1、风力发电机分类及特点,风力发电机结构分类及特点,按叶片受力效应分类按风轮转轴布置方式分类按风轮位置分类按风电机的功率控制方式分类按风轮转速分类按传动机构分类按发电机分类按并网方式分类,叶片受力特点,升力型和阻力型风力机风会对切割它移动方向上的任意面积A 形成一个力，这个力就是阻力。阻力型机器利用阻力产生动力。,阻力型风力机,阻力与下面的参数成比例关系：相对风速的平方 投影面积 A 该物体的阻力系数 CD 空气密度 ,阻力系数CD (D是英语里“阻力”Drag的第一个字母，Cw是Wiederstand阻力； Auftrieb浮力 ) 。这个值是用来表示某个物体对空气形成阻力的大小的，可以在风洞里
2、进行测定。CD值越小，空气阻力也就越小。比如一个圆盘横向对风的 CD值大约是1.11，而方盘大约是1.10，球体大约是0.45。在汽车工业中，工程师们都在研究如何将汽车的CD值变的更小，这样汽车在行进时的阻力就会最小化。比如丰田的Prius的 CD值是0.26，而大众的Golf CD是0.325,阻力型风力机,风杯风速仪也是利用阻力原理来实现的。风杯风速计上风杯的CD-值分别是1.33和0.33（迎风时和背风时）。风杯迎风时的阻力要比背风时的阻力大很多，所以风杯风速计才会迎风旋转。通过阻力定律来运动的转子无法转动的比风速更快（增速值小于1），属于亚风速转子。这种转子能量损失较大，功率系数（流体
3、动力学上的作用参数）非常小。（波斯风车大概0.17，风杯风速计大概0.08）,古波斯的风力机,阻力型风力机,1922年，芬兰工程师 S. J. Savonius发明了 Savonious风机,升力型风力机,根据伯努利方程，在同一高度上，叶片的底面或者顶面的动态压力和静态压力和平衡。由于顶端的空气流动比底端的快，从而使顶端产生低压，而底部产生高压：这就是飞机飞行的原理，也是风电机叶片转动的原理。升力的大小跟风速 的平方、作用面积 、空气密度 以及升力参数 成正比。,升力型风力机,上风向恒转速风轮、失速功率控制、叶尖气动刹车机械刹车,水平轴HAWT, 丹麦理念,升力型风力机 垂直轴风力机VAWT,
4、 达里厄Darrieus,升力型风力机水平轴HAWT, 美国多叶片,按风轮转轴布置方式分类,水平轴风电机：从古到今都是最流行、最为广泛采用风力机形式。垂直轴风电机：30年代初法国人Darrieus发明的拳曲成形的立轴风轮，利用翼型的升力产生转矩。（无法自启动，达到确定的高尖速比时产生正的力矩。）唯一成功的制造者美国的Flowind，大约700台17米和19米风电机。最大功率系数对应尖速比较小且范围窄。,水平轴风电机,空气流速平行于风轮轴，叶片受交变应力作用，受疲劳载荷。特点：水平轴的风轮实度比较小，单位千瓦的塔架费用较低。风轮扫掠面在远离地面的塔架顶端，增加发电量。,垂直轴风电机Darrieu
5、s machine,优点： 1) 发电机、齿轮箱可以放置在地面，便于维护。无需塔架支撑机舱。2) 无需偏航机构对风。3) 叶片可以做成等弦长、无扭转角，便于机械化生产 缺点：1)风轮接近地面，风轮周围的风速不高。 2) 风电机的总体效率不突出（0.4），最大0.56（不能自启动）。3)风电机不能自持（需要拉线等固定）,按风轮位置分类,上风向风电机 ：风轮在塔架上风向，避免了塔影效应的影响，以及由此产生的节奏噪音。 需准确估计叶片运行中的变形量，风轮需要坚固一些，且距离塔架一定的距离。此外上风向风电机需要一套偏航机构用于对风。,下风向风电机,风轮在塔架的下风向，理论优点是无需偏航机构。风轮离心力
6、抵消了部分叶片弯曲应力。塔影效应产生噪声和叶片疲劳应力，可能影响发电机的波形。美国windpower内蒙朱日和风电场,按风电机的功率控制方式分类, 失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率； 变桨型：高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。按风轮转速分类：,按风轮转速分类,定速型风电机: 控制简单，但不能最大限度获得风能。主要问题： 定桨距机组在低风速运行时的效率较低由于转速恒定，而风速变化（如运行风速范围为325m/s）；如果设计低风速时效率过高，叶片会过早失速。 发电机本身在低负荷时的效率问题 当P30%的额定功率时，效率90%； 但P25%的额定
7、功率时，效率将急剧下降。解决办法：两速运行和变速运行。变速型风电机,变速型风电机,1）双速运行将发电机分别设计成4极和6极。一般6极发电机的额定功率设计成4极发电机的1/4到1/5。如600Kw机组： 6极150Kw，4极 600Kw特点：叶轮和发电机在低风速段的效率提高；与变桨距机组在额定功率前的功率曲线差别缩小。,变速型风电机,优点： 在低风速段，改变叶轮转速保持最佳尖速比； 叶轮的低速运行降低了噪声； 叶轮像飞轮一样，调节气动扭矩的波动，使之平稳传给传动系； 两种变速方式： 宽幅变速：叶轮转速从0到额定转速，发电机定子通过变流器与电网连接。 窄幅变速：叶轮转速从3050电机同步转速到额定
8、转速。发电机定子直接连接电网，转子通过滑环和变流器与电网连接。,按动力传动结构分类,齿轮箱增速型 使用齿轮箱连接低速风轮和高速发电机，减小发电机体积。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机；（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）直驱型风轮直接联接发电机，避免齿轮箱故障。直接连接低速风力机和低速发电机。混合型一级齿轮增速-发电机,去除齿轮箱，直接驱动的理由： 由齿轮箱引起的风电机组故障率高； 齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染； 系统的噪声大，效率低，寿命短。直驱带来的问题： 发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大； 全功率整流逆变，变流器成本高。,E112图片,The drive train
9、of the WWD-1 wind turbine consists of a single-stage planetary gear and a low-speed synchronous generator. The concept combines the reliability of a direct drive and the compactness of a gear system. Low rotational speed together with precise dimensioning ensures reliability. The solution is suitabl
10、e for a weak grid and also enables operation in a stand-alone mode.,按发电机分类,风力发电机中使用的发电机通常有两种： 同步电机：定速机组较少采用 异步电机：定速机组较多采用 从动力学的角度看，同步电机可以看作一个扭转弹簧：弹性扭矩正比于转子磁场和静子磁场的角度差。异步电机可看作一个扭转阻尼器：阻尼扭矩正比于转子磁场和静子磁场的转速差。 在周期性的气动扭矩的作用，传动系要求较大的阻尼。因此定速风力发电机更多地使用异步发电机而不是同步发电机。,异步风力发电机系统的特点优点：（1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调
11、节，其高频分量由RCC调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率;（2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的动能，提高风能利用率；（3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺点：旋转电力电子开关电路检修、更换困难。,发展同步发电机的必要性： 同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。 近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。,发展趋势：（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内继续成为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。,按并网方式分类： 并网型：并入电网，可省却储能环节。 离网型：一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。,
