风力电机分类及特点

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30～50％电机同步转速到额定转速。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。
水平轴HAWT, 美国多叶片
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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。
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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。
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变速型风电机
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）
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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。
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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
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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。
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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
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去除齿轮箱，直接驱动的理由：
1 FD CD [ (U r )2 A] 2
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）
• 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。
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E112图片
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The drive train 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 suitable for a weak grid and also enables operation in a stand-alone mode.
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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。 27
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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。
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。
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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
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 ρ •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 4
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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3~25m/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P>30%的额定功率时，效率>90%； — 但P<25%的额定功率时，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
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。
1 1 2 2 p1 U1 p2 U 2 2 2
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升力型风力机
水平轴HAWT, 丹麦理念
上风向恒转速风轮、
失速功率控制、
叶尖气动刹车＋机械刹车
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升力型风力机
垂直轴风力机VAWT, 达里厄Darrieus
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升力型风力机
型。
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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。
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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。
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垂直轴风电机－Darrieus 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
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
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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
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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：
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古波斯的风力机

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阻力型风力机
1922年，芬兰工程 师 S. J. Savonius发 明了 Savonious风机
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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。