风电技术培训资料1离网风力发电系统.doc

离网风力发电系统1、 离网风力发电系统的原理和功能离网风力发电系统的原理是利用风力驱动风力机风轮转动，并将转矩传递到发 电机，带动发电机发出电能与此同时，借助风力机的调向、调速机构、电气控 制及变流装置，将瞬息变化的风能转换为稳定的、可直接应用的电能在无风、 风力发电机组不能运行发电时，为保持系统不间断供电，离网风力发电系统还要 配备电能储存装置风力发电机发出的交流电经整流后直接向蓄电池组充电及直 流负载供电，经变流器（单相或三相）还可向交流负载供电在离网风力发电系 统中有两条主线，一是功率能量转换，另一是过程控制及安全防护两者协调作 用，使系统完成发电、供电功能离网风力发电系统属于独立的发电供电系统，在电力网络不能覆盖的区域，利 用风能资源解决当地的电力需求，是非常适用的新能源设备在规模较大的风电场，可以作为大型并网发电系统的补充，充分利用风电场在 高度和地面的空间，安装中小型风力发电系统，以增大风电场的装机容量在有些地区受风能资源、地理环境、交通和运输安装等条件制约不便于安装大 型风力发电机，却更适合安装使用中小型风力发电机在很多风能资源较丰富的 地区，还可以中小型风力发电系统为主体，采用风、光、柴油发电机组、蓄电池 组和双向逆变器等多能互补的方式组成微电网或分布式发电供电站。

2、 离网风力发电系统的构成离网风力发电系统是由风轮、传动、发电机、迎风回转机构、调邙艮）速机构、 塔架和基础、电气控制系统、储能装置、变流器（含逆变和低压并网装置）以及 用电负荷等构成附图AHBJ-7. 6/lOkW变桨距风力发电组结构外形图，是一种比 较典型的离网风力发电系统wittrnnrr nnmL□ □o O o© m⑪xo© W©般憾撚©側姓拥級®电锄⑨mo6) «fi⑪B\口 口 0o口口 0o o O2. 1 •风轮风轮是风力发电机的动力部件，它将风能转换为机械能，以旋转的方式通过风 轮轴将转动力矩传递（直接驱动或经过齿轮箱）给发屯机风轮由叶片和轮毂组 成，叶片设计成具有高转换效率的空气动力外形风轮按风轮轴的布置分为水平 轴和立轴；按结构构分为定桨距和变桨距；水平轴按风轮所在位置又分为上风向 和下风向参见风轮）2.2发电机发屯机将机械能转换为电能发电机按类型分为同步和异步发电机；励磁和永 磁发电机；直流和交流发电机按运行方式又分为内转子和外转子当前离网型 风力发电机组采用的发电机多为同步三相永磁式交流发电机，而且是直接驱动的 低转速、内转子运行方式这种发电机为永磁体转子，无励磁电流损耗，它比同 容量电励磁发屯机效率高、重量轻、体积小、制造工艺简便、无输屯滑环，运转 时安全可靠，容易实现免维护运行。

它的缺点是电压调节性能差一种爪极无刷自励磁交流发电机，具备励磁电流自动调节功能在为独立运行 的小型风力发电机配套时，可以有效的避免因风速变化，发电机转速变化而引起 的端电压波动，使发电机的电压和电流输出保持平稳2. 3传动装置及增速齿轮箱目前国内生产的lOOkW以下的机型多采用风轮直接驱动低转速永磁发电机的结 构无齿轮箱的风力机外形紧凑，结构简单，运行可靠，避免了齿轮箱的维护和 检修国外离网风力发电机组有的采用增速齿轮箱把风轮的低转速提速到每分钟 千转以上，再带动发电机发电发出相同功率，发电机运行在高转速时体积小、 重量轻、制造成本低但是为风力机配套的增速齿轮箱要求体积小、重量轻、效 率高、噪音小、密封好、能承受冲击载荷、寿命长这种齿轮箱的制造成本高， 还会带来维护、检修的麻烦因此齿轮箱的取舍应从系统整体的技术性、经济性 综合考虑做出选择2. 4迎风机构风向在不断的变化，为了更多的获取风能，在正常状态下风力机必须跟踪风向 保持风轮正对风的迎风位置迎风机构常见的有：尾舵、舵轮、风轮下风向布置 和电力驱动基本要求是在风向变动±15°范围内跟踪风向变化使风轮迎风2. 4. 1尾舵尾舵因其结构简单、制造工艺简便，是小型风力发电机常用的一种迎风机构。

它是由尾杆和舵板组成通过尾杆长度和舵板而积的配置，在风向偏离风轮轴线 ±15°范围内尾舵能响应风向变化、使风轮保持迎风状态推荐：风轮回转盘而距塔杆0. 1D-0. 125D（D —风轮直径），尾杆长度为0. 5D- 0. 6D,尾舵而积为0. 024D2-0. 03D\适当增加尾杆长度可降低风力机主体的回转 角速度，减轻陀螺力的影响，使风力机运行更平稳2. 4. 2舵轮舵轮是由气动转矩较大的多叶片风轮组成舵轮安装在回转体上，其盘而与风 轮盘而相垂直，风轮迎风时舵轮侧风；当风轮偏离风向时舵轮迎风，舵轮在风力 作用下转动，通过增加扭矩的传动机构驱动风力机主体回转，使风轮保持迎风状 态与尾舵相比，舵轮外观紧凑，迎风调节过程中风力机主体的回转角速度低， 风力机运行平稳它适用于风轮直径大于10m的风力机2.4.3风轮下风向布置风轮在风力作用下绕塔架顶端支承转动，转至塔架的下风向稳定在迎风状态 其特点是省去尾舵、舵轮和复杂的电力驱动等迎风机构，风力机组的质量减轻， 体积减小风轮下风向布置为避开塔影效应，风轮与塔杆之间要设置较长的距离, 由此将在塔顶回转体上造成不平衡的重力载荷，在塔架倾斜时，偏重一侧受重力 矩作用会绕塔架转动并滞留在最低处，在风向变化时风轮不易迎风。

塔架的垂直 度控制在塔架高度的千分之二就可避免此现象发生2. 4. 4电力驱动电力驱动机构多用于风轮直径较大的风力机在机舱顶部设置风向标，当风向 标偏离风轮轴向±15°时，风向传感器向处理器发出信号，再由处理器向电驱动 机构发出指令，启动回转机构绕塔架转动，使风轮保持迎风状态为减轻陀螺力 降低动载荷，要控制电驱动的回转角速度大型风力发电机由于风轮转动惯量比 较大，电驱动回转角速度取值为0. 026-0. 035rad/s;中、小型风力发电机通常取值 为 0. 2-0. 5rad/so2.5调邙艮）速机构在失去控制的情况下，风轮转速将随风速增大正比增高，而风力机功率将随风 速增大呈3次方的关系增大调邙艮）速机构的功能是通过减小风轮受风而积或 调节风能利用系数的大小，改变风力机获取风能量的多少来控制风力机的转速和 功率调节方式主要有风轮偏离风向、变桨距控制、失速控制三种类型2. 5. 1风轮偏离风向偏离风向减小风轮受风而积，控制风力机的转速和功率的方式广泛应用于风轮 直径小于6m的风力机常见的有侧翼、风轮偏置、风轮上仰等使风轮偏离风向的 方法这些方式结构简单、制造工艺简便、能够达到限速的目的。

它的缺点是调 控粗放、过程不稳定、受惯性力牵连易产生较大的动应力载荷2. 5. 2变桨距调节风轮旋转，叶片处在最佳迎角时风能利用系数最大，偏离最佳迎角时风能利用 系数则降低基于这个原理，在额定风速及低于额定风速值时，使叶片处在最佳 迎角，保持最大的风能利用系数，使输出功率达到预期值；当超过额定风速时变 桨距（增大或减小），使叶片偏离最佳迎角，降低风能利用系数，达到控制风力机 转速和功率的目的变桨距控制常用于风轮直径大于6m的风力发电机常见机械离心飞锤（飞杆）、 机械离心螺旋、风压、弹性（柔性）、电（或液力）驱动变桨距机构变桨距调速 机构的特点是改变叶片安装角（正向变桨改变0—90° ；负向变桨改变15-18° ）, 降低风能利用系数，甚至可使风轮的驱动转矩为零它的优点在于调控比较精准, 过程稳定，变桨距风轮己将超余的风能量排除在系统之外，减轻了风力机组的载 荷和应力问题在于变距机构较复杂，对机械零件所用材料及制造工艺要求较高 尤其是电动或液力变桨距系统还要增加传感、信息处理、液力传动、伺服执行等 若干高价位、精密的机电器件，提高了制造成本，增加了故障源在运行中还有 密封、润滑保养和维护、检修等操作繁事。

然而随着变桨距技术快速进步和不断 完善，变桨距控制技术将是今后发展趋参见调速系统)2. 5. 3失速控制失速控制方法较多的用于并网运行的定桨距大直径风轮失速控制的风力机在 额定运行状态时，气动设计已将叶片设置在临近失速点当超过额定风速时叶片 表面流动的气体立即呈现分离状态，致使作用于叶片的升力不再增加，风能利用 系数下降，风轮转速和功率不随风速的增大而提高通常为安全考虑，失速控制 需配置强力可靠的机械制动和在叶片上安装限速用气动阻尼板当岀现超额定风 速时，要求所拖动的负荷能有效的牵制风力机转速，才能实现失速控制离网风 力发电系统只有在具备较大的超负荷运行能力时才能有效地实施失速控制2. 6电气控制系统电气控制系统的作用是确保风力机运行过程的安全性和可靠性，提高机组的运 行效率和发电供电质量离网型风力发电系统对配套控制系统的基本要求如下：(1) 整流器件的耐电压、耐电流的高限值要有充足的裕度，推荐3倍以上；(2) 向蓄电池充电的控制系统，以充电电流为主控元素，控制蓄电池的均充、 浮充转换，以均充电压、浮充电压、充电时间作为控制条件，按蓄电池的充电、 放电技术规范进行充、放电；(3) 向逆变器电源供电的控制系统应满足逆变电源所需直流电压和容量的要 求；(4) 卸荷分流要兼容电压调控分流和防止风力机超转速加载两项控制；(5) 检测风力机转速、输出电压、输出电流、机组振动等状态超过限定值或 允许范围时，控制系统自动给风力机加载，同时实施制动；(6) 应具备短路、直流电压“ + ”、“-”反接、蓄电池过放电、防雷击等安全 保护功能。

功率容量几千瓦的离网风电系统常配置简易的控制器它包括三相全桥整流、 电压限制、卸载分流电阻箱、对蓄电池充电时的充放保护和容量5kVA以下逆变电 源逆变电源输出的交流电波形分正弦波和方波，感性负载宜采用正弦波形的逆 变电源比较完善的电气控制：采用了 PWM斩波整流，使电气控制系统具备了 AC-DC/DC-AC双向变换功能；釆用PWM升压型(Boost型)整流时，能弥补永磁发 电机在低风速、低转速时电压偏低的缺陷；根据风力发电机的运行特性切入了最 大功率跟踪技术(PTTP)；具备向蓄电池智能充电功能；通过改善输出的交流波形, 大幅提高风力发电系统的运行效率和年发电量；设置了状态显示和主参数通讯接 口功能完善的控制系统能保障风力机技术性能可靠，运行稳定安全参见电气 控制系统)2. 7制动器制动器是风力机不可缺少的、重要的安全保护部件遭遇破坏性大风或机组出 现严重故障时，必须立即实施有效的制动，停止运行离网风力发电机常在风轮轴或与风轮轴联接的轴上设置内涨(或外抱)机械式 制动器，通过杠杆、滑轮、钢丝绳与塔架根部的操作手柄相连接，以手动方式操 纵制动器的制动与释放技术较完善机组则采用电动绞车、内涨式气动制动器或 钳式电磁制动器，实现自动制动，停机。

由于直接对风轮轴实施制动，要求制动器的制动力矩要大于风力机运行时风轮 驱动和转动惯量合成的力矩，并要留有足够的裕度参见制动系统)2・8蓄能装置风能是随机性的能源，高峰和低谷落差甚大，且具有间歇性，极不稳定为有 效地利用风能必须配备蓄能装置当前风力发电系统可选择的蓄能方式有：蓄电 池蓄能、飞轮蓄能、提水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种离网风力发电系统广泛采用蓄电池作为蓄能装置蓄电池的作用是当风力强 劲、风力机发电量大，或用电负荷少时，将电能存入蓄电池；当风力较弱，或用 电负荷较大时，蓄电池中的电能向负荷供电，以补充风电的不足，保持风力发电 系统持续稳定供电的运行状态目前，离网风力发电系统较多釆用储能型(固定)铅酸蓄电池，它的单体电动 势为2V,单体容量从几百安时到数千安时电池组配套时可根据风力发电系统的。