风电基础知识Word格式.docx

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

塔铜：

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。

冷却系统

1、发电机冷却

与变频器冷却系统类似，建议发电机采用水冷却系统，权衡效率、能耗、噪声等，认为是较合理的方式。

2、齿轮箱冷却

大部分齿轮油冷却使用风冷方式，对于冷油器敞开在机舱上的方式，在寒冷的天气下一旦机组故障停机，齿轮油的流动性会很差，给机组的启动带来问题。

建议在冷却器上加装一个通风道，而不直接暴露在外界环境中，这样就可以避免油温过低的问题。

风电机保温加热措施

1、机舱与轮毂、机舱与塔筒连接处封堵措施。

一般机舱与轮毂、机舱与塔筒连接处间隙较大，在冬季北方地区气温往往达到﹣30℃以下，这时风电机一旦停机，会因机舱温度低、齿轮油温低需要很长的启动时间。

建议将连接部位采取适合的密封措施，以减小低温影响。

2、机舱保温措施

建议在机舱内部增加保温层，减少冬季机舱对外的热传递。

在夏季保温层同时能起到减少外界对机舱的热传递，但如保温措施过于严密，容易造成机舱内空气不流通，这时可在机舱壁上加装一个百叶窗，根据时节和气候进行开闭。

3、加热措施

由于北方冬季特殊的低温气候，加之风电场往往建在海拔高的地区，为提高风电机对低温的适应性，还需要额外的热源，即在机舱内部装设加热器。

加热器功率高、耗电量大，需要对其功率、位置做合理设计，对启停时间进行合理控制。

（1）加热器控制。

建议增加温控器，达到满足机舱工作温度的要求，控制加热器的启停。

（2）加热器热保护。

加热器一般采用“加热电阻+风扇”的方式，当加热电阻工作而风扇因某些原因无法运行时，加热器可能会过热，建议在加热器上安装一个根据测量温度自控断电的装置，以防止加热器过热起火情况发生。

4、油品的选择

齿轮箱油、偏航减速机齿轮油、变桨齿轮油以及润滑油脂均应具备低温下正常运行的能力。

风电机控制系统

1、控制方式

建议在机舱内部和塔筒底部均可进行控制，即需两块操作屏，以便检修维护时随时观测状态。

2、控制系统应具有保护功能

风电场一般位于地理位置较为偏僻地区，往往是电网末端，这里负荷很少，出线电压也会偏离正常值，所以风电场电压产生波动的可能性较大。

风电机应具备承受电网电压±

10％波动能力，且不会因电压波动而甩负荷。

在电压波动超出风电机可承受值后，风电机应保护停机，但其电子电气部件应能承受波动值，重要部件具有自保护装置。

控制监测系统

风力机的运行及保护需要一个全自动控制系统，它必须能控制自动启动，叶片桨距的机械调节装置（在变桨距风力机上）及在正常和非正常情况下停机。

除了控制功能，系统也能用于监测以提供运行状态、风速、风向等信息。

该系统是以计算机为基础，除了小的风力机，控制及监测还可以远程进行。

控制系统具有及格主要功能：

1、顺序控制启动、停机以及报警和运行信号的监测

2、偏航系统的低速闭环控制

3、桨距装置（如果是变桨距风力机）快速闭环控制

4、与风电场控制器或远程计算机的通讯

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。

转子空气动力学

为了解风在风电机的转子叶片上的移动方式，我们将红色带子绑缚在模型风电机的转子叶片末端。

黄色带子距离轴的长度是叶片长度的四分之一。

我们任由带子在空气中自由浮动。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

1温度有8个点的温度被测量，用于反映风力发电机组系统的工作状况。

这8个点包括：

①齿轮箱油温；

②高速轴承温度；

③大发电机温度；

④小发电机温度；

⑤前主轴承温度；

⑥后主轴承温度；

⑦控制盘温度（主要是晶闸管的温度）；

⑧控制器环境温度。

由于温度过高引起风力发电机组退出运行，在温度降至允许值时，仍可自动起动风力发电机组运行。

2转速风力发电机组转速的测量点有两个：

即发电机转速和风轮转速。

转速测量信号用于控制风力发电机组并网和脱网，还可用于起动超速保护系统，当风轮转速超过设定值n1或发电机转速超过设定值n2时，超速保护动作，风力发电机组停机。

风轮转速和发电机转速可以相互校验。

如果不符，则提示风力发电机组故障。

3机舱振动为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动传感器。

传感器由一个与微动开关相连的钢球及其支撑组成。

异常振动时，钢球从支撑它的圆环上落下，拉动微动开关，引起安全停机。

重新起动时，必须重新安装好钢球。

机舱后部还设有桨叶振动探测器（TAC84系统）。

过振动时将引起正常停机。

4．电缆扭转由于发电机电缆及所有电气、通信电缆均从机舱直接引入塔筒，直到地面控制柜。

如果机舱经常向一个方向偏航，会引起电缆严重扭转因此偏航系统还应具备扭缆保护的功能。

偏航齿轮上安有一个独立的记数传感器，以记录相对初始方位所转过的齿数。

当风力机向一个方向持续偏航达到设定值时，表示电缆已被扭转到危险的程度，控制器将发出停机指令并显示故障。

风力发电机组停机并执行顺或逆时针解缆操作。

为了提高可靠性，在电缆引入塔筒处（即塔筒顶部），还安装了行程开关，行程开关触点与电缆相连，当电缆扭转到一定程度时可直接拉动行程开关，引起安全停机。

为了便于了解偏航系统的当前状态，控制器可根据偏航记数传感器的报告，以记录相对初始方位所转过的齿数显示机舱当前方位与初始方位的偏转角度及正在偏航的方向。

5．机械刹车状况在机械刹车系统中装有刹车片磨损指示器，如果刹车片磨损到一定程度，控制器将显示故障信号，这时必须更换刹车片后才能起动风力发电机组。

在连续两次动作之间，有一个预置的时间间隔，使刹车装置有足够的冷却时间，以免重复使用使刹车盘过热。

根据不同型号的风力发电机组，也可用温度传感器来取代设置延时程序。

这时刹车盘的温度必须低于预置的温度才能起动风力发电机组。

6．油位风力发电机的油位包括润滑油位、液压系统油位。

7各种反馈信号的检测控制器在以下指令发出后的设定时间内应收到动作已执行的反馈信号：

①回收叶尖扰流器；

②松开机械刹车；

③松开偏航制动器；

④发电机脱网及脱网后的转速降落信号。

否则将出现相应的故障信号，执行安全停机。

叶轮

风电场的风力机通常有２片或３片叶片，叶尖速度50～70ｍ／ｓ，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2～3％效率。

甚至可以使用单叶片叶轮，它带有平衡的重锤，其效率又降低一些，通常比2叶片叶轮低6％。

尽管叶片少了，自然降低了叶片的费用，但这是有代价的。

对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。

更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。

3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些，然而2叶片、1叶片叶轮的轮毂通常比较复杂，因为叶片扫过风时，速度是变的，为了限制力的波动，轮毂具有翘翘板的特性。

翘翘板的轮毂，叶轮链接在轮毂上，允许叶轮在旋转平面内向后或向前倾斜几度。

叶片的摆动运动，在每周旋转中会明显的减少由于阵风和剪切在叶片上产生的载荷。

叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。

对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于５米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性。

对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。

世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。

这些叶片大部分是用手工把聚脂树脂敷层，和通常制造船壳、园艺、游戏设施及世界范围内消费品的方法一样。

其过程需要很高的技术水平才能得到理想的结果，并且如果人们对重量不太关心的话，比如对于长度小于２０米的叶片，设计也不很复杂。

不过有很多很先进的利用GRP的方法，可以减小重量，增加强度，在此就不赘述了。

玻璃纤维要较精确的放置，如果把它放在预浸片材中，使用高性能树脂，如控制环氧树脂比例，并在高温下加工处理。

当今，出现了简单的手工铺放聚脂，通过认真地选择和放置纤维，为GRP叶片提供了降低成本的途径。

偏航系统

风力机的偏航系统也称为对风装置，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。

小微型风力机常用尾舵对风，它主要有两部分组成，一是尾翼，装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度。

为了避免尾流的影响，也可将尾翼上翘，装在较高的位置。

中小型风机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致如下：

当风向变化时，位于风轮后面两舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面相垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。

大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。

偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等。

其工作原理如下：

风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

风机传动系统

叶轮叶片产生的机械能有机舱里的传动系统传递给发电机，它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。

齿轮箱用于增加叶轮转速，从20~50转/分到1000~1500转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。

齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是较昂贵的一种，允许输入、输出轴共线，使结构更紧凑。

传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。

由于叶轮功率输出有波动，一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，这对大型的风力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。

变桨距风力发电机组

变桨距风力发电机组是指整个叶片绕叶片中心轴旋转,使叶片攻角在一定范围（一般0°

~90°

）内变化，以便调节输出功率不超过设计容许值。

在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺桨，这样机组结构中受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。

变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需很大的刹车，启动性能好。

在低空气密度地区仍可达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可保持相对稳定，保证较高的发电量。

但由于增加了一套变桨距机构，增加了故障发生的机率，而且处理变距机构叶片轴承故障难度大。

变距机组比较适于高原空气密度低的地区运行，避免了当失速机安装角确定后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题。

变桨距机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较明显。

从今后的发展趋势看，在大型风力发电机组中将会普遍采用变桨距技术。

风机的发电机

所有并网型风力发电机通过三相交流（AC）电机将机械能转化为电能。

发电机分为两个主要类型。

同步发电机运行的频率与其所连电网的频率完全相同，同步发电机也被称为交流发电机。

异步发电机运行时的频率比电网频率稍高，异步发电机常被称为感应发电机。

感应发电机与同步发电机都有一个不旋转的部件被称为定子，这两种电机的定子相似，两种电机的定子都与电网相连，而且都是由叠片铁芯上的三相绕组组成，通电后产生一个以恒定转速旋转的磁场。

尽管两种电机有相似的定子，但它们的转子是完全不同的。

同步电机中的转子有一个通直流电的绕组，称为励磁绕组，励磁绕组建立一个恒定的磁场锁定定子绕组建立的旋转磁场。

因此，转子始终能以一个恒定的与定子磁场和电网频率同步的恒定转速上旋转。

在某些设计中，转子磁场是由永磁机产生的，但这对大型发电机来说不常用。

感应电机的转子就不同例如，它是由一个两端都短接的鼠笼形绕组构成。

转子与外界没有电的连接，转子电流由转子切割定子旋转磁场的相对运动而产生。

如果转子速度完全等于定子转速磁场的速度（与同步发电机一样），这样就没有相对运动，也就没有转子感应电流。

因此，感应发电机总的转速总是比定子旋转磁场速度稍高，其速度差叫滑差，在正常运行期间。

它大概为1%。

同步发电机和异步发电机

将机械能转化为电能装置的发电机常用同步励磁发电机、永磁发电机和异步发电机。

同步发电机应用非常广泛，在核电、水电、火电等常规电网中所使用的几乎都是同步发电机，在风力发电中同步发电机即可以独立供电又可以并网发电。

然而同步发电机在并网时必须要有同期检测装置来比较发电机侧和系统侧的频率、电压、相位，对风力发电机进行调整，使发电机发出电能的频率与系统一致；

操作自动电压调压器将发电机电压调整到与系统电压相一致；

同时，微调风力机的转速从周期检测盘上监视，使发电机的电压与系统的电压相位相吻合，就在频率、电压、相位同时一臻的瞬间，合上断路器将风力发电机并入系统。

同期装置可采用手动同期并网和自同期并网。

但总体来说，由于同步发电机造价比较高，同时并网麻烦，故在并网风力发电机中很少采用。

异步发电机

永磁发电机是一种将普通同步发电机的转子改变成永磁结构的发电机，常用的永磁材料有铁氧体（BaFeO）、钐钴5（SmCo）等，永磁发电机一般用于小型风力发电机组中。

异步发电机是指异步电机处于发电的工作状态，从其激励方式有电网电源励磁发电（他励）和并联电容自励发电（自励）两种情况。

1电网电源励磁发电：

是将异步电机接到电网上，电机内的定子绕组产生以同步转速转动的旋转磁场，再用原动机拖动，使转子转速大于同步转速，电网提供的磁力矩的方向必定与转速方向相反，而机械力矩的方向则与转速方向相同，这时就将原动机的机械能转化为电能。

在这种情况下，异步电机发出的有功功率向电网输送；

同时又消耗电网的无功功率作励磁作用，并供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率，因此异步发电机并网发电时，一般要求加无功补偿装置，通常用并列电容器补偿的方式。

２、并联电容器自励发电：

并联电容器的连接方式分为星形和三角形两种。

励磁电容的接入在发电机利用本身的剩磁发电的过程中，发电机周期性地向电容器充电；

同时，电容器也周期性地通过异步电机的定子绕组放电。

这种电容器与绕组组成的交替进行充放电的过程，不断地起到励磁的作用，从而使发电机正常发电。

励磁电容分为主励磁电容和辅助励磁电容，主励磁电容是保证空载情况下建立电压所需要的电容，辅助电容则是为了保证接入负载后电压的恒定，防止电压崩溃而设的。

通过上述的分析，异步发电机的起动、并网很方便且便于自动控制、价格低、运行可靠、维修便利、运行效率也较高、因此在风力发电方面并网机组基本上都是采用异步发电机，而同步发电机则常用于独立运行方面。

总的来说“无功补偿装置”就是个无功电源。

一般电业规定功率因数为低压0.85以上，高压0.9以上。

为了克服无功损耗，就要采用无功补偿装置来解决。

电力系统中现有的无功补偿设备有无功静止式补偿装置和无功动态补偿装置两类，前者包括并联电容器和并联电抗器，后者包括同步补偿机（调相机）和静止型无功动态补偿装置（SVS）。

并联电抗器的功能是：

1）吸收容性电流，补偿容性无功，使系统达到无功平衡；

2）可削弱电容效应，限制系统的工频电压升高及操作过电压。

其不足之处是容量固定的并联电抗器，当线路传输功率接近自然功率时，会使线路电压过分降低，且造成附加有功损耗，但若将其切除，则线路在某些情况下又可能因失去补偿而产生不能允许的过电压。

改进方法是采用可控电抗器，它借助控制回路直流的励磁改变铁心的饱和度（即工作点），从而达到平滑调节无功输出的目的。

工业上采用

1.同步电机和同步调相机；

2.采用移相电容器；

目前大多数采用移相电容器为主。

无功补偿对于降低线损有哪些作用？

电网的损耗分为管理线损和技术线损。

管理线损通过管理和组织上的措施来降低；

技术线损通过各种技术措施来降低。

无功补偿是利用技术措施降低线损的重要措施之一，在有功功率合理分配的同时，做到无功功率的合理分布。

按照就近的原则安排减少无功远距离输送。

对各种方式进行线损计算制定合理的运行方式；

合理调整和利用补偿设备提高功率因数。

1、提高负荷的功率因数

提高负荷的功率因数，可以减少发电机送出的无功功率和通过线路、变压器传输的无功功率，使线损大为降低，而且还可以改善电压质量、提高线路和变压器的输送能力。

2、装设无功补偿设备

应当根据电网中无功负荷及无功分布情况合理选择无功补偿容量和确定补偿容量的分布，以进一步降低电网损耗。

三相同步电动机的运行特性原理

三相同步发电机由原动机拖动直流励磁的同步发电机转子，以转速n（rpm）旋转，根据电磁应原理，三相定子绕阻便感应交流电势。

定子绕阻若接入用电负载，电机就有交流电能输出。

若认为磁路不饱和，则电枢磁势与磁极磁势各自产生相应的磁通，并在定子绕阻内感因电势。

对于极电机，电枢磁势所感应的电势可以表示为Ea=-jIaXa.Xa被称为电枢反应电抗。

Xa+Xσ=Xs隐极同步发电机的同步电抗。

对于凸极电机，因直轴.交轴处磁阻不同，可将电枢磁势分解成Fad和Faq分别研究。

它们所感应的电