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1、风力发电机的组成及控制,风力机的形式有两大类，即水平轴风力机和垂直轴风力机；风力机应用主要也有两大类，即风力发电和风力提水。,水平轴风力发电机的主要组成部分包括：风轮，发电机，塔架，对风装置（尾舵），蓄能系统，逆变器等，如图1风力发电机主要组成（水平轴）。,图1 风力发电机主要组成部分,大型风力发电机组成,大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。,电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。,单机容量从最初的数十千瓦发展到最近进入市场的M
2、W级机组；控制方式从单一定桨距失速控制向全桨叶变距和变速恒频发展，预计在最近的几年内将推出智能型风力发电机组；,运行可靠性从20世纪80年代初50%，提高到98%以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。,对于大型风力发电机，由于限制其转速，风轮需要通过传动装置与发电机相连接。传动装置的增速比一般为4050。这样，可以降低发电机重量，从而降低成本。,发电机,由于风速的不稳定性，发电机处于负载不稳定状态。无风时（或风速达不到起动风速）处于停机状态，风速不够时处于轻载状态，极端时发电机严重过载。所以风力发电机的并网和脱网操作比其他类型的发电机要频繁许多。,由于风力发电条件
3、的种种特殊性，对风力发电机也就有相应的一些特殊要求：1）发电机的外壳应为全封闭的；2）发电机外壳表面应带有散热筋；,3）发电机的绝缘等级选用F级；4）发电机底部要有气压平衡孔，此孔又能起到排出凝露水的作用；5）发电机振动要小，振速不超过2.8mms；噪声要低，一般要求Lp85dB,6）对安装在北方地区的发电机轴承润滑脂选用时要考虑到冬季的低温；7）发电机的外形尺寸要小，重量要轻，以减小机舱的体积，减轻机舱的重量；8）发电机端电压的波动一般为5；,独立运行风力发电系统的发电机,风力发电机所用的发电机可以是直流发电机，也可以是交流发电机。,直流发电机在结构上有永磁式和电励磁式两种类型。,永磁式直流
4、发电机利用永久磁铁来提供发电机所需的励磁磁通。电励磁式直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发电机所需的励磁磁通，由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，分为他励与并励(自励)两种型式。,图2 永磁式直流发电机,图3（a）他励式直流发电机（b）自励式直流发电机,直流电通常是在发电机内产生交流电，然后通过电刷和集流环把交流电转变成直流电。现在有一个更常用的方法，通过二极管，把交流发电机产生的交流电变成直流电，它无需电刷和集流环，从而可利用交流电机的低速特性比直流电机好的优点。,交流发电机,永磁式发电机永磁发电机的特点 永磁发电机转子上无励磁绕组，因此不存在励磁绕组铜损耗，比同容量的
5、电励磁式发电机效率高；转子上没有滑环，运转时更安全可靠；,永磁发电机的重量轻,体积小，制造工艺简单。因此在小型及微型风力发电机中被广泛采用，永磁发电机的缺点是电压调节性能差。,图4 凸极式永磁发电机结构图与爪极式电机转子结构,硅整流自励交流发电机,硅整流自励交流发电机的定子由定子铁芯和定子绕组组成，定子绕组为三组，Y形连接，放在定子铁芯内圆槽内，转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组)、滑环和转子轴组成。,转子铁芯可做成凸极式或爪形，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。,图5 硅整流自励交流发电机及励磁调节器电路原理,交流电是交流发
6、电机中的绕组通过交变磁极产生的，产生的交流电由导线输送。交流电的频率由发电机转速决定。对于小型风力发电机，为了保持风轮转速恒定，就必须使用叶片控制结构。,产生交流电的电机有同步发电机和感应电机两种。采用同步发电机时，产生的交流电的频率和电压要与电网相同，这就增加了控制系统的复杂性，同时增加了风力机的成本。在大型风力发电机上，通常采用同步电机。,现在，人们正在研制风力发电机的专用电机，发电机的转速可变，但发电的频率不变，因而不需要常转速叶片控制系统。,其它得到固定频率交流电的方法是先产生直流电，然后通过逆变器，将直流电变成交流电。因此，交流发电机发的电可提供给蓄电池和其他需要直流电的电器。,当发
7、电机发出的电压较低时，可先让交流电通过一个变压器，提高电压，然后再变成直流电。当风力机到负载的距离较大时；这样做可以减小线路损失。,在线路的另一端，另一个变压器可将高电压降至所需电压。这时，交流电转变成直流电。在此过程中能量损失不大。,发电机多为低转速永磁同步电机，永磁材料选用稀土材料，使发电机的效率达到0.75以上。,齿轮箱,风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速很低，远达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将风力发电机组中的齿轮箱称为增速箱。,由于机组安装在高山、荒野、海
8、滩、海岛等风口处，受无规律的变向变载荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑、严寒大的温差影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难。,所以对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如，对构件材料的要求，除常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；,应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件等等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。,齿轮箱的设计,齿轮箱的设计必须保证在满足可靠性和预期寿命的前提下，使结构简化并重量最轻。,根据机组要求，选用合理的设计参数，拟定最佳传动方案，选择稳定可靠的构件
9、和具有良好力学特性以及在环境极端温差下仍然保持稳定的材料，配备完整充分的润滑、冷却系统和监控装置等等，是设计齿轮箱的必要前提条件。,设计要求,齿轮箱作为传递动力的部件，在运行期间同时承受动、静载荷。其动载荷部分取决于风轮、发电机的特性和传动轴、联轴器的质量、刚度、阻尼值以及发电机的外部工作条件。,风力发电机组齿轮箱的主要承载零件是齿轮，其轮齿的失效形式主要是轮齿折断和齿面点蚀、剥落，故各种标准和规范都要求对齿轮的承载能力进行分析计算，进行齿根弯曲疲劳和齿面接触疲劳校核计算，对轮齿进行极限状态分析。,效率,齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合，轴承摩擦，润滑
10、油飞溅和搅拌损失等。,噪声级,噪声主要来自各传动件，风力发电机齿轮箱的噪声标准为85分贝左右。降噪措施：1.适当提高齿轮精度，进行齿形修缘，增加啮合重合度；2.提高轴和轴承的刚度；3.合理布置轴系和轮系传动，避免发生共振。,图6 常用风力发电机组齿轮箱的形式,图7 常用风力发电机组齿轮箱的形式,图8 常用风力发电机组齿轮箱的形式,图9 两级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱,齿轮箱的主要零部件,一、箱体 箱体是齿轮箱的重要部件，它承受来自风轮的作用力和齿轮传动时产生的反力。箱体必须具有足够的刚性去承受力和力矩的作用，防止变形，保证传动质量。,箱体的设计应按照风力发电机组动力传动的布局，加工，装配，检查以
11、及维护等要求来进行。应增设必要的加强筋。筋的位置须与引起箱体变形的作用力的方向相一致。,采用铸铁箱体可发挥其减振性，易于切削加工等特点，适于批量生产。常用的材料有球墨铸铁和其他高强度铸铁。设计铸造箱体时应尽量避免壁厚突变，减小壁厚差，以免产生缩孔和疏松等缺陷。,为了减小齿轮箱传到机舱机座的振动，齿轮箱可安装在弹性减振器上。,箱盖上还应设有透气罩、油标或油位指示器。在相应部位设有注油器和放油孔。放油孔周围应留有足够的放油空间。采用强制润滑和冷却的齿轮箱，在箱体的合适部位要设置进出油口和相关的液压件的安装位置。,二、齿轮和轴,风力发电机组运转环境非常恶劣，受力情况复杂，要求所用的材料除了要满足机械
12、强度条件外，还应满足极端温差条件下所具有的材料特性，如抗低温冷脆性、冷热温差影响下的尺寸稳定性等等。,对齿轮和轴类零件而言，由于其传递动力的作用而要求极为严格的选材和结构设计，一般情况下不推荐采用装配式拼装结构或焊接结构，齿轮毛坯只要在锻造条件允许的范围内，都采用整体锻造的形式。,当齿轮顶圆直径在2倍轴径以下时，由于齿轮与轴之间的联接所限，常制成轴齿轮的形式。为了提高承载能力，齿轮一般都采用优质合金钢制造。,图11 联轴器的安装位置,齿轮箱轴伸部位的密封一方面应能防止润滑油外泄，同时也能防止杂质进入箱体内。,三、密封,常用的密封分为非接触式密封和接触式密封两种。1非接触式密封 所有的非接触式密
13、封不会产生磨损，使用时间长。,2接触式密封 接触式密封使用的密封件应密封可靠、耐久、摩擦阻力小、容易制造和装拆，应能随压力的升高而提高密封能力和有利于自动补偿磨损。,四、齿轮箱的润滑、冷却,齿轮箱的润滑十分重要，良好的润滑能够对齿轮和轴承起到足够的保护作用。,为此，必须高度重视齿轮箱的润滑问题，严格按照规范保持润滑系统长期处于最佳状态。齿轮箱常采用飞溅润滑或强制润滑，一般以强制润滑为多见。,偏航系统,偏航系统是为了在风向发生变化时，通过控制系统的命令使叶轮对准主风向。一般风机在机舱后部有两个互相独立的传感器(风速计和风向标)。,自然界的风，不论是速度还是方向，都经常发生变化。对于水平轴风力机，
14、为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准风向，为此，需要对风装置。,当风向发生时，风向标登记这个方位，并传递信号到控制器，然后控制器控制偏航系统转动机舱。,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。,图12是一些典型对风装置。采用方法主要有（a）用尾舵控制对风；（b）在风力机两侧装有控制方向的小型舵轮；（c）用专门设计的风向传感器和伺服电机相结合。多用于大型风力机。,图12 对风装置,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
15、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。,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。,刹车系统,风机刹车常用于安全系统.也用于静止或正常运行。刹车一般采用
16、机械的、电气的及空气力，使风机安全可靠停止运行。,刹车闸通常设置在高速轴或低速闸上。设置在高速轴有以下优点刹车力矩较小，刹车力矩与齿轮箱的变比有关系；齿轮箱可带集成风轮支撑。但同时它也存在不足，制动载荷大，对齿轮箱冲击大，安全性也较差。,设置在低速闸上有以下优点:有较大的制动力矩作用在低速轴上，刹车较可靠，刹车时产生的制动载荷不会作用在齿轮箱上；但同时它也存在不足，所需刹车力矩大，且闸体支排材料好。,国产化风机是由空气制动闸和高速轴上、下两套闸体构成。其中，高速刹车闸较空气制动闸更为重要。,图13,风机在停机状况时，闸体在弹簧力作用下使闸垫与圆闸盘接触，由于磨擦力作用在闸垫与圆闸盘上。使风机不
17、能起动，在无故障或风速到达起动风速时，液压泵工作，当液压站系统压力大于弹簧力时，上、下闸体分别于圆闸盘分离，风机自由旋转。,高速轴设置刹车闸最大的弊端:齿轮箱经常过载，由于风轮制动时叶片不连贯停顿，动态载荷使齿轮箱内齿与齿来回碰撞，使齿牙长期受弯曲应力。,为了避免上述情况，保护刹车片，刹车力矩的设定及恒定，是至关重要的，只有刹车力矩恒定，风机在制动过程才能保持柔性。,控制与安全系统,控制与安全系统是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是保证了机组安全运行，通常风力发电机组运行所涉及的内容相当广泛就运行工况而言，包括起动、停机、功率调解、变速控制和事故处理等方面的内容。,功率
18、调节定浆距功率调节：根据异步发电机转速与同步转速的转差率来调节功率的输出及风轮转速。,变浆距功率调节：根据测量风速和测量风轮转速调节浆叶安装角的变化和变化速度来控制功率的输出及转速。,顺序控制 迎风机构的控制：根据风向传感器的信号控制迎风机构的伺服电动机正反转来驱动机舱转盘，使机舱旋转跟随迎风。,为防止机舱向某一方向旋转过多，设置电缆纽转传感器，当转盘旋转到某一设定值时，向控制系统发出信号，使电缆解除缠绕。,异步电机大/小电机的切换：由于风力机的输出功率与风速率的3次方成正比，随着风速的变化，电机输出功率将在大范围内变化。,为使电机能高效率地运行，风力发电机常配置双电机或双绕组电机，以适应不能
19、的风速段。解决电机切换过程的瞬变电流，是此切换控制功能的主要内容。,机组的起动与停机：机组能在控制系统的控制下，按照风力机组起动/停止的顺序来控制机组的起动/停止。,紧急停机控制：对变浆距风力发电机组，通过应急顺浆机构和变速传动机构中的气(液)动制动装置的动作来实现紧急停机。,对定浆距风力发电机组，通过叶尖气动刹车机构和变速传动机构中的气(液)动制动装置的动作来实现紧急停机。,自动并网/解列控制：风力发电机的并网控制和风力发电机的类型有关，主要用于线路投切和机组并网，它通过交流量的采样，开关量输入和输出，以及各种手/自动操作，达到交流信号的检同期和自动同期功能；,风力发电机组在启停过程中，机组
20、各部件将受到剧烈的机械应力的变化，而对安全运行起决定因素是风速变化引起的转速的变化。所以转速的控制是机组安全运行的关键。,风力发电机组组的运行是一项复杂的操作，涉及的问题很多，如风速的变化、转速的变化、温度的变化、振动等都是直接威胁风力发电机组的安全运行。,塔架与基础,为了让风轮在地面上较高的风速中运行，需要用塔架把风轮支撑起来。塔架在风力发电机中主要起支撑作用，同时吸收机组震动。,这时塔架承受两个载荷：一个是风力机重力，向下压在塔架上，一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲。,塔架主要分为塔筒状和桁架式。塔架所用材料，可以是铁管，或其他圆柱结构，也可以采用钢材做成的桁架结构。,锥型圆筒状塔架,
21、国外引进及国产机组绝大多数采用塔筒式结构。这种结构的优点是刚性好，冬季人员登塔安全，连接部分的螺栓与桁架式塔相比要少的多，维护工作量少，便于安装和调整。,目前我国完全可以自行生产塔架，有些达到了国际先进水平。40m塔筒主要分上下两段，安装方便。一般两者之间用法兰及螺栓连接。塔筒材料多采用Q235D板焊接而成，法兰要求采用Q345板(或Q235D冲压)以提高层间抗剪切力。,从塔架底部到塔顶，壁厚逐步减小，如6、8、12mm。从上到下采用50的锥度，因此塔筒上每块钢板都要计算好尺寸再下料。在塔架的整个生产过程中，对焊接的要求很高，要保证法兰的平面度以及整个塔筒的同心。,桁架式塔架,桁架式是采用类似
22、电力塔的结构型式。这种结构风阻小，便于运输。但组装复杂，并且需要每年对塔架上的螺栓进行紧固，工作量很大。冬季爬塔条件恶劣。,桁架式多采用l6Mn钢材料的角钢结构(热镀锌)，螺栓多采用高强型(10.9级)。它更适于南方海岛使用，特别是阵风大、风向不稳定的风场使用，桁架塔更能吸收机组运行中产生的扭矩和振动。,塔架与地基的连接,塔架与地基的连接主要有两种型式：一种是地脚螺栓。地脚螺栓除要求塔架底法兰螺孔有良好的精度外，要求地脚螺栓强度高，在地基中需要良好定位，并且在底法兰与地基间还要打一层膨胀水泥。,一种是地基环。地基环则要加工一个短段塔架并要求良好防腐放入地基，塔架底段与地基采用法兰直接对法兰连接
23、，便于安装。,海上风电场的基础结构,单桩固定式单桩固定式基础现在已经逐渐成为风电机组安装的一种标准方案，并已经在许多大型风电场中采用。此方案的最大优点在于它的简易性利用打桩、钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥沙以下一定的深度，通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保证基础的平正。,三腿或多腿固定式此方案用于水深超过30m的条件。较单桩固定式更为坚固和多用，但其成本较高，移动性也不好。,混凝土重力固定式这是海上风电采用的第一种结构，它主要是靠体积庞大的混凝土块的重力来固定风机的位置。这种方案使用方便，而且适用于各种海床土质。,钢制重力固定式当把钢制基座固定之后，向其内部填充重矿石以增加重量
24、。虽然此方案也适用于所有海床土质，但其抗腐蚀性较差，需要长期保护。,桶式基础这种基础是将其放置在海床上之后，抽空内部的海水，靠周围海水所产生的压力将其固定在海床上。此种基础节省了钢材用量和海上施工时间，降低了生产、运输、安装成本。,浮置式浮置式基础适用于50m100m的水深，其成本较低，而且能够扩展现有海上风电场的范围。但是，由于其不稳定，意味着仅能适用于海浪较低的情况。,塔架的选型原则应充分考虑外形美观、刚性好、便于维护、冬季登塔条件好等特点（特别在中国北方)。在选择塔架时，还要考虑运输和塔架成本等问题。,储能装置,储能装置对孤立运行的小型风力机是十分重要的。其储能方式有两种。1.热能储存。
25、只要使用电阻式电热器就可将电能变成热能,用热水将其储存起来。2.化学能储存。蓄电池是化学储能的典型方式。,铅酸蓄电池的单片电压为2伏，在使用中，往往把几个蓄电池串联或并联起来。,蓄电池的容量用安时（Ah）表示。蓄电池的电压随着放电逐渐下降，并且在放电后期电压大幅度下降，所以铅酸蓄电池的电压在1.41.8伏的范围内必须停止使用。,蓄电池能够多次反复使用，但经过若干次放电周期后，蓄电池的容量老化到标准值的80%以下时，便不能继续使用。铅酸蓄电池的使用寿命为120年左右。,蓄电池的电压在不用时会逐渐降低，平均每个月自身放电20%左右。温度越高，蓄电池越旧以及铅酸蓄电池电解液的比重越大，其自身放电也越
26、严重。,蓄电池的充放电特性在低温状态下明显下降。并且蓄电池必须放在通风的地方,因为蓄电池在充电时会产生氢气和氧气，不通风易造成氢气爆炸。,在使用蓄电池时要注意下列事项：1.防止过充、过放电，因过充、过放电会降低蓄电池的寿命。2.避免在高温下使用。因高温会使蓄电池寿命显著缩短。,3.避开火源。因蓄电池产生氢气，易引起爆炸。4.电解液要注意及时添蒸馏水。,逆变器,逆变器是一种将直流电变成交流电的装置。现在有很多电气设备，如电动机、电视以及其它音响设备都要求120220V的交流电，就要求一个逆变器。,逆变器有几种类型。有一种逆变器是利用一个直流电动机驱动一个交流发电机。由于直流电机以常转速驱动发电机
27、，所以发电机的频率不变。这种装置叫做旋转逆变器。,其它逆变器叫做静态逆变器，如使用晶体管把直流电变成交流电。有些逆变器，成本低，但发出方波电流；而较贵的逆变器和旋转逆变器发正弦电流。,正弦电流是最理想的电流，特别是电视等音像设备都要求正弦波，方波有时会使声像失真。,逆变器的额定规格是连续最大输出功率，以W表示。大多数逆变器具有一定过冲击能力。如一个500W的晶体管逆变器，在10秒甚至一分钟内能发出700W的功率。这种耐冲击的能力是必要的。例如电冰箱，在起动时，电动机的起动电流很大。,风力发电机组的逆变器配套控制器，除可以将蓄电池的直流电转换成交流电的功能外，还具有保护蓄电池的过充、过放、交流泄
28、荷、过载和短路保护等功能，以延长蓄电池的使用寿命。,大型风力发电机的组成及控制,1973年发生石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻找替代化石燃料的能源，投入大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。,大型风力发电机控制技术,风能技术是一项综合技术，它涉及到空气动力学、结构力学、气象学、机械工程、电气工程、控制技术、材料科学、环境科学等多个学科和多种领域。风的不稳定性、风能流密度低和并网技术的要求推动着风力发电机组的控制技术发展。,2.2.1 叶轮控制技术：,功率调节是叶轮的关键技术之一，目前投入运行的机组主
29、要有两类功率调节方式：一类是定桨距失速控制；另一类是变桨距控制。,(1)定桨距失速控制,风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性，称为定桨距风力发电机组。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，从风能利用系数Cp的关系看，难以保证在额定风速之前使Cp最大，特别是在低风速段。,这种机组通常设计有两个不同功率，不同极对数的异步发动机。大功率高转速的发动机工作于高风速区，小功率低转速的发动机工作于低风速区，由此来调节尖速比，追求最佳Cp。,当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低Cp，从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定，通常有些下降。定桨距失速控制风力机整机机构简单，部件少，造价低，并具
30、有较高的安全系统，利于市场竞争。,但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增加，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。,变桨距控制,为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机将进行桨距调整。在定桨距基础上加装桨距调节环节，成为变桨距风力发电机组。,变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，它要依靠与叶片相匹配的叶片攻角改变来进行调节。,在额定风速以下时攻角处于零度附近，此时，叶片角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可看作等同于定桨距风力发电机组。,在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角
31、，保证发电机的输出功率在允许范围以内。变桨距风力发电机组的起动风速较定桨距风力发电机组低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。,风力发电机组正常工作时，主要采用功率控制。对于功率调节速度的反映取决于风机桨距调节系统的灵敏度。在实际应用中，由于功率与风速的三次方成正比，风速的较小变化将造成风能的较大变化。,风机的输出功率处于不断变化中，桨距调节机构频繁动作。风力发电机组桨距调节机构对风速的反应有一定的时延，在阵风出现时，桨距调节机构来不及动作而造成风力发电机组瞬时过载，不利于风力发电机组的运行。,变桨距风力机能使叶片的安装角随风速而变化，从而使风力机在各种工况下（起动、正常运转、停机）按最佳参数运
32、行。,它可以使发动机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机等。,当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨调节机构。现在这两种功率调节方案在技术上都比过去的有很大改进，而两种方式结合称为主动失速，都为大、中型风力发电机组广泛采用。,它可以使发动机在额定风速以下的工作区段有较高的发电量，而在额定风速以上高风速区段不超载，不需要过载能力大的发电机等。当然它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨调节机构。,现在这两种功率调节方案在技术上都比过去的有很大改进，而两种方式结合称为主动失速，都为大、中型风力发电机组广泛采用。,发电机控制技术,恒速恒频系统在
33、同步发电机或异步发电机，通过稳定风力机的转速来保持发电机频率恒定。不论发电机的转矩（对叶轮讲即为阻转矩）如何变化，发电机的转速恒定不变。,这要求风力机有很好的调速机构，或采用其他方式维持风力发电机转子转速不变，以便维持发电机的频率与电网的频率相同，否则，发电机将与电网解裂。恒速恒频系统缺点是风能利用系数低，减少了机组的年发电量。,变速恒频发电系统是70年代中期开始研究和发展起来的一种新型风力发电系统，其特点是发电机的转速和负荷可以在很大范围内变化而不影响其输出电压和频率的恒定。,磁场调速变速恒频发电机是由一台专门设计的高频发电机和一套功率转换电路组成。,变速恒频发电系统有多种，如交-直-交系统
34、、变流励磁发电系统、无刷双馈电机系统、开关磁阻电机系统、磁场调制发电系统、同步异步变速恒频发电系统等。,现在无刷双馈发电机成应用较多。无刷双馈发电机由两台绕线式异步电机组成，两转子的同轴连接省去了滑环和电刷。无刷双馈发电机可在转子转速变化的条件下，通过控制励磁机的励磁电流频率来确保发电机输出电频率保持在50Hz不变。,因此，无刷双馈发电机可实现变速恒频发电。无刷双馈发电机结构简单，坚固可靠，比较适合风力发电等运行环境比较恶劣的发电系统使用。,无刷双馈发电机可在转子转速变化的条件下，通过控制励磁机的励磁电流频率来确保发电机输出电频率保持在50Hz不变。,因此，无刷双馈发电机可实现变速恒频发电。无
35、刷双馈发电机结构简单，坚固可靠，比较适合风力发电等运行环境比较恶劣的发电系统使用。,直驱式风力发电机组，采用可低转速运行的发电机直接与风力机匹配，省去齿轮箱和高速传动装置，在提高几个百分点效率的同时，可减轻系统重量，降低噪声高速机械磨损，其低成本和维修少的优点，尤其适用于海上风电场。,低速运行的发电机为多级结构的永磁同步发电机组，如Enercon公司的E-40型500kW无齿轮风电机组，有84极，电机直径达到了4.8m，使机舱有凸出部，影响了空气动力特性。,另一种是垂直轴型无齿轮风电机组是将多级发电机组安装在叶片处，虽然可避免力矩传动轴过长的缺陷，但同时破坏了安装和调试的方便性。目前，1.5M
36、W的无齿轮箱直接驱动型的风力发电机组已投入商品化生产。,并网控制技术,把风力发电机联接到电网上必须满足四个条件：1)发电机的频率与电网的频率相等；2)发电机的电压（幅值）与电网电压（幅值）相等；,3)发电机的电压相序与电网电压相序相同；4)并联合闸时发电机的电压相角与电网的电压相角一致。,为了实现风力发电机组并网对叶轮和发电机技术有较高的要求，如上叙述发电机和叶轮的技术。传统的控制模式需要首先建立一个有效的系统模型，而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，系统模型的不易确定。,所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期，由现代控制技术发展，模糊逻辑和神经网络的智能控制被引入风力发电机组控制领域，用模糊逻辑控制进行电压和功率调节，用神经网络控制桨距调节及预测风力气动特性。,目前风力发电机组的普遍采用的并网方法是软并网技术。采用双向晶闸管的软切入法，使异步发电机并网。,图15 异步发电机经晶闸管软并网原理图,同步发电机并网近年得到了发展，通过在同步发电机与电网之间采用变频装置，转速和电网频率之间的耦合问题得以解决，该发电机在变速风力发电机组中应用。,图16 风力机驱动的同步发电机与电网并联,
