国年风力发电总量为 7.01GW，代替火电可直接节约标准煤278800 吨，减少 SO2 的排放
44、 MSO2 为 5668.5 吨，减少 CO2 的排放 MCO2 为 718653吨，减少 NOX 的排放 MNOX 为 8986 吨，减少飘尘排量 MTSP 为 251 吨，节水 12.8 亿吨。而且由于其减少空气污染而带来的间接效益则更是巨大。 二、市场前景 在宇宙间风的能量是巨大的，他大大超过水的能量，也大于液体和固体燃料能量的总和，世界著名科学家计算， 全世界每年所燃烧煤的总量只有风力在一年之内提供能量的 1/3000 ，国际气象组织（ WMO ）提出，风的储量为 3 10 17 KW ，其中可利用的风能总量为 2 10 10 KW 。我国的风能资源和太阳能资源在世界排第三位，陆地表面
45、可利用的风能资源总量有 2.53 亿千瓦， 东南沿海的有效风能密度 200W/m 2 ，沿海岛屿的有效风能密度300W/m 2 以上，有效风能利用时间长达 6000h 以上。东北三省及内蒙地区，有效风能密度在 200-300W/m 2 ，有效风力持续时间全年在 4000 小时以上，每 m 2 有效发电量达245KWh 以上。到 2004 年，风力发电提供的电力占其国家总发电量的比例约分别为：美国10、德国 8、丹麦 10、荷兰 10、瑞典 10、而我国 1还不到， 按照国外经济发达国家风电占国家电网总量的 10 计算，我国可开发风电容量将达到 0.253 亿千瓦，每年可发电 506 亿千瓦小时
46、，可节省标准煤 300 亿吨。可大大减少环境污染，给人民生活提供一个更加绿色的生活家园。 大家都知道，常规能源煤、石油只能越开采越少，越来越紧张，开采越的越快，减少越快，对地球生态环境污染越严重，所以，世界各国都在寻找一种可替带常规能源，对环境无污染的可持续发展的新能源，风能 /太阳能新能源被首先列入开发计划。 测定风向 编辑：admin 浏览次数：11 发布时间：2007-3-15 10:14:58 气象上把风吹来的方向确定为风的方向。因此，风来自北方叫做北风，风来自南方叫做南风。气象台站预报风时，当风向在某个方位左右摆动而不能肯定时，则加以 “ 偏 ” 字，如偏北风。当风力很小时，则采用
47、“ 风向不定 ” 来说明。 风向的测量单位，我们用方位来表示。如陆地上，一般用 16 个方位表示，海上多用 36 个方位表示；在高空则用角度表示。用角度表示风向，是把圆周分成 360 度，北风 (N) 是 0 度 ( 即 360 度 ) ，东风 (E) 是 90 度，南风 (S) 是 180 度，西风 (W) 是 270 度，其余的风向都可以由此计算出来。 为了表示某个方向的风出现的频率，通常用风向频率这个量，它是指一年 ( 月 ) 内某方向风出现的次数和各方向风出现的总次数的百分比，即：风向频率某风向出现次数 / 风向的总观测次数 x100% 。 由计算出来的风向频率，可以知道某一地区哪种风
48、向比较多，哪种风向最少。根据观测发现，我国华北、长江流域、华南及沿海地区的冬季多刮偏北风 ( 北风、东北风、西北风 ) ，夏季多刮偏南风 ( 南风、东南风、西南风 ) 。 怎样利用风力来发电呢 ? 我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮 (包括尾舵 )、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只 (或更多只 )螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料 (如碳纤维 )来制造。 由于风轮的
49、转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。 铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在 6-20 米范围内。 发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。 多大的风力才可以发电呢 ? 一般说来， 3 级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒 4 米才适宜于发电。据测定，一台 55 千瓦的风力发电机组，当风速每秒为 9.5 米时，机组的输出功率为 55千瓦；当风速每秒 8 米时，功率为 38 千瓦；风速每秒为 6 米时，只有 16 千瓦；而风速为每秒5 米时，仅为 9.5 千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。 在我国，现在
