[科普中国]-风能转换系统

风能转换系统概述

风能转换系统(WECS)是将风能转化为电能，其主要部件是风力发电机。风力发电机通过多传动比齿轮箱连接到发电机，在WECS中通常使用感应式发电机。风力发电机组的主要组成部分有机塔、转子和机舱，机舱内有传动装置和发电机，转子可能有两个或两个以上的叶片。风力发电机通过桨叶捕集风的动能，然后通过齿轮箱把能量传递到感应发电机侧。风力发电机驱动发电机轴产生电力。齿轮箱的作用是将风力发电机较慢的转速转换成感应发电机侧较高的转速。利用监测计量、控制和保护技术，将发电机输出的电压和频率维持在规定的范围内。风力发电机为水平轴结构或垂直轴结构。在20世纪90年代中期之前，WECS的商用风力发电机的平均容量为300kW，而近期，已开发出容量高达5MW的风力发电机并安装应用。2

风能转换系统的种类一般说来，几乎任何一种能在气流中产生不对称力的物理构形，都能作为风能收集装置产生旋转、平移或摆动等机械运动效果，进而发出可用机械功。各类装置的生命力主要受成本和收益两者权衡结果的限制。以旋转运动为特征的风能转换系统，根据其风能收集装置的结构形式及其空间布置，一般统分为水平轴设计和垂直轴设计两大类。以风轮作为风能收集装置的常规风能转换系统，按风轮转轴相对于气流方向的布置可分为水平轴型(转轴平行于气流)、侧风式水平轴型(转轴平行于地面、垂直干气流)和垂直轴型(转轴同时垂直于地面和气流)。从广义上讲，风能转换系统还包括那些利用风能产生平移运动的装置，例如风帆船和我国古代发明之一的加帆手推车都属此类。无论何种风能转换系统，不外乎由风能收集装置、控融机构、传动和支承部件等组成。近代风能转换系统则还包括发电、蓄能等辅助系统。3

2．3．1水平轴风力机
水平轴风能转换系统的旋转轴为平行于地面的水平轴，和空气来流方向也接近平行，大多数商业化风力机都属于这一类型。水平轴风能转换系统有许多显著的优点，例如，低切人风速以及易于过载时切出保护等。通常，水平轴风能转换系统具有相对较高的功率系数。然而，需要把水平轴风能转换系统的发电机和齿轮箱置于塔架上方，使其设计更加复杂与昂贵。水平轴风能转换系统的另外一个缺点是需要使用尾翼或者偏航系统来使风力机对风。根据叶片数目的多少，水平轴风能转换系统可以进一步分为单叶片、双叶片、三叶片以及多叶片类型，如图1所示。单叶片机组由于节省叶片材料，成本较低，风阻损失也最小。但是，必须在轮毂的对面增加相应的配重，以平衡叶片。单叶片设计由于平衡性以及人们视觉认可性的问题应用不是很广泛。双叶片机组也有类似的平衡缺陷，但是严重程度比单叶片机组要轻。目前，大多数商业化的风力发电机组都是三叶片机组。由于其空气动力荷载相对一致，三叶片机组更稳定。多叶片机组(6叶片、8叶片、12叶片、18叶片甚至更多)也有应用。4

垂直轴设计由图2可见，垂直轴风能转换系统的旋转轴垂直于地面，和空气来流方向也接近垂直。垂直轴风力机可以接受各个方向的风，因此不需要复杂的偏航装置。这类系统的发电机和齿轮箱也可以置于地面上，由此，塔架设计更加简单经济。此外，垂直轴风力机的维护工作可以在地面进行。当采用同步发电机时，这类风力机不需要变桨控制系统。

垂直轴风能转换系统的主要缺点是不能自起动，一旦停止，需要额外系统施加推力来起动它。当叶轮旋转一周时，叶片不得不经过一些空气动力死区，因此导致系统效率不高。如果控制不当，叶片可能会超速危险运行导致系统损坏。而且，需要使用张紧的拉索来固定塔架结构，这在实际应用上存在困难。下面讨论一些主要的垂直
轴设计形式的特点。4

风能转换系统的效率影响因素对任何风能项目而言，为了项目的有效规划和成功实施，了解风能转换系统在预期场址的性能是其中的关键。影响一个风能转换系统输出功率的主要因素有：

①风场盛行风频谱的强度及其对风力机的可利用性；

②叶轮将风中能量转换为机械轴功的空气动力效率；

③将能量调节、传输和升压到预期形式的电效率。因此，评估一个风能转换系统的性能是相当复杂的一个流程。5

新概念型风能转换系统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、扩压一引射型风能装置、旋风型风能装置等。

(1)风力机的变桨距调节

变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于0°附近，不做变化，近似等同于定桨距调节。在额定风速以上时，变桨距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附近。变桨距风力机的启动速度较定桨距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。由于变桨距调节风力机受到的冲击较之其他风力机要小得多，可减少材料使用率，降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比失速调节型风力机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。变距调节的另外一个优点是：当风速达到一定值时，失速型风力机必须停机，而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置，避免停机，增加风力机发电量。 6

(2)变速恒频风力发电机

变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，但它却具有异步机和同步机的某些特性。交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速。阻频．还可以实现有功、无功功率控制，对电网而言还能起无功补偿的作用。交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有功、无功功率的独立调节。6