新能源风力发电技术基础知识

新能源风力发电技术基础知识

风力大点技术是把风能转变为电能的技术。通过风力发电机实现，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，来促使发电机发电。人类对于风能的开发利用也很早就开始了。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。如今在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。

风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。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。风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。塔架是

风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。

风轮叶片是风力机最重要的部件之一，其平面和剖面几何形状与风力机空气动力特性密切相关。目前，水平轴风力机叶片一般为2 片或3 片。两叶片风轮的制造成本较低，但叶片几何形状及风轮旋转速度相同时，两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比较高、由脉动载荷引起的风轮轴向力变化也较大。三叶片风轮由于外形整体对称，旋转速度较低、噪声相对较小，更易于为大众接受，故目前三叶片风轮居多。风轮叶片在空气动力作用下主要产生两种力：升力推动风力机旋转进行有效工作，阻力形成对风轮叶片的正面压力。

通常笼型异步发电机，其定子由铁芯和定子绕组构成，转子为笼型结构，转子铁芯由硅钢片叠成。其转子无需外加励磁，没有集电环和电刷，结构简单、运行可靠、价格便宜且并网容易。由于是定速恒频机组，转速基本不变，风力发电机组运行在最佳Cp下的概率较小，因而其发电能力比后述的两种机型低。该类型机组运行时，从电力系统吸收无功功率，为满足电网对风电场功率因数的要求，多在机端并联补偿电容器。由于风速随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能常运行在额定风速下，为充分利用低风速时的风能，

增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。其极对数可改变，运行方式有高转速大容量和低转速小容量两种。

单机容量增大。目前世界上最大风电机组的单机容量达到了 6 MW，叶轮直径127 m，8～l0 MW的风电机组也已在设计开发中。由于风电机组设备的大型化尚未出现技术限制，其单机容量将继续增大。传动系统设计不断创新。从中长期看，直驱式和半直驱式传动系统在特大型风力机中所占比例将日趋提高。传动系统采用集成化设计和紧凑型结构是未来特大型风力机的发展趋势。叶片技术不断改进。对于2 MW 以下风力机，通常采用增加塔筒高度和叶片长度来提高发电量，但对于更大容量的风电机组，这两项措施可能会大幅增加运输和吊装的难度及成本。为此，开发高效叶片越来越受到重视。另外，特大型风力机叶片长，运输困难，分段式叶片是个很好的解决方案，而解决两段叶片接合处的刚性断裂问题则成为技术关键。变速变桨距风电机组占主导地位。变桨距功率调节方式具有系统柔性好、调节平稳、发电量大的优点，这种调节方式将逐渐取代失速功率调节方式。变速恒频方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度地利用风能，提高发电量，已逐渐取代恒速恒频调节方式。

开发新型风力发电机。无刷交流双馈异步发电机除了具有交流双馈异步发电机的优点外，还因省去电刷和滑环而具有结构简单可靠、基本上免维护的优点［2］。高压同步发电机的特点是输出电压高达

10～40 kV，因而可省去变压器而直接与电网连接，并采用高压直流输电；其转子采用多极永磁励磁，可直接与风力机轴相联，省去了齿轮箱。开发建设海上风力发电项目。海上风电场成为新的大型风电机组的应用领域。海上风电技术发展的焦点是大容量风电机组，特别是大容量轻质量机舱装备的生产技术、大尺寸叶片的制造技术和先进的合成工艺技术、近海风电场基础的设计安装和维护技术等。开发应用混合型塔架（混凝土+金属结构）。当塔架底部钢管直径超过4m 时，其运输难度明显加大、造价明显提高，故80 m 以上高度被认为是钢制塔架的极限。为此，国外在陆地上安装80m 以上塔架时，多采用混合型塔架。目前的混合型塔架造价仍然较高，仅在钢制塔架极限高度以上才具有经济性，因而尚在继续改进不断完善之中。