1、风力发电的基本原理风能利用与风力发电的历史风力发电机组的类型风力发电机组的基本结构对风力发电机组的性能要求“人类很早就开始使用发电技术了，发电技术是通过某种动力来带动发电机发电。传统的动力来自于水能和热能。利用水轮机将水能转化为电能的称之为水力发电；利用汽轮机将化石燃料产生的蒸汽的热能转化为电能的称之为火力发电。风能也是一种动力，也可以用来发电，我们称之为风力发电。”就目前的技术水平来讲，风力发电的基本原理是：通过风轮把风的动能转化为机械能带动发电机旋转发出电能。风轮 发电机 风能机械能电能 从这个描述可以看出，要实现风能到电能的转变，风力发电设备必须具有如下2个基本要素：风轮发电机风轮的作用
2、是从自然界的风中捕获动能并将其转化为旋转的机械能。发电机的作用是通过电磁感应把旋转的机械能转化为电能供用户使用。人类很早就使用风能了，主要是通过风车来抽水、碾米、磨面以及船舶的助航等。中国、伊拉克、埃及都是较早利用风能的国家。受社会生产力低的影响，直到19世纪，风能的利用一直占有比较重要的地位。蒸汽机的发明与广泛应用，逐渐弱化了风车的作用。风是一种潜力很大的新能源，目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。随着传统能源的日益紧缺，生活环境的不断恶化，人类不得不重视利用风力来发电，开发新能源。利用风力发电的尝试，始于二十世纪之初。第一次世界大战后，丹麦的工程师们根据
3、飞机螺旋桨的原理，就制造出了小型风力发电机组。之后、瑞典、苏联和美国也相继成功地研制了一些小型风力发电装置。这些小型风力发电机，容量大都在5千瓦以下，广泛使用于多风的海岛和偏僻的乡村。中国利用风能发电，始于二十世纪七十年代。当时以微小型风力发电机组为主，单机容量在50500W不等，主要用于满足内蒙、青海等省区牧民的汲水、照明需求。直到二十世纪八十年代，才开始研制“中、大型”风力发电机组。1996年，中国实施“乘风计划”，先后在新疆、内蒙、广东、山东、辽宁、福建、浙江、河北等省区建设了19个风电场。2005年，中华人民共和国可再生能源法的颁布，标志着中国的风力发电事业进入了一个前所未有的发展时代
4、。风力发电机组的分类方法有很多种5.1按照机组的容量可划分为：小型风力发电机组中型风力发电机组大型风力发电机组我公司产品就有1.25MW、2MW、3.6MW3.2 按照机组的运行方式可划分为：离网型风力发电机组并网型风力发电机组3.3 按照机组风轮轴的状态可划分为：垂直轴风力发电机组水平轴风力发电机组近年来，水平轴风力发电机组的应用得到了长足的发展，下面这些分类方法，基本是根据水平轴风力发电机组的技术状况所给出的。3.4 按照机组风轮的叶片数目可划分为：单叶片风力发电机组双叶片风力发电机组三叶片风力发电机组多叶片风力发电机组3.5 按照机组风轮的位置可划分为：上风向风力发电机组下风向风力发电机
5、组3.6 按照机组的控制方式可划分为：定桨距风力发电机组变桨距风力发电机组3.7 按照机组的转速与电能频率的关系可划分为：恒速恒频风力发电机组变速恒频风力发电机组3.8 按照机组驱动链的型式可划分为：直驱型风力发电机组半直驱型风力发电机组传统有齿箱型风力发电机组风力发电机组虽然有很多种分类，但目前占据主导地位的却是“三叶片、水平轴、上风向、变桨、变速、恒频型风力发电机组”。Sewind的产品，就是此种类型。图6-1是这种风力发电机组的机械结构图。电器控制柜 叶轮塔架偏航系统双馈异步发电机齿轮箱高速轴刹车 底架主轴蓄能器主轴承主冷却器 变频器冷却器为风力发电机组的机械结构图齿轮箱是有齿箱风力发电
6、机组的关键部件。齿轮箱在提升风轮转速的同时，还传递来自风轮的功率，承受着巨大的机械载荷。受当代制造技术的制约，齿轮箱是风力发电机组中容易产生故障的主要部件之一。从某种意义上讲，齿轮箱运行的可靠性，直接影响风力发电机组运行的可靠性，影响风力发电机组制造厂商的信誉和品牌。第4部分 风力发电机组的基本结构齿轮箱第4部分 风力发电机组的基本结构传动链齿轮箱国家为风力发电机组的齿轮箱制定了专门的标准：GB/T 190732008 风力发电机组 齿轮箱是该部件的最新标准。该标准在GB/T 190732003基础上进行了修订。国标要求：齿轮箱的机械效率 97%齿轮箱的工作环境温度为 -4050齿轮箱的最高温
7、度 80齿轮箱各轴承间的温度差 15齿轮箱的噪音 85dB(A)齿轮箱的使用寿命（正常情况下）20年齿轮箱的保用期（正常情况下）2年 风轮捕获的能量最终要传递给发电机，由发电机将其转化为电能输出给用户使用。发电机是风力发电机组的核心部件，是机械能传递的终点，也是电能输出的源头。发电机即展现了制造厂商发电设备的辛勤劳动，也关爱着广大用电设备的各种需求。目前大型风力发电机组中的发电机主要有：永磁发电机、同步发电机、异步发电机几种类型。Sewind产品中的双馈异步发电机，就是异步发电机的一种。和风力发电机组一样，发电机也有很多种分类方法。在电力行业，一般习惯于把发电机分为直流发电机和交流发电机两大类
8、。而后者又可分为同步发电机和异步发电机两种。现代发电站中最常用的是同步发电机。这种发电机的特点是由直流励磁，既能提供有功功率，也能提供无功功率，可满足各种负载的需要。异步发电机由于没有独立的励磁绕组，其结构简单，操作方便，但是不能向负载提供无功功率，而且还需要从所接电网中汲取滞后的磁化电流。因此异步发电机运行时必须与其他同步发电机并联，或者并接相当数量的电容器。这限制了异步发电机的应用范围。伴随着风力发电事业的蓬勃发展，MW级以上大型风力发电机组广泛使用双馈感应电机作为发电机。双馈感应电机的转子上也有了独立的绕组，定、转子均可以通交流电。双馈感应电机既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行。
9、当双馈感应电机作为发电机运行时，我们称之为双馈感应发电机（以下简称为双馈发电机）。随着科学技术的不断进步和电力公司对风力发电机组性能要求的不断提高，双馈发电机是否依然能够在风力发电事业中保有如此的优势，是一个值得高度关注的课题。第4部分 风力发电机组的基本结构国家也为风力发电机组的发电机编制了国家标准，最新的版本是GB/T 19071.12003 风力发电机组 异步发电机 第1部分：技术条件。但这个标准是根据普通异步发电机的性能编制的，其中一些概念已经落后于风力发电机组的整体技术，也不能正确反映电力公司对发电机的要求。我们热切地期待着国家早日出台新的相关标准。下图是Sewind的一款双馈发电机
10、。双馈异步发电机 第4部分 风力发电机组的基本结构双馈风电机组结构简图 控制系统是风力发电机组的灵魂。控制系统的主要职责是：运行管理与安全保护。风力发电机组的控制系统主要由传感器、控制器、执行机构、软件组成。传感器就好比是我们的眼睛和耳朵，主要的任务是收集情报，或者叫采集信息，汇报给大脑（反馈给控制器）。控制器就是我们的大脑，它在听取了传感器的汇报后，对当前形势作出正确分析，并发出指令安排下一步的工作。执行机构就是我们的手和脚，它只要认认真真地完成控制器的工作计划就可以了。第4部分 风力发电机组的基本结构那么软件呢？个人认为，软件就好比是我们所学到的文化知识，它决定了控制器分析问题、正确决策的
11、能力。在此，我们姑且称之为“英明度”，那么软件版本的高低，就代表着控制系统英明程度的高低。第4部分 风力发电机组的基本结构跟人类一样，控制器和软件之间是相互依存的，控制器是软件的物质基础，它既是软件的载体，同时也决定了软件的升级空间。就如同并不是所有人都能获得博士学位一样。第4部分 风力发电机组的基本结构传感器有很多种，对于风力发电机组来讲，大体需要如下的几种：风向标风速仪转速传感器桨距角传感器限位开关油位指示器压力传感器振动传感器电流互感器电压互感器操作开关、按钮执行机构主要包括：驱动装置刹车装置接触器继电器阀块液压缸泵第4部分 风力发电机组的基本结构 风力发电机组要求无人值守，因此，其运行
12、时的调节、控制必须是全自动的，这些控制项目主要包括：第4部分 风力发电机组的基本结构 4.6.2 运行管理待机（当外部环境满足启动条件是，风力发电机组就可以启动）偏航功率调节启动刹车变桨发电运行停机加热并网故障停机 冷却安全保护 在发生故障时，控制系统按照预设的安全策略进行工作，以保证风力发电机组处于安全状态。安全链的控制等级最高，在风力发电机组中，往往采用失效安全的控制策略。安全链的动作，可由下列事件触发：风轮超速 振动超限 控制器故障第4部分 风力发电机组的基本结构按下急停按钮其它主控器不能控制的故障 安全链一旦被触发断开，将切断所有电气系统的电源、风机脱网、叶片顺桨、高速轴刹车。为了规范
13、风力发电产业，国家制定了一系列风力发电行业标准。其中，最基础的标准就是GB/T 19960.12005 风力发电机组 第1部分：通用技术条件，该标准规定了对风轮扫略面积40m2（相当于风轮直径7.12m）的水平轴风力发电机组的一般性技术要求、安全要求、试验方法、检验规则、以及储运交付等要求。这些要求，实质上也是参考了IEC、GL等国际、国外标准制定的。第5部分 对风力发电机组的性能要求 机组在下列环境条件下应能正常运行，并应达到所规定的各项技术、性能指标。电压范围：UN(110%)频率范围：fN(110%)电压负序分量：2%年电网停电次数：20（每次持续时间不超过1周）电压范围：UN(110%
14、)频率范围：fN(110%)电压负序分量：2%年电网停电次数：20（每次持续时间不超过1周）切入风速：2.55.5m/s切出风速：2025m/s额定风速：满足JB/T 10300 要求最大风能利用系数：0.4额定工况下输出功率：PN设计寿命：20年年可利用率：95%塔架振动：20mm/s1/3PN时的噪音：110dB(A)安全防护：符合GB18451.1要求接地电阻：4次级回路绝缘电阻：1M “在正常工作状态下，机组功率输出与理论值的偏差应不超过10%；当风速大于额定风速时，持续10 min功率应不超过额定值的115%。瞬间功率输出应不超过额定值的135%。“用户按照使用维护说明书的规定，正确
15、使用与存放机组，制造商应保证机组的运行在24个月内，或制造商自交付之日起不超过30个月内能量好地运行。如在规定时间内风力机因制造质量不良而发生损坏或不能正常工作的，制造商应无偿地为用户修理或更换零件。”JB/T 10427 风力发电机组一般液压系统GB/T 19069 风力发电机组 控制器 技术条件GB 18451.1 风力发电机组 功率特性试验JB/T 10300 风力发电机组 设计要求JB/T 10425.1 风力发电机组 偏航系统 第1部分：技术条件GB/T 191 包装储运图示标志JB/T 10426.1 风力发电机组 制动系统 第1部分：技术条件JB/T 10194 风力发电机组风轮叶片GB/T 19072 风力发电机组 塔架GB/T 19073 风力发电机组 齿轮箱GB/T 19071.1 风力发电机组 异步发电机 第1部分：技术条件GB/T 19568 风力发电机组装配和安装规范GB/T 19960.2 风力发电机组 第2部分：通用试验方法GB 9969.1 工业产品使用说明书总则在上述这些标准中，还会引用到其它一些行业标准，这些标准对保证风力发电机组的产品质量和满足用户的电力需求都是必要的。
