风力发电原理

风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电，

未经特别说明，均指并网发电。

1、小型独立风力发电系统

小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市

电，才能保证稳定使用。

2、并网风力发电系统

德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发

电场，并实现了与大电网的对接。

现代风力发电机多为水平轴式。一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。

风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速(微风的程度)便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地10米高

的年平均风速达到5-5.5米/秒以上。

风机叶片从风的流动获得的能量与风速的三次方成正比。风速之外，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡，约与叶轮直径平方成正比。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。此外。现代风机的叶片多采用机翼的翼

型。

近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、自动控制等。主流风电机组的单机容量为600-2000千瓦，容量越大，发电效率越高，技术难度越大。目前，国内单机容量750-2000千瓦的机组最受欢迎。国外正在开发、应用的机组单机容量是3000-5000千瓦。2003年，德国Enercon公司安装了第一台4500千瓦的

风电机组样机。

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。

风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节—即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。

风力发电机主要包括水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机等。其中，水平轴式风力发电机是目前技术最成熟、生产量最多的一种形式。它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮将风能转换为机械能，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。整个机舱由高大的塔架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，还安装有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风。

风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为“风力田”。风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起，目前世界上最大的风电场是洛杉矶附近的特哈查比风电场，装机容量超过50万千瓦，年发电量为14亿千瓦·时，约占世界风力发电总量的23％。

风力发电的优越性可归纳为三点：第一，建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；第二，不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗；第三，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。

制造风能机械，利用风力发电是风能利用的两项主要内容。风力发动机是一种把风能变

成机械能的能量转化装置。风力发动机由5部分组成：

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（1）风轮。风轮由二个或多个叶片组成，安装在机头上，是把风能转化为机械能的主要部件。

（2）机头。机头是支承风轮轴和上部构件（如发电机和齿轮变速器等）的支座，它能绕塔架中的竖直轴自由转动。

（3）机尾。机尾装于机头之后，它的作用是保证在风向变化时，使风轮正对风向。

（4）回转体。回转体位于机头底盘和塔架之间，在机尾力矩的作用下转动。

（5）塔架。塔架是支撑风力发动机本体的构架，它把风力发动机架设在不受周围障碍物影响的高空中。

根据风轮叶片的数目，风力发动机分为少叶式和多叶式两种。少叶式有2～4个叶片，具有转速高，单位功率的平均质量小，结构紧凑的优点；常用在年平均风速较高的地区。是目前主要用作风力发电机的原动机。其缺点是启动较为困难。多叶式一般有4～24个叶片，常用于年平均风速低于3～4米／秒的地区；具有易启动的优点，因此利用率较高。由于转速低，多用于直接驱动农牧业机械。

风力发动机的风轮与纸风车转动原理一样，但是，风轮叶片具有比较合理的形状。为了减小阻力，其断面呈流线型。前缘有很好的圆角，尾部有相当尖锐的后缘，表面光滑，风吹来时能产生向上的合力，驱动风轮很快地转动。对于功率较大的风力发动机，风轮的转速是很低的，而与之联合工作的机械，转速要求较高，因此必须设置变速箱，把风轮转速提高到工作机械的工作转速。风力发动机只有当风垂直地吹向风轮转动面时，才能发出最大功率来，由于风向多变，因此还要有一种装置，使之在风向变化时，保证风轮跟着转动，自动对淮风向，这就是机尾的作用。风力发动机是多种工作机械的原动机。利用它带动水泵和水车，就是风力提水机；带动碾米机，就是风力碾米机；此类机械统称为风能的直接利用装置。带动发电机的就叫风力发电机。它们均由两大部分组成，一部分是风力发动机本体和附件，是把风能转化为机械能的装置；另一部分是电气部分，包括发电机及电气装置，把机械能转化为电能，并可靠地提供给用户。小风力发电机的容量不大，功率一般从几瓦到几千瓦，大都具有结构简单，搬运方便的优点。按风力发动机与发电机的连接方式分，有变速连接的和直接连接的两种。

在风能的利用中，蓄能是一个重要的问题。特别是对于风力发电，在很大程度上，

其生命力由蓄能装置（如蓄电池）的可靠程度来决定。有了蓄能装置，在有风的时候，把多余的能量储存起来；在无风时，输出应用。各种蓄能方式的研究是风能利用的一个急待解决的重要任务。

风力发电技术主要分为风能资源评估与预测，风力发电装备制造技术，风电机组测试、近海风电技术、风电对公共电网的影响等几个方面。

1．能资源的评估与预测

国外已经对风能资源的测试与评估开发出许多的测试设备和评估软件，在风电场选址，特别是微观选址方面已经开发了商业化软件。如丹麦RIS国家研究实验室开发的用于风电场微观选址的资源分析工具软件——WASP；美国TureWind Solutions公司开发的MesoMap 和Sitewind风能资源评估系统等。在风电机组布局及电力输配电系统的设计上也开发出了成熟的软件。国外还对风力机和风电场的短期及长期发电预测作了很多研究，精确度可达90%以上。

2．风力发电装配制造技术

1）单机容量继续稳步上升

20世纪80年代生产的旧式机组单机容量仅为20KW——60KW。单机容量增大后的直接好处是能以数目较少的风电机组完成相同的发电量，从而节省土地使用面积。目前单机容量最大的风电机组是由德国Repower公司生产的，容量为5MW，叶轮直径达130m，安装在120m高的塔架上，预计2010年将开发出10MW的风电机组。对容量在2MW以上的机组欧洲主要考虑在海上安装。

2）风轮输出功率控制方式有失速调节和变桨距调节两种

失速控制是在转速不变的条件下，风速超过额定植后，叶片发生失速，将输出功率限制在一定范围内。失速控制的优点是叶片与轮毂之间没有活动部件，不需要复杂的控制程序，在失速过程中功率波动小；其缺点是风力发电机组的性能的限制，启动风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降，同时需要叶间刹车装置，机组动态负荷较大。

变桨距调节是沿桨叶的纵轴旋转叶片，控制风轮的能量吸收，保持一定的输出功率，变桨距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点是增加了变桨距装置，增加了故障几率，控制程序比较复杂。

两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，采用变桨距调节的风电极组较多。

3）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大

齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率及运行可靠性。在德国2004年所安装的风电机组中，就有40.9%采用了无齿轮箱系统。

3．风电机组测试技术

德国、丹麦、荷兰、美国、希腊等国家对风电机组的设计和测试技术都做过很多研究，制定了国际标准，建立了认证体系，并都有自己的检测机构，其他国家的产品只有通过其检测才能进入。我国对风电机组的测试技术做过一定研究，但不系统。

4．风电与电网

风力发电能够顺利并入一个国或地区电网的电量，主要取决于电力系统对供电波动反应的能力。变化不定的风力给电网带来的问题，远比怀疑论者估计的低。很多涉及到现代欧洲电网系统的评估表明，电网系统中风电容量占20%并不存在技术问题。但是，当大规模的风电并入电网后，风电与电网间的相互影响及相互作用规律还是需要进一步研究。

风电技术发展趋势

随着风电工业的不断发展，风电技术和风电系统也在不断的发展，以满足其自身技术，应对风速变化、成本、环境以及稳定运行等各方面的要求。其主要趋势包括以下几个方面：

1．主要发展水平轴风力机

垂直轴的主要优点是全风向、变速装置及发电机可以置于地面, 但其主要缺点是轴距过长，风能转换效率不高。目前主流风力机都采用水平轴设计，其优点是风能转换效率高，传动轴

距短。对大型风电机组来说经济性更好。其缺点是需要根据风向调节机舱的位置，需要有对

风装置。同时由于变速装置及发电机布置在塔架顶端，增加了塔架的投资和安装维护的难度。2．从风轮到发电机的新型驱动方式

目前从风轮到发电机的新型驱动方式主要有三种：一种是通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步

电机，简称双馈式，这是目前市场上的主流产品。第二种是风轮直接驱动多级同步发电机，

简称为直驱式。直驱式风机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，

可靠性好等优点，在市场上正占有越来越大的份额。但直驱发电机体积大而笨重。第三种是

单级增速装置加多级发电机技术，简称为混合式。混合式单级增速装置以提高发电机转速，

但速度低于标准发电机所需要的转速，同时配以类似于直驱发电机的多级电机。该装置介于

纯变速装置驱动和直驱之间，旨在融合两者的优点而避免其缺点。

3．变桨距调节方式迅速取代失速调节

从目前市场情况来看变桨距调节方式能充分克服失速调节的缺陷，得到了迅速的应用。这点

在前面已有了较详细的论述。

除此之外，改善声学特性，改善空气动力学特性，改善轴传动效率，满足高风速或低风速地

区以及复杂地形的运行要求等也是风电机组设计的发展趋势。

风力发电系统的一般组成结构如图2，首先通过桨叶将风能转化为风机转动的机械能，由于风机的转速大多比较低，需要用齿轮箱将风机的转速升高到发电机的额定转速附近，再经过发电机将机械能转化为电能，电力电子变流器将发电机输出的电能转换为合适幅值或频率的电压、电流，经过并网变压器升压后接入大电网。对于目前出现的一些低转速发电机，图中的齿轮箱可以省去。系统转速、功率等运行状态的控制可以通过改变风机桨叶的节距角实现，也可通过电力电子变流器来调节发电机的电磁力矩完成。对于小型风力发电机组来说，通过电力电子变流器来调节发电机电磁力矩的方法更方便，可以省掉变桨距机构，减小

系统设计制造的难度。

图2 风力发电系统组成结构框图

风力发电系统的两个主要部件是风力机和发电机，而风力机的变桨距功率调节技术和发电机的变速恒频发电技术是风力发电技术发展的必然趋势，另外用于变流器系统的电力电子技术直接决定了产生的电能质量，这三项技术同时也是风力发电中的关键核心技术。

一、风力机的变桨距功率调节技术

a) 风力机的特性曲线

风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个风能利用系数Cp：

式中：——t时间内叶轮吸收的风能；

——t时间内通过叶轮旋转面的全部风能；

——单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率；

——单位时间内通过叶轮扫掠面的风能，即风力机的输入功率。

对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率的表达式为：

式中：——空气密度(kg/m3)；

A——叶轮的扫掠面积(m2)；

D——叶轮的直径(m)。

系数，反映了风力机吸收利用风能的效率，是一个与风速、叶轮转速、叶轮直径均有关系的量。风力机的特性通常用风能利用系数（叶尖速比）曲线来表示，如图3所示。

图4 异步电机输出功率曲线

Fig.4 Curve of IM output power

恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，如图4所示，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。运行点发生改变。当转子速度高于同步转速3%～5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。

b）变速恒频发电系统

目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的重要优点，越来越引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效率。自上世纪90年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式，特别是兆瓦级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的意义十分重要。

可用于风力发电的变速恒频发电系统多种，如交─直─交系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阻发电机系统等，

这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。为充分利用风能，应深入研究各种变速恒频技术。下面将对各种电机系统加以简单介绍。（1）交─直─交风力发电系统

这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的。由于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。发电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电，再通过逆变器直流电变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量相同。

这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、鼠笼型异步电机、绕线式异步电机和永磁发电机等。而在这几种发电机中，鼠笼型异步电机和永磁发电机最为常用，因为其转子结构都很简单容易制造和维护，并且没有滑环和电刷，励磁方式也比较简单，尤其是永磁同步电机不需要外部励磁。

（2）磁场调制发电机系统

这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换电路组成。发电机本身具有较高的旋转频率，与普通同步电机不同的是，它不用直流电励磁，而是用频率为的低频交流电励磁（即为所要求的输出频率，一般为50Hz），当频率远低于频率时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频率为和的两个分量组成的调幅波，这个调幅波的包络线的频率是，包络线所包含的高频波的频率是。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到基本频率为的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向。最后经滤波器滤去高次谐波，即可得到与发电机转速无关、频率为的恒频正弦波。输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非常适合于并网风力发电系统。与前而的交─直─交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是：

①由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是在波形过零点时开关换向。因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。

②晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去，因此可以得到相当好的正弦输出波形。

③磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺点与交─直─交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。

④发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。

（3）交流励磁双馈发电机系统

系统如图5（d）所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起发电机转速变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。当发电机的转速小于定子旋转磁场的转速时，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网；当时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流向；当时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。

因此，当发电机的转速变化时，若控制变频器励磁相应变化，即可以使定子电流频率保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。

由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一部分，因此变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频器的成本将会大大降低。

这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。但交─交变频器输出特性差，6脉波、36管交─交变频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制。只有12脉波、72管交─交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力发电系统。目前国际上开发使用PWM整流─PWM 逆变的交─直─交型变频电源，具有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励

磁变频器。此外绕线式交流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应用的机组。

（4）无刷双馈发电机系统

系统采用的发电机为无刷双馈发电机。其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变频器接电网。其转子为鼠笼型结构，取消了电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制，不再赘述。

尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。

同样，这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可在矢量控制策略下实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。该种变速恒频风电系统现在已被工业界普遍采用。

（5）爪极式发电机系统

无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。对于一台8极电机，在每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不到一般同步电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与永磁发电机相比，无刷爪极发电机除了机械摩擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳

叶尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于千瓦级的风力发电装置中。但该项技术的最大功率跟踪（MPPT）尚处在研究阶段。

（6）开关磁阻发电机系统

开关磁阻式风力发电系统是以开关磁阻发电机为机电能量转换核心。开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。风力机的功率特性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力机能够良好的配合，通过对发电系统的控制，使风力机工作在最佳功率负载线上，开关磁阻发电机本身也具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点。与传统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温（>250°C）和高速

（>30000r/min）环境运行以及大容量、高效率、高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了可靠性。同时，该发电机相绕组间无电耦合，其容错能力大大增强。另外，开关磁阻发电机机械结构简单、坚固可靠。

总之，通过以上的对比分析，可知：

①如果将风力机和发电机直接耦合，省去变速箱，这样可以大大降低成本，减少维护，并且可以降低系统噪音，避免齿轮箱漏油的问题。

②风力发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件较差，而电机大多是密闭结构，靠外壳故热，因此要求发电机耐高温性能好，开关磁阻发电机在这方面具有得天独厚的优势。

③交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统的变频器容量仅为系统总容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案适用于小容量的风力发电系统。

④交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统可在亚同步和超同步状态下运行，因而具有更宽的风速运行范围。

⑤无刷双馈电机省去了滑环和电刷，结构简单，坚固可靠。在转子转速变化的条件下，通过控制励磁绕组的励磁电流频率来确保发电机输出电流的频率保持在50Hz不变，非常适用于风力发电系统，是当今世界风力发电的发展趋势。

这几种变速恒频系统的性能对比分析见表4所示。

表4 几种变速恒频方案的对比分析

Tab.4 Several scheme of variable-speed constant frequency

三、电力电子变流器系统

由发电机和电力电子器件构成的广泛应用的6种风力发电系统结构如图5所示。下面对图5中的风力发电系统结构加以简单说明。

图a是二十世纪八十年代到九十年代被很多风机制造商应用的比较传统的结构，如使用鼠笼型转子的异步发电机的上风式、失速调节、三桨叶风力机就是这种结构。在八十年代这种结构被扩展，为补偿无功功率使用了电容器组，为平滑并网使用了电机软起动器。

图b是用全程范围或“低风速区域”大小的变频器代替了图a中的电容器组和电机软起动器。“低风速区域”大小的变频器的功率仅为发电机额定功率的20-30％，而全程范围的变频器功率大约为发电机额定功率的120％，但它能使风力发电机在所有风速下变速运行。

图c这种结构是二十世纪九十年代中期，V estas风力机厂生产的名为“Optislip”风力机所采用的结构。这种结构的基本思想是利用电力电子变换器改变外部的转子电阻，来改变总的转子电阻，从而使转差率有10％的变化范围。控制了转差率也就控制了系统的输出功率。

图d这种结构使用双馈异步发电机，用变频器直接控制转子绕组里的电流。用功率为发电机额定功率的20-30％电力电子变换器，即可控制整个的发电机输出功率。有两个原因促使这种结构得到广泛应用：1）较图c的结构有更宽的调速范围；2）较全功率变换器更经济。图e这种个功率控制结构的典型应用是在航海船只上作为电源。无齿轮箱，通过两个或三个叶片的上风式风力机与永磁发电机相连，发出的电能经整流器给蓄电池充电。这种结构的风力机也可以应用于家庭风电系统或混合风电系统，这时风力机一般大于1kW小于20kW。ABB公司在2000年利用这种结构提出一个新的设想：用多极3. 5MW永磁发电机发出电能后经二极管整流器产生21kV直流电，然后经高压直流输电并入电网。因此可以这种结构将是世界风力发电的发展的另一个趋势。

图f这种结构使用多极的绕线式同步发电机。由于它使用的是多极发电机，所以它不需要齿轮箱。它是通过整流器从电机外部来励磁的。与前几种结构相比。这种结构吸引力不大是由于三种原因：1）需要励磁电路；2）需要滑环；3）风力机更加复杂的保护策略。

目前，电力电子变流装置很多，表5列出应用于风力发电的六种典型电气拓扑的发展现状。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能，这一部分是整个系统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。目前国内对风力发电技术研究较深入的单位有北京交通大学、沈阳工业大学、南京航空航天大学、中国科学院电工研究所、哈尔滨工业大学、浙江大学、新疆大学、华东交通大学等。

怎样利用风力来发电呢?

我们把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。

风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。

铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。

发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。

多大的风力才可以发电呢?

一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。

基本原理和部件组成如下：

大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。

为什么转子叶片呈螺旋状？

大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。

风电机结构

机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。

轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。

低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。

电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。

液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。

冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。

塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越

大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。

风速计及风向标：用于测量风速及风向。

风电机发电机

风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与你通常看到的，电网上的发电设备相比，有点不同。原因是，发电机需要在波动的机械能条件下运转。

输出电压

大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至一万至三万伏，这取决于当地电网的标准。

大型制造商可以提供50赫兹风电机类型（用于世界大部分的电网），或60赫兹类型（用于美国电网）。

冷却系统

发电机在运转时需要冷却。在大部分风电机上，发电机被放置在管内，并使用大型风扇来空冷；一部分制造商采用水冷。水冷发电机更加小巧，而且电效高，但这种方式需要在机舱内设置散热器，来消除液体冷却系统产生的热量。

启动及停止发电机

如果你通过弹开一个普通开关，将大型风电机发电机与电网连接或解开，你很可能会损毁发电机、齿轮箱及邻近电网。

发电机电网的设计

风电机可以使用同步或异步发电机，并直接或非直接地将发电机连接在电网上。直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。非直接电网连接指的是，风电机的电流通过一系列电力设备，经调节与电网匹配。采用异步发电机，这个调节过程自动完成。

转子叶片

转子叶片轮廓（横切面）

风电机转子叶片看起来像航行器的机翼。实际上，转子叶片设计师通常将叶片最远端的部分的横切面设计得类似于正统飞机的机翼。但是叶片内端的厚轮廓，通常是专门为风电机设计的。为转子叶片选择轮廓涉及很多折衷的方面，诸如可靠的运转与延时特性。叶片的轮廓设计，即使在表面有污垢时，叶片也可以运转良好。

转子叶片的材质

大型风电机上的大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。采用碳纤维或芳族聚酰胺作为强化材料是另外一种选择，但这种叶片对大型风电机是不经济的。木材、环氧木材、或环氧木纤维合成物目前还没有在转子叶片市场出现，

尽管目前在这一领域已经有了发展。钢及铝合金分别存在重量及金属疲劳等问题，他们目前只用在小型风电机上。

风电机齿轮箱

为什么要使用齿轮箱？

风电机转子旋转产生的能量，通过主轴、齿轮箱及高速轴传送到发电机。

为什么要使用齿轮箱？为什么我们不能通过主轴直接驱动发电机？

如果我们使用普通发电机，并使用两个、四个或六个电极直接连接在50赫兹交流三相电网上，我们将不得不使用转速为1000至3000转每分钟的风电机。对于43米转子直径的风电机，这意味着转子末端的速度比声速的两倍还要高。另外一种可能性是建造一个带许多电极的交流发电机。但如果你要将发电机直接连在电网上，你需要使用200个电极的发电机，来获得30转每分钟的转速。另外一个问题是，发电机转子的质量需要与转矩大小成比例。因此直接驱动的发电机会非常重。

更低的转矩，更高的速度

使用齿轮箱，你可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。风电机上的齿轮箱，通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。对于600千瓦或750千瓦机器，齿轮比大约为1比50。

下图显示了用于风电机的1.5兆瓦的齿轮箱。这个齿轮箱有些不同寻常，因为在高速点的两个发电机上安装有法兰。右侧安装在发电机下的橙黄色配件，是液压驱动的紧急盘状刹车。在背景处你可以看到用于1.5MW风电机的机舱的下半部分

风电机偏航装置

风电机偏航装置用于将风电机转子转动到迎风的方向。

偏航误差

当转子不垂直于风向时，风电机存在偏航误差。偏航误差意味着，风中的能量只有很少一部分可以在转子区域流动。如果只发生这种情况，偏航控制将是控制向风电机转子电力输入的极佳方式。但是，转子靠近风源的部分受到的力比其它部分要大。一方面，这意味着转子倾向于自动对着风偏转，逆风或顺风的汽轮机都存在这种情况。另一方面，这意味着叶片在转子每一次转动时，都会沿着受力方向前后弯曲。存在偏航误差的风电机，与沿垂直于风向偏航的风电机相比，将承受更大的疲劳负载。

偏航机构

几乎所有水平轴的风电机都会强迫偏航。即，使用一个带有电动机及齿轮箱的机构来保持风电机对着风偏转。本图显示的是750千瓦风电机上的偏航机构。我们可以看到环绕外沿的偏航轴承，及内部偏航马达及偏航闸的轮子。几乎所有逆风设备的制造商都喜欢在不需要的情况下，停止偏航机构。偏航机构由电子控制器来激发。

电缆扭曲计数器

电缆用来将电流从风电机运载到塔下。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲。因此风电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。类似于所有风电机上的安全机构，系统具有冗余。风电机还会配备有拉动开关，在电缆扭曲太厉害时被激发。

风力发电系统结构：

叶轮（浆叶、轮毂）：三桨叶，水平轴，上风型，定浆距失速调节型和变浆距调节两种形式。

发电机：采用多极变速恒频双馈发电机，机构如图3所示。

制动系统：采用机械、电制动两套制动系统，确保事故状态系统的安全制动。

偏航系统：由在机座上面的两个相互独立的传感器（风速计和风标）确定风速和风向。当风向变化时，风标登记这个方位，且传递信号到控制器。控制偏航系统去转动机舱。

塔架：采用钢结构锥形筒，表面经喷锌加喷铝涂层防腐处理，内部设有梯子直接登上偏航系统和机舱，内部备有220V照明和月台。

控制系统：是一套基于工业控制计算机和数字信号处理器（DSP）的风力发电机组DCS控制系统。主要任务是将发电机切入和切除电网，并管理来自不同传感器（风电机组内部传感器，电网电压电流变送器等）的全部信息。根据采集的数据，计算机程序将自动以最佳和最安全的方式执行所有的控制操作。计算机实时监控全部阀值参数。

运行和安全系统：风速达到3m/s时机组自启动，加速，到同步转速时，软切入；超出安全风速时自动停机；风速降到安全启动风速后，能自动再启动；事故情况下空气断路器和机械制动可同时动作；安全系统是失灵安全型。除了监测控制系统还有利用离心力的冗余安全系统。

风力发电原理

▲1-3 风能具有哪些特点？ （1）风能蕴藏量大、分布广。（2）风能是可再生能源。（3）风能利用基本没有对环境的直接污染和影响。(4)风能的能量密度低。（5）不同地区风能差异大。（6）风能具有不稳定性。 ▲1- 风力发电技术的发展状况 当前风电技术和设备的发展主要呈现大型化、变速运行、变桨距、无齿轮箱等特点。 (1)水平轴风电机组技术成为主流。（2）风电机组单机容量持续增大。（3）变桨距技术得到普遍应用。（4）变速恒频技术得到快速推广。（5）直驱式、全功率变流技术得到迅速发展。（6）大型风电机组关键部件的性能日益提高。（7）智能化控制技术广泛应用。（8）叶片技术不断进步。（9）适应恶劣气候环境的风电机组得到重视。（10）低电压穿越技术得到应用。 （11）海上风电技术成为重要发展方向。（12）标准与规范逐步完善。 ▲2-8 为什么国际上通行的计算平均的时间间隔都取在10min至2h范围？ 由范德豪芬的平均风速功率谱曲线可知，在10min至2h范围的平均风速功率谱低而平坦，平均风速基本上是稳定值，可以忽略湍流的影响。 ▲2-9 什么是风速廓线？ 在大气边界层中，由于空气运动受地面植被、建筑物等得影响，风速随距地面的高度增加而发生明显的变化，这种变化规律成为风剪切或风速廓线。▲2-11 什么是风向玫瑰图？ 风向玫瑰图常用来表示某一风向一年或一个月出现的频率。 ▲2-15 风在静止叶片上的空气动力是如何形成的？ 由于叶片上方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度），因此叶片上、下方所受的压力也不同（下方压力大于上方压力），总得合力F即为叶片在流动空气所受到的空气动力。 ▲2- 风的测量设备？ 风向：风向标、光电管、码盘。风速：皮托管、热线风速仪、风杯、螺旋叶片。 ▲2- 风能资源评估及风电场选址 评估参数：平均风速、主要风向分布、风功率密度、年风能可利用小时。宏观选址：（1）风能质量好（2）风向基本稳定（3）风速变化小（4）尽量避开灾难性天气频发地区（5）发电机组高度范围内风速的垂直变化小。（6）地形条件好。（7）地址情况能满足塔架基础、房屋建筑施工的要求，远离强地震带等。（8）对环境的不利影响小。（9）尽可能接近电网并考虑并网可能产生的影响。（10）交通方便。微观选址：（1）考虑地形的影响（2）考虑机组的排列方式。 ▲4-7 什么是并网风力发电机变速恒频运行方式？哪些类型的发电机？ 在不同风速下，为了实现最大风能捕获，提高风电机组的效率，发电机的转速必须随着风速的变化不断进行调整，处于变速欲行状态，其发出的频率需通过一定的恒频控制技术来满足电网要求。双馈异步交流发电机，永磁低速交流发电机 ▲4-8 双馈异步发电机的基本工作原理。 (公式)n2为转自中通入频率为f2的三项对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转自本身的旋转速度（r\min），改变f2,即可改变n2。设n1为对应于电网频率50Hz时发电机的同步转速，而n为发电机转自本身的旋转速度，只要n+n2=n1，则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率f1不变。由转差率公式s=。。。可得f2=sf1。所以只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率的电流，双馈异步发电机可实现变速恒频运行的目的。 双馈型异步发电机实行交流励磁，励磁电流的可调量为其幅值、频率和相位。调节频率，可保证发电机转速变化时发出电能频率的稳定；调节幅值，可调节发出的无功功率；改变转子励磁电流的相位，调节了发电机的功率角。在一定工况下，转子也向电网馈送能量。 ▲4-9 叙述双馈异步发电机的功率流向。 （1）亚同步状态当n

风力发电机原理

《可再生能源与可持续发展》作业题目：风力发电机原理 班级：08机制4班 姓名：毛羽西 学号：0822405 教师：李永国 2011年11 月

目录 1 风力发电机概述 (2) 2 水平轴涡轮发电机 (2) 2.1 水平轴涡轮机结构 (3) 2.2 水平轴涡轮机叶片 (4) 2.3 发电机 (5) 2.4 制动系统 (6) 3 风力发电前景展望 (7) 结论 (7) 参考文献： (7)

风力发电机原理 1 风力发电机概述 风力发电的原理，是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。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电机的基本工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，将风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。风力机的核心部分为叶轮的设计，随着空气动力学的飞速发展，叶轮设计已经取得了巨大的进步。[1] 2 水平轴涡轮发电机 正如其名字的含义，水平轴风力涡轮机的转轴是水平安装的，与地面平行。水平轴风力涡轮机需要使用偏航调整装置时刻根据风向进行调整。偏航系统通常包括电机和变速箱，用于缓慢左右移动整个转子。涡轮机的电子控制器读取风向标设备（机械或电子风向标）的位置，并调整转子位置以尽量捕获最大的风能。水平轴风力涡轮机使用塔架将涡轮机组件上升到最适合风速的高度（这样叶片便不会碰到地面），并且占用非常少的地面空间，因为几乎所有组件都在高达80米的空中。

风力发电机的工作原理

风力发电机的工作原理 风力发电机原理 是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。 风力发电的原理，是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。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。 使用风力发电机，就是源源不断地把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的，一个家庭一年的用电只需20元电瓶液的代价。而现在的风力发电机比几年前的性能有很大改进，以前只是在少数边远地区使用，风力发电机接一个15W的灯泡直接用电，一明一暗并会经常损坏灯泡。而现在由于技术进步，采用先进的充电器、逆变器，风力发电成为有一定科技含量的小系统，并能在一定条件下代替正常的市电。山区可以借此系统做一个常年不花钱的路灯；高速公路可用它做夜晚的路标灯；山区的孩子可以在日光灯下晚自习；城市小高层楼顶也可用风力电机，这不但节约而且是真正绿色电源。家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。在旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区，风力发电机正在成为人们的采购热点。无线电爱好者可用自己的技术在风力发电方面为山区人民服务，使人们看电视及照明用电与城市同步，也能使自己劳动致富。

风力发电机控制原理

风力发电机控制原理 本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。 关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统 概述： 经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。

涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统 双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。 转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知： Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率 转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，

(完整版)【速度收藏】风力发电机工作原理

风力发电机工作原理__图文 前言：由于环境污染，人类对大自然的过度开采，我们对无污染、可再生的能源越来越重视。风能就是这样一种无须燃料、无污染、可再生的能源。风力发电机作为把风能运用率较高的产品，受到世界各国的重视。为了让风力发电机更好的为人们服务，今天我们来研究一下风力发电机工作原理。 关键词：风力发电机，风力发电机工作原理，风力发电机结构 一、风力发电机结构 高 由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风力发电机偏航。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。 7、电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。 8、液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。 9、冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机具有水冷发电机。

10、塔：风力发电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。 11、风速计及风向标：用于测量风速及风向。 二、风力发电机原理 现代风力发电机采用空气学原理，就像飞机的机翼一样。风并非“推动”风轮叶片，而是吹过叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。 面向来风，从而令风轮刹车。 在风速很低的时候，风力发电机风轮会保持不动。当到达切入风速时(通常每秒3到4米)，风轮开始旋转并牵引发电机开始发电。随著风力越来越强，输出功率会增加。当风速达到额定风速时，风电机会输出其额定功率。之后输出功率会保留大致不变。当风速进一步增加，达到切出风速的时候，风电机会刹车，不再输出功率，为免受损。 青岛恒风风力发电机有限公司是一家专注研发、制造、销售为一体的科技型企业，公司始建于2004年，厂房占地面积5000 余平。公司主要生产150瓦至500千瓦的水平和垂直轴的中小型风力发电机组，风光互补供电系统，广泛应用于离网和并网型发电系统。生产中我们严格按照ISO9001国际标准生产管理体系，并拥有标准的生产线，自动包装流水线，严

风力发电原理及应用探讨 马雪峰

风力发电原理及应用探讨马雪峰 发表时间：2019-11-20T15:17:34.283Z 来源：《基层建设》2019年第24期作者：马雪峰[导读] 摘要：近年来，我国的风力发电越来越多。 三峡新能源大柴旦风电有限公司青海省海西州大柴旦行委锡铁山镇 816203 摘要：近年来，我国的风力发电越来越多。风能作为一种清洁能源，日益受到各国的重视，发展风力发电技术成为当前迫切需要解决的问题。本文就风力发电技术的原理和当前我国在风电技术方面的发展状况进行探讨。 关键词：环境污染；新能源；风力发电引言 19世纪70年代以后，人类开始进入二次工业革命，人类社会也开始进入电气时代，电力得到了广泛应用，并取代了蒸汽成为工业生产和社会生活的主要能源，给人类社会的生产结构和生活方式带来了巨大的改变。随着发电技术的发展，风力发电技术在我国得到了普遍应用，而风力发电过程中风力发电系统控制技术是促进风力发电技术进一步发展的重要基础和影响因素，但是，随着我国社会经济发展和人类生活对电力需求的增大，我国原有的风力发电系统控制技术已无法满足现代风力发电技术的高要求，阻碍了风力发电技术的进一步发展。 1风力发展的现状中国拥有丰富的风能资源，全年风能资源总量32．26亿kW（地面以上10m风速大于5m/s），实际可开采量为10．4亿kW。根据我国的实际情况，新能源战略已经开始着重发展风电。因此我国风电发展前景相当可观，从现在到未来将保持高速发展的趋势，同时，随着风力发电技术的逐步成熟，风电行业的盈利能力也将稳步提高。根据中国工商业研究院发布的数据，截至2017年底，全球风电市场主要集中在5个国家：中国、美国、德国、印度和西班牙。其中，中国累计装机容量188392兆瓦，居世界第一，美国累计装机容量89077MW，居世界第二。与2007年前我国风电装机容量相比，近年来我国风电装机容量实现了质的飞跃。因为不断增加的装机容量，中国已成为了世界上最重要的风力发电国之一。 2我国风力发电的现状及存在的问题我国幅员辽阔，风力资源极为丰富，十分有利于风电行业的发展。近年来，国家对风电产业的发展十分重视，投入了大量的研发人员和资金，累计和新增风电装机容量世界排名第一。我国风力资源主要分布在地广人稀的西部地区、华北丘陵地区以及东南沿海地区，累计建设了180多家风力发电厂，很好的缓解了当地的用电荒问题。目前我国风力发电系统中的大部分部件和技术都是自主研发，但是核心部件还是依靠国外进口，缺乏自主技术。由于风电技术在我国发展的时间较短，同时我国风力资源分布不均匀，风电技术存在市场化水平低、技术欠成熟、安全保障不足等问题。风力资源分布不均匀导致风电场发的电需要通过远距离输送到需要电的地区，同时风力资源较匮乏的地区无法建设风力发电站，造成风电技术发展不平衡。风能的间歇性和不稳定性也会导致电能质量较低。此外，部分地区对清洁能源的认识不够深刻，忽视了风电技术对环境带来的红利，导致没有对风电资源进行充分开发。由于我国风力发电技术发展时间较短，缺乏自主化技术，很多核心技术和部件还需要依赖西方发达国家，这样就造成被动的技术依赖和过高的资金技术消耗。同时风电传输技术和设备的不完善，风电机组运行存在安全隐患，电力运营管理人才缺乏，都是制约风电技术的瓶颈。当前风力发电行业的商品化程度依旧较低，缺乏一套完善的市场体制来保证行业的稳定发展，国家尚需投入大量人力物力财力来发展配套设施和人员。 3解决我国风力发电面临问题的举措 3.1做好谐波抑制措施 第一种是做好谐波抑制工作，影响风力发电并网技术质量的因素有很多，其中，电能的质量情况在其中占有非常重要的地位。为了最大程度的提高电能的利用效率，相关的技术人员主要采取的方式是通过对结合组静止无功补偿器进行使用，来对影响谐波的因素进行抑制。由于我国电力行业的发展在最近几年来受到了人们的广泛关注，电能设备的发展方向朝向多元化、丰富化的方向发展，现阶段，市场上抑制器的种类也越来越丰富。谐波抑制工作使用的抑制器是组合型的，由可投切电容器、电抗器以及谐波滤波装置构成，这种抑制器与其中类型的抑制器相比，功率的转化速度加快，可以对风力情况进行追踪检查，可以在短时间发现不稳定的情况，并且对这种情况进行及时的解决，提高抑制谐波的效率以及风力发电的质量情况。 3.2加大研发和管理力度，促进风电产业结构调整 不能过分依赖产品和技术进口，要建立完善的人才培养机制，积极创新，研发出具有自主知识产权的风电技术。 3.3完善风电信息分析工作，强化并网管理 第二项工作是加强信息的管理以及提高并网技术体系。为了提高风力并网工作的完成效率，相关的技术人员应该在风力发电的过程中，建立信息完善平台，对风力发电的数据以及信息进行收集、整理。信息的收集以及整理是一项十分漫长的过程，包括多个行业、多个领域，其中风电规划前期、后期以及运行中期的数据都应该进行记录，数据的完整性对并网的后期管理具有十分重要的作用。并网管理是多方面的，为了提高并网管理的质量，相关的单位应该建立专门的管理队伍，对并网进行大规模的监管、检测，进一步完善风力发电的管理体系，除此之外，对于大型的风力发电项目，要做好年度的规划，对风力发电的情况进行严格的记录，根据有关的资料显示，风力发电管理体系的制定以及完善可以从根本上提高用电的质量情况，提高相关产业的工作效率。 3.4我国部分区域的风能资源开发 根据中国中东部和南方地区陆上风能资源分布广泛、用电地区近的特点，按照“就近接入、本地消纳”的原则，中东部和南方地区成为国家发展风电的选择区域，这些地方的风能资源将得到规模化开发，具体表现为3个方面：①中东部和南部地区成为项目核准地区。②调整这些地区的上网电价，以吸引当地的风电投资。③国家在《风电发展“十三五”规划》提出，中东部和南方地区陆上风电在2020年新增并网装机容量将达到4200万kW以上，累计并网装机容量达到7200万kW以上。 3.5强化故障诊断，提升电能质量 对风力发电机组的故障进行分析，进而对故障进行诊断。风力发电机组的相关技术人员要对风力发电行业中存在的问题进行分析，分析之后提出相应的解决措施，只有提高设备的质量，才能进一步提升风力发电机组的发电质量。 3.6杜绝安全隐患

风力发电系统的控制原理

风力发电系统的控制原理 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统

风力发电原理

风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电， 未经特别说明，均指并网发电。 1、小型独立风力发电系统 小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市 电，才能保证稳定使用。 2、并网风力发电系统 德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发 电场，并实现了与大电网的对接。 现代风力发电机多为水平轴式。一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。 风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速(微风的程度)便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地10米高 的年平均风速达到5-5.5米/秒以上。

风力发电机的原理及应用前景

风力发电机的原理及应用前景 摘要：许多世纪以来，风力发电机同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。 关键词：风力发电，原理，应用前景，自然能源 随着科技的不断进步，社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注，风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。在一定程度上，风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一。 一、风力发电机原理 风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。相对柴油发电要好的多。但是若应急来用的话，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。 风力发电是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。依据目前的风车技术，大约

是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型 二、风力发电机结构 机舱，转子叶片，轴心，低速轴，齿轮箱，发电机，电子控制器，液压系统，冷却元件，塔，风速计及风向标，尾舵 三、风力发电机类型

风力发电机组工作原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机(齿轮箱)将旋转的速度提升，来促使发电机发电 Use wind force to drive windmill’s blade rotating. Through speed adder (GEAR CASE) to improve the rotating speed 组成部分：风力发电机＋充电器＋数字逆变器(偏航系统) Compose of: wind force engine, battery charger, number inverter （drift/yawing system） 风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用 风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系 现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于 发电状态，通过变流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系 统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500千瓦的风机通常为12-22转/分）变为很高的发电机转速（发电机同步转速通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准 主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向；风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使 用），现在电变距系统逐步取代液压变距。

永磁同步风力发电机的原理和应用

永磁同步风力发电机的原理和应用 我国风能资源丰富，可开发的风能潜力巨大。根据有关资料，我国陆地风能资源可开发量23.8亿千瓦，海上风能资源可开发量约2亿千瓦。我国风能资源比较集中，“三北”地区（华北、东北和西北）以及东南沿海地区、沿海岛屿潜在风能资源开发量约占全国的80%。风能资源与煤炭资源的地理分布具有较高的重合度，与电力负荷则呈逆向分布。 近日，一款拥有自主知识产权，最大功率为2.5MW的高速永磁同步风力发电机在南车株洲电机有限公司成功下线。该发电机具有效率高、体积小、结构紧凑、成本低、可靠性高、维护量小等诸多优点，采用全功率变流控制，使机组具有良好的低电压穿越性能；该发电机与直驱型永磁同步风力发电机相比，体积大大减小、重量大大减轻，特别是磁钢用量大大减少，在稀土价格居高不下的今天，该产品的高性价比优势更加突出，具有很好的市场前景。该发电机的成功研制标志着我国企业已具备自主研发具有国际先进水平高速永磁同步风力发电机的能力。 “十二五”时期，我国风电装机容量占发电总容量比例将进一步加大，出于电网安全考虑，风电机组必须在“低电压穿越”保障下“御风而行”。据中国国家发改委能源研究所有关人士透露，2020年陆地风电的成本将与煤电持平，之后风电将逐步脱离国家补贴，“降低成本”也成为风电行业未来发展面临的新的“瓶颈”。南车株洲电机有限公司成功推出2.5MW高速永磁同步风力发电机，实现了发电机低成本制造，使机组极易实现低电压穿越，在国内处于技术领先水平。 永磁同步风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的又一重要风力发电机型受到广泛关注，并逐渐

风力发电系统的基本原理(DOC)

风力发电系统的基本原理 一、风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始 发电。风力发电的原理说起来非 常简单，最简单的风力发电机可 由叶片和发电机两部分构成如 图1-1所示。空气流动的动能作 用在叶轮上，将动能转换成机械 能，从而推动片叶旋转，如果将 叶轮的转轴与发电机的转轴相 连就会带动发电机发出电来。 二、风力发电的特点 （1）可再生的洁净能源 风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。 （2）建设周期短 一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。 （3）装机规模灵活

可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。 （4）可靠性高 把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。 （5）造价低 从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。 （6）运行维护简单 现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。 （7）实际占地面积小 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。 （8）发电方式多样化 风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决

学习《风力发电原理与应用》后的心得体会

学习《风力发电原理与应用》后的心得体会 在湛蓝天空下，四周安静的时候，给人印象深刻的就是风，它从你的耳畔掠过，从你的指尖流过，胸中浊气涤荡一空，在一呼一吸之间，身心也轻盈起来。在这个空气清新、负氧离子浓密的地方，你可以自由自在地、毫无负担地呼吸。这与清洁能源的大力发展，减少大气污染有很大的关系，这也使得以风能为代表的清洁能源在近年来快速的发展。 现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点，我国也对可再生能源的利用,特别是风能开发利用也给予了高度重视。我国风能资源总量约42亿千瓦，技术可开发量约3亿千瓦。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济效益。风能与其他能源相比，有其明显的优点：蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。风能和阳光一样，是取之不尽、用之不竭的再生能源。风力发电没有燃料问题，不会产生辐射或二氧化碳公害，也不会产生辐射或空气污染。而且从经济的角度讲，风力仪器比太阳能仪器要便宜九成多。中国风能储量很大、分布面广，甚至比水能还要丰富。合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。 近年来，工程师们尝试发展其他更好的方法利用风力。风力虽不很稳定，但是比其他动力资源要来得便利，因为，风向自由、清洁、不会产生不良的副作用。而且风可以推陈出新、供应不断。利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风力发电通常有三种运行方式。一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电。二是风力发电与其他发电方式（如柴油机发电）相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电。三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力；而且，通过一个学期对《风力发电原理与应用》的学习，使得我对风力发电机组有了一定的了解，按照风轮形式分类：可分为垂直轴风力发电机组和水平轴风力发电机组。按照有无齿轮分类：可分为直驱式风力发电机和双馈式风力发电机。直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。 通过一个学期对《风力发电原理与应用》的学习，也是得我对风力发电的优越性有了更加深刻的理解，其优越性可归归结为三点：第一，建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；第二，不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗；第三，风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题。 更为重要的是风电资源的开发对环境来讲，利远大于弊。虽然大量的风能资源处于戈壁滩、大草原和沿海滩涂地区，给开发带来不便，但依靠后方力量的支援一定能够克服。此外，虽然风电建设要占用大面积的土地，旋转的风机叶片可能产生噪音污染等，但在荒凉地区开发风电，对社会和环境影响非常少，不占用基本农田，不存在与民争地的矛盾。因此，在这些地区的大风口建设风电，不仅可以利用荒地清洁生产电力，还可以削弱风速，减少冬春季节的扬沙浮尘天气。