风电机组整机基础知识南车讲义

二零零七年初，有一 些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风 轮直径达到约90米的风力发电机（例如Vestas（维斯塔斯 ）V90 3.0兆瓦风 电机， Nordex （德国恩德）N90 2.5兆瓦风电机等）， 甚至有些直径达100 米 ( 如GE（通用电气） 3.6 兆瓦风电机) 。 这 些大型风力发电机主要市场是欧 洲。在欧洲，适合风电的地段日渐 减少，因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机 。
横轴式
横轴风力发电机和竖轴风力发电机根据叶片固定轴的方位， 风力发电机可以分为横轴和竖轴两类。竖轴式风电机工作时转轴 方向与风向一致，横轴式风电机转轴方向与风向成直角。
横轴式风电机通常需要不停地变向以保持与风向一致。而 竖轴式风电机则不必如此，因为它可以收集不同来向的风能。
横轴式风电机在世界上占主流位置。 逆风风力发电机和顺风风力发电机 逆风风电机是一种风轮面向来风的横轴式风电机。而对於顺 风风电机，来风是从风轮的背後吹来。大多数的风力发电机是逆 风式的。 单叶片、双叶片和三叶片风力发电机 叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂 度、成本、噪音、美 学要求等等。大型风力发电机可由1、2或 者3片叶片构成。叶片较少的风力发 电机通常需要更高的转速以 提取风中的能量，因此噪音比较大 。而如果叶片 太多，它们之 间会相互作用而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流。从美 学角度上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。
风力发电机的性能可以用功率曲线来表达。功率曲 线是用作显示 在不同风速下（切入风速到切出风速）风电机的输出功率。
为特定地点选取合适的风力发电机，一般方法是采用风电机的功率 曲线和该地点的风力资料以进行产电量估算。
风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速设而定的。由 於能量与风速的立方成正比，因此 ，风力发电机的功率会随风速变化 会很大。
机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和 风轮自动转向，面向来风。 风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果 没有齿轮变速箱则直接传送到发电机）。在风电工业中，配有变 速箱的风力发电机是很普遍的。不过，为风电机而设计的多极直 接驱动式发电机，也有显著的发展 。
设於塔底的变压器（或者有些设於机舱内）可提升发电机的 电压到配电网电压（香港的情况为11千伏）。
另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机，已经完成设 计并 制成原型机。例如REPower公司（德国）设计的风力发电机风 轮直径达126米，功率达5兆瓦。
3.风的功率计算
风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下 列公式计算 。
能量= 1/2 X 质量 X (速度)^2 吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式 算 。 功率= 1/2 X 空气密度 X 面积 X ( 速 度 )^3 其中功率单位为瓦 特； 空气密度单位为千克/立方米； 面积指气流横截面积，单位为平方米 ； 速度单位为米/秒。 在海平面高度和摄氏15度的条件下，干空气密度为 1.225千 克/ 立方米。空气密度随气压和温度而变。随著高度的升高，空 气密度也会下降。 上述公式中可以看出，风的功率与速度的三次方（立方）成 正比，并与风轮扫掠面积成正比。不过实际上，风轮只能提取风 的能量中的一部分，而非全部 。
4.风力发电机的功率曲线
在风速很低的时候，风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。之後输出功率 会保留大致不变。当风速进一步增加， 达到切出风速的时 候，风电机会剎车，不再输出功率，为免受损。
风力发电机的风轮并不能提取风的 所有功率。根据Betz 定律，理论上风电 机能够提取的最大功率，是风的功率 的 59.6%。大多数风电机只能提取风的功 率的40%或者更少。
风力发电机主要包含三部分∶风轮、 机舱和塔杆。大型与电网接驳的风力发电 机的最常见的结构，是横轴式三叶片风轮 ，并安装在直立管状塔杆上。
风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电 机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。 通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。 这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的 交流电。
比较新型的设计一般是可变速的（比如Vestas公司的V52850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟 31.4转）。利用可变 速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能 量，而且在 弱风情况下噪音更低。因此，变速的风电机设计比 起定速风电机，越来越受欢迎。
所有风力发电机的功率输出是随著风而变的。强风下最常见 的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速 调节和斜角调节。使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风 会导致通过业片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时， 业片 尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节的风电 机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速不同而 转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时 ，叶片转 动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。
同样构造和风轮直径的风电机可以配以不同大小的发电机。因此 两座同样构造和 风轮直径的风电机可能有相当不同的额定输出功率值， 这取决於它的设计是配合强风地带（配较大型发电机）或弱风地带 （配较小型发电机）。
空气密度按照标准空气密度(1.225kg/m3)计算功率曲线如下。
5.风力发电机的主要种类
竖轴式
叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电 流引导到地下去。
2.风力发电发展史
风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起 ， 这项技术不断发展并日渐成熟 ，适合工业应用 。近 二三十年 ，典 型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升 。
在二十一世纪 00年代初 ，风力发电机最具经济效益的额定 输 出功率范围在 600千瓦至750千瓦之间，而风轮直径则在40米 至47 米之间。当时所有制造商都有生产这类风力发电机 。新一 代的兆 识
中国南车株洲电力机车研究所风电事业部
第一篇 风力发电简介
1.风力发电理论原理
变压器升压后输 送至电网
风能
机械能
电能
叶轮吸收风能 转化为机械能
发电机将机械 能转化为电能
现代风力发电机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一 样。风并非"推"动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压 差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。