[科普中国]-风力发电机组

简介

风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成；风力发电机组包括风轮、发电机；风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成；它有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。风速选择：低风速风力发电机能有效提升风力发电机在低风速区域的风能利用，在年平均风速小于3.5m/s,且无台风的地区，推荐选用低风速产品。

风力发电机组进行发电时，都要保证输出电频率恒定。这无论对于风机并网发电还是风光互补发电都非常必要。 要保证风电的频率恒定，一种方式就是保证发电机的恒定转速，即恒速恒频的运行方式，因为发电机由风力机经过传动装置进行驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这种方式会影响到风能的转换效率；另一种方式就是发电机转速随风速变化，通过其它的手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行。风力机的风能利用系数跟叶尖速比(叶轮尖的线速与风速的比值)有关，存在某一确定的叶尖速比，使Cp达到最大值。因此，在变速恒频运行方式下，风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。因此风力发电机组经常用变速恒频法保证输出频率恒定1。

背景近年来，全球可再生能源利用年增长率达到25%．可再生能源的利用将以电力行业为主导，非水力可再生能源的发电比例将扩大两倍。据统计，2002年可再生能源的消费虽约14亿t油当量，2030年将超过22亿t油当量。风能发电作为除水力发电外技术最成熟的一种可再生能源发电，其装机容量占整个可再生能源发电装机总容员的绝大部分。但是电力电子器件性能的限制，给大容量风电机组的研制及应用造成了一定的瓶颈。

随着大功串的电力电子器件和能源存储设备的进一步发展，风力发电在总投资或发电费用上可与常规能源相竞争，风力发电技术也会得到更大的发展。

此外，随着风电场的容量不断增加，当电网电压发生跌落时，保证风电机组不脱网运行、维持区域电网的稳定显得更加重要。随着大功率的电力电子器件及其控制技术的发展，目前风电机组所面临的低电压穿越问题将能得到很好的解决。

风力发电机组按照主传动链结构形式可以分为具有多级升速齿轮箱的双馈式风力发电机组、无升速齿轮箱的直驱式风力发电机组和具有一级升速齿轮箱的半直驱式风力发电机组s而按照风力发电机组转速调节方式可分为值速恒领风力发电机组和变速恒频风力发电机组。变速恒频风力发电机组由于具有较高的风能利用效率，目前已成为风力发电中的主流机型1。

小型风力发电机组结构小型风力发电机组，虽然种类很多．但其结构大致可分为两大部分。其中机械部分包括：风轮、传动机构、限速或调速机构、刹车机构、机座回转体塔架等；电器部分包括：发电机、配电盒或控制器、蓄电池、逆变器等。各部分的功能简介如下：

风轮 风轮是风力发电机组的能量转换装置，它的作用是将风朗转换为机械能，利用风轮的转动，带动发电机发电。风轮是风力机的重要构件，主要由叶片、叶柄、轮级三部分组成。

传动装量 介于风轮与发电机之间的变速机构。其作用是改变传动方向和变速之用。对于百瓦级微小型风力发电机组来说，由于发电机均采用低速发电机，所以，一般省去了传动装置，风轮与发电机之间采用直接连接。

限速机构和调速机构 风力机工作环境比较恶劣，受自然风况影响较大，有时要受到突发性阵风或强风的吹袭。为了保证风力机安全可靠地运转，并使风轮在一个限定的转速范围内工作，就需要设置必要的调速和限速机构。常见的调速机构有离心变矩、风轮侧偏、机头侧仰、气动阻尼、风轮偏心、配重尾翼等形式。

机座回转体 机座回转体结构非常简单，但却是风力机的重要构件之一，其作用是文撑整个机头(风轮与发电机等)，并使其在塔架上端自由回转。

调向机构 其作用是使风轮叶面总保持与来风处于垂直状态，从而使风帆获得最大的风能，以实现最大的功率输出。高速螺旋桨式风力机按风轮与来风所处的空间位置分为上风式(亦称迎风式)、下风式(亦称背风式)两种。

塔架 一般分为悬架式、简式和独杆拉索式。百瓦级小型风力发电机大都采用独杆拉索式。

发电机 发电机是整个风力发电系统的做功装置。它的作用是将机能转换成电能。常用的发电机有直流发电机、硅整流发电机。硅整流发电机又有永磁式与激磁式之分。硅整流发电机与直流发电机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、低速充电性能好等特点。

配电盒或控制器 配电盒或控制器是风力发电机组维持向外正常供电不可缺少的部件。对风力发电机组来说，由于自然风时大时小，成时有时无，不能用发电机直接向用电设备供电，而必须与蓄电池共同使用才能保证输出电压稳定。对蓄电池来说，过充电或过放电都会降低其使用寿命。因此，配电盒中必须具有必要的保护装置，以保证发电机组的正常使用。

蓄电池 蓄电池在风力发电机组中，既是储能装置，又起稳定输出电压的双重作用。按电解质的不同，可分为酸性蓄电他、碱性蓄电池两类。常用的有铅酸蓄电池、铁镍电池、锡镍电池。

逆变器 逆变器是一种将直流电转换成交流电的装置。微小型风力发电机组输出电压一般有12v、24V、36v，只能供相应电压的直流用电器使用，而目前大多的家用电器如：电视机、洗衣机、电冰箱、电动机等都使用220V交流电。因此，必须使用逆变器将直流电变换成交流电，以供家电使用2。

分类和特点恒速恒频风力发电机组

恒速恒频风力发电机组主要分为笼型感应发电机恒速恒频风力发电机组和电励磁同步发电机恒速恒频风力发电机组．

具有以下特点：

(l)机组结构简单，适合在野外环境工作；

(2)由于转速不变．无法进行最大功率点跟踪控制，发电效率降低；·

(3)当风速快速升高时，由于转速不变，风能将通过浆叶传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，从而引起这些部件疲劳损坏。该类型风力发电机组由于在低风速区域效率低，主要应用于小功率、机组容量低于600kw的系统。

恒速恒频风力发电机组在正常发电过程中，发电机定子绕组直接接入电网，其转速由电网频率确定．风力发电机组的转速在整个运行风速范围内保持恒定。

其优点是：

不需要采用大功率全控开关器件进行变频控制，降低整个机组的成本和控制复杂程度；

缺点是：

整个风力发电机组的转速恒定，使得机组在低风速区间内不能以员位叶尖转速比运行，造成低风速区间内的能量损失1。

变速恒频风力发电机组

变速恒频风力发电机组由于其转速能随着风速的变化而变化．可以保证机组在低风速区域获得最大的风能利用串．其效率比恒速恒频风力发电机组高很多。

目前，变速恒频风力发电机组主要分为双馈异步风力发电机组、永磁直驱风力发电机组和电励磁同步半直驱风力发电机组。目的，双馈异步风力发电机组为变速桓频风力发电机组中的主流机型。

变速恒频风力发电机组在正常运行过程中，其转速随着风速变化。

其优点是：

在额定转速以下，风力发电机组的转速跟随风速变化，保证机组运行在最佳叶尖转速比点，使机组在低风速区间内获得最大风能利用率；

其缺点是：

由于电网频率基本不变，而机组的转速在一定范围内变化，这就要求在发电机与电网之间增加全控变流器．以实现电网频率与发电机转速之间的解耦控制，因此，风力发电机组的成本和控制复杂程度会相应增大。

由于风电场一年内大部分时间段的风速都在额定风速以下，提高额定风速以下风力发电机组的风能利用效率是提高机组年发电虽的关键因素。另外，大功率的全控电力电子器件的出现，使得现代风力发电机组大都采用变速恒频风力发电机组1。

小型风力发电机组的维修与保养在远离电网或缺电地区，小型风力发电机组得到迅速推广。目前，广大用户感到缺乏机组的继修和保养知识，这里就向大家介绍一下这方面的知识。

风力发电机组包括风轮、转向装置、发电机、蓄电池、充放电控制器、塔架及其他附件。机组的保养可分为一级保养、二级保养和三级保养(即一保、二保、三保)。

一保，就是很快地排除巳发现的故障，快速及时地更换或者修复一些损坏的零部件，这对延长机组的使用寿命是极为重要的一环。

二保，是指机组运行一年左右。要拆卸风叶，转向装置等部件，把油灰清洗干净，零部件若有损毁，进行更换或修复，并结各个轴承以及活动部分，都要加入适量钙基润滑油(黄油)，

三保，是指机组运行三至五年，要进行一次全面检查相继护，零部件若有损毁，要进行更换或修复3。

优势由于风电属于新能源范畴，无论是成本还是技术同传统的火电、水电相比还有较大的差距，因而风电的快速发展需要国家政策的大力扶持。纵观风电发展迅速的国家如德国、西班牙、印度，无一例外地都给予风电产业巨大的政策优惠。中国对风电的政策支持由来已久，力度也越来越大，政策支持的对象也由过去的注重发电转向了注重扶持国内风电设备制造。国家的政策支持将是风电设备制造业迅猛发展的根本保障，随着中国国产风机设备的自主制造能力不断加强，国家的政策支持力度也将越来越大，风电设备制造业面临难得的历史发展机遇。

中国正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。另外，除了风电设备整机需求不断增加之外，叶片、齿轮箱、大型轴承、电控等风电设备零部件的供给能力仍不能完全满足需求，市场增长潜力巨大。因此中国风电设备制造业景气持续。1

现状近年来，新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。2006年全球风电资金中9%投向了中国，总额达16.2亿欧元（约162.7亿元人民币）。2007年，中国风电装机容量已排名世界第五。

《中国风力发电机组全景评估与发展趋势研究报告》分析中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业合资的方式，生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2.53亿千瓦。近5年来，世界风能市场每年都以40%的速度增长。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。现在，风能发电成本已经下降到1980年的1/5。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。随着电力行业竞争的不断加剧，国内优秀的电力企业越来越重视对行业市场的研究，特别是产业环境的深度研究。

随着风电产业近年来的快速发展，目前国内大型风力发电机组制造技术已经趋向成熟，而作为风电机组的核心技术，风电机组控制技术被国外垄断；同时，由于风力发电电能质量差，风电场并网问题已经成为了制约风电发展的又一大瓶颈，解决大规模风电并网问题迫在眉睫。

本项目旨在对制约我国风电发展的风电机组控制系统控制和风电场并网两大技术领域进行研究，研制出自主知识产权的2.0MW风电机组主控、变桨距、变流系统；搭建控制系统仿真试验平台以及变流器全功率试验平台。开发出风电场并网全动态无功补偿装置，有效解决风电并网电能质量问题，搭建风电场并网全动态无功补偿装置试验平台。同时开发出风电机组在线监测与故障诊断系统为风电机组的安全运行提供保障4。

发展据《2013-2017年中国风力发电机组行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据显示，2012年5月各发电机组类型发电量情况：按发电机组类型来看：水电发电量2226亿千瓦时，同比增长7.8%，由于河流来水较好，增速已明显回升；火电发电量15776亿千瓦时，同比增长4.1%，增速继续回落；核电发电量394亿千瓦时，同比增长12.5%，增速低于上年同期；风力发电量424亿千瓦时，同比增长24.2%，仍维持较快增长。

2012年12月各发电机组类型发电量情况：按发电机组类型来看：

水电发电量8641亿千瓦时，同比增长29.3%，全年实现大幅增长；

火电发电量39108亿千瓦时，同比增长0.3%，实现微幅增长；

核电发电量982亿千瓦时，同比增长12.6%，增速低于去年；风力发电量1004亿千瓦时，同比增长35.5%，维持较快增长4。

安装选址风速及风向的变化对风力发电机的发电量有着较大的影响，通常，塔架越高，风速越大，气流越平稳，发电量越大。因此风力发电机的选址应慎重考虑，每一次安装都不同，而且要考虑塔筒高、电池组的距离、当地规划要求以及建筑和树木这些障碍物等因素。风机安装与选址具体要求如下：

风力发电机组推荐的最小塔高是8米或距离障碍物5米以上安装范围中心的100m范围之内尽量没有障碍物；

相邻两台风机的安装应保持在8~10倍风轮直径的距离；风机选址应避开紊流。选择年平均风速较大的地区，具有较稳定的盛行风向，且风速的日变化与季变化小；

风机高度范围内的垂直方向的风速切变要小；选择尽可能少的自然灾害的地方；

选择安装位置时安全是首要关注的。因此，即使是在一个风速资源较不理想的地方安装风力发电机，安装时风轮叶片不得旋转5。