2020风力发电技术与工程应用.docx

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1、风力发电技术与工程应用目录译 者 序 原书前言第 1 章风能简介11. 1风力机的基本结构与发电原理21. 2风能利用的历史51. 3风力机的分类71. 4风力机的技术规格111. 5风力机的标准与认证131. 6不间断电能供应的需求181. 7电力传输的制约因素191. 8美国的电力负荷201. 9美国总的日负荷231. 10最大负荷231. 11商业负荷与工业负荷241. 12民用负荷1. 13电网系统 25 261. 14偏远地区的独立电源271. 15风能的环境和生态评估1. 16绿色能源技术的必要性 28 281. 17风能的发展趋势1. 18风能的政策走向 29 291. 19财政

2、扶持和投资回报301. 20绿色能源投资回报期的计算311. 21风能的税赋考虑331. 22绿色技术岗位的技能需求351. 23风能产业的工作岗位36第 2 章风能资源与风力机选址 422. 1风能的基本物理特性422. 2风的特性45目录2. 3与风电系统相关的地理因素462. 4风速变化472. 5风速的季节变化和年度变化特性472. 6风速的昼夜变化472. 7紊流482. 8阵风风速482. 9极端风速482. 10风速预测492. 11风场的尾流效应502. 12复杂地形引起的紊流522. 13根据需求选定风场装机容量522. 14如何确定一个地区的可利用风能542. 15影响风电

3、的地方性法规552. 16风力机选址要求562. 17选定合适的风力机安装地点56第 3 章垂直轴及水平轴风力机的运行 603. 1风力机叶片概述603. 2风力机的类型643. 3垂直轴风力机673. 4水平轴风力机693. 5叶片的几何设计713. 6叶片的数量713. 7叶片类型比较743. 8单叶片、 双叶片和三叶片风力机的优缺点75第 4 章风力机的性能 794. 1恒速运行794. 2风力机叶片的转动原理804. 3攻角和叶片节距角804. 4叶片节距控制804. 5变风速情况下风力机的运行834. 6发电量估测844. 7风力机测试854. 8风力机的紊流问题864. 9如何确定

4、风力机的最佳性能87风力发电技术与工程应用第 5 章水平轴风力机的主要部件 925. 1水平轴风力机概述935. 2机舱和机舱底座945. 3转子轮毂和叶片类型955. 4叶片的数量965. 5叶片节距控制975. 6转速及其控制995. 7叶片的独立变桨控制995. 8基于负荷效率的节距控制1005. 9偏航机构1005. 10偏航驱动1015. 11偏航控制1015. 12偏航制动1025. 13数据采集和通信1025. 14风速计和风向仪1035. 15风力机监控和数据采集 （ SCADA） 系统1055. 16风力机控制系统1055. 17可编程序控制器 （ PLC） 的基本原理 10

5、65. 18PLC 的输入与输出1115. 19PLC 模拟控制1135. 20基于 PLC 反馈控制的风力机控制1155. 21基于 PLC 的功率控制1165. 22叶尖速的优化1175. 23基于 PLC 的叶片转矩优化1175. 24PLC 程序存储及永久性存储器1175. 25发电机励磁控制1185. 26液压控制1185. 27液压系统在风力机中的作用1185. 28液压泵1225. 29方向控制装置1275. 30基于液压电磁阀的电气控制1345. 31液压缸和液压马达1355. 32液压比例控制阀1365. 33风力机的制动器139目录第 6 章发电机1446. 1交流电与直流

6、电概述1456. 2“ 交流” 的含义1466. 3交流电的频率6. 4电磁理论介绍 146 1476. 5直流发电机6. 6交流电动机6. 7交流发电机 151 155 1606. 8异步交流发电机1646. 9同步发电机1656. 10双馈感应发电机1666. 11永磁同步发电机1666. 12使用交流发电机发出直流电167第 7 章齿轮箱与直驱系统1697. 1齿轮箱的作用1707. 2齿轮传动比的作用1717. 3齿轮类型1727. 4斜齿行星齿轮1787. 5轴承1817. 6差动齿轮箱与直齿圆柱齿轮1887. 7主齿轮箱1887. 8传动链1897. 9直驱系统191第 8 章电网

7、与风电并网1958. 1了解电网8. 2智能电网 196 2008. 3变压器及输配电基本设备2028. 4并网导则的原则和规范2088. 5国家电气规范和电网其他要求2088. 6建筑供电和居民供电2098. 7输配电中的开关与并网2108. 8电力部门的电能计量2118. 9电能质量概述212风力发电技术与工程应用8. 10频率和电压控制2138. 11电压、 有功和无功功率2148. 12低电压穿越2158. 13闪变和电能质量2158. 14接地系统2168. 15地下线路2178. 16电力线路敷设2188. 17架空线路2188. 18风电场变电站2198. 19民用及商用单电源电

8、力系统220第 9 章塔架的形式、 设计与安全2239. 1风力机塔架的类型2249. 2塔架的基础和混凝土基座2429. 3塔架的攀爬2459. 4塔架工作安全及攀爬安全2499. 5风力机的安全防雷2559. 6超速保护和塔架过负荷控制2579. 7塔架周边的鸟类安全2609. 8塔架维护261第 10 章风力机设备与风电场 26410. 1项目开发26510. 2风电场选址评估26510. 3选址问题26510. 4视觉及景观评估26610. 5小型民用风力机26710. 6自制风力机26810. 7商用风力机27010. 8风电场27110. 9美国海上风电27910. 10欧洲大型海

9、上风电场279第 11 章风电机组的安装、 故障诊断与维修 28411. 1风力机的安装步骤28511. 2故障诊断概述296目录11. 3故障诊断流程29811. 4症状与问题之间的区别30011. 5故障诊断表与故障诊断矩阵的使用30011. 6风力机转换与传动故障诊断30111. 7机械及塔架故障诊断30211. 8电气故障诊断30311. 9液压故障诊断30611. 10风电系统的周期性维护30711. 11风力机大修310第 12 章风力机的电气与电子基础知识31312. 1基本概念及简单电路31412. 2电压、 电流与电阻的测量31912. 3基于欧姆定律的电压、 电流与电阻计算

10、方法32312. 4电路基础32712. 5串联电路32812. 6并联电路33112. 7串- 并联电路33512. 8电容及容性电抗33612. 9交流电路中的电阻与电感33812. 10阻抗及感性电路的阻抗计算33912. 11交流电路中的有功功率与视在功率33912. 12功率因数计算33912. 13基于电抗与电容的功率因数调节34012. 14无功功率34012. 15三相变压器34012. 16继电器与接触器的原理与特性34412. 17电动机起动器的作用34912. 18熔断器35312. 19逆变器与电路中的电子元器件35612. 20二极管整流技术35912. 21发光二极

11、管36412. 22PNP 型与 NPN 型晶体管36412. 23晶闸管36612. 24三端双向晶闸管36912. 25实现直流- 交流电能变换的逆变器371第 1 章风 能 简 介本章学习目标读完本章后你将能够： 解释风力机将风能转换为电能的原理。 认识风力机的基本结构。 理解风力机的三种分类方法。 认识民用负荷与工业负荷对不间断电源设备的需求。 排除风力机的电气、 液压和机械系统故障。 识别民用、 商业、 工业电力日负荷。 列出未来风电领域的十种工作及其所需技能。本章关键词美国国家标准学会 （ ANSI）美国风能协会 （ AWEA）英国风能协会 （ BWEA）节 电 （ Brownou

12、t）能源部 （ DOE）下风式风力机 （ Downwind turbine）电力负荷 （ Electrical demand）电网 （ Electrical grid）欧洲风力机认证 （ EWTC）齿轮箱 （ Gearbox）发电机 （ Generator）绿色技术 （ Green technology）高速轴 （ High- speed shaft）水平轴风力机 （ Horizontal- axis tur- bines）国际电工委员会 （ IEC）国际标准化组织 （ ISO）逆变器 （ Inverter）千瓦 （ Kilowatt）本章概述低速轴 （ Low- speed shaft）兆瓦

13、 （ Megawatt）机舱 （ Nacelle）美国国家电气规范 （ NEC）国家再生能源实验室 （ NREL）电力峰荷 （ Peak electrical load）电力电子变频器 （ Power electrical frequency converter）投资回报 （ ROI）叶轮 （ Rotor）风力机叶片 （ Turbine blades）型式认证 （ Type certification）型式特性测量 （ Type characteristic measurements）不间断电源设备 （ Uninterruptible power supply）上风式风力机 （ Upwind

14、turbine）垂直轴风力机 （ Vertical- axis wind turbine）风能正在成为一种提供电力的替代能源， 本章从风能利用的历史到当前现代化第 1 章风能简介9风电场对风能进行了概述。 本章首先讨论了风力机的不同类型， 介绍了风力机的相关标准及测试系统。 其次， 解释了现在美国民用、 商业与工业等不同领域的电力应用情况， 讨论了电网的输电限制因素， 介绍了美国工业与民用总的日负荷及年负荷， 以及总的商业负荷、 总的工业负荷与总的峰荷。 再次， 讨论了风力机的类型， 包括直接为本地居民及小型商业应用供电的独立运行机组， 以及并网运行机组。 其中后者可在并网发电的同时为本地负荷

15、供电。 最后， 分析了作为重要可再生能源开发方式的风电的环境、 经济问题， 包括发展趋势、 政策走向、 投资与回报以及税务， 此外还讨论了风电领域可能提供的工作岗位及其技能需求。1. 1风力机的基本结构与发电原理1. 1. 1风力机的基本结构认识风力机的基本结构及发电原理是学习风能与风力机的重要基础。 图 1-1 所示为一台小型水平轴风力机。 水平轴风力机的基本结构包括安装于轮毂上的叶片、轮毂、 低速轴、 齿轮箱、 高速轴与发电机。 有时轮毂与涡轮叶片通称为风轮。 风轮通过传动轴与发电机相连接， 当叶片与风轮驱动转轴旋转时， 后者就会带动发电机运转发电。 有些风力机采用直流发电机， 而有些采用

16、交流发电机， 分别发出直流、交流电能。 电功率的计量单位为瓦 （ W）， 1 瓦是电压为 1 伏 （ V） 情况下 1 安（ A） 的电流产生的功率。 本书第 12 章将对电能的基本知识进行完整的介绍。 风力发电机容量是由它所能发出的功率来表示， 单位为瓦 （ W）。 1000W 用 “ 千瓦（ kW）” 表示， 也就相当于 10 个 100W 灯泡的功率之和。 电力公司采用 “ 千瓦时（ kWh）” 作为单位来计量用户电费， 该单位表示了一段时间 （ 1h） 内以一定功率 （1kW） 工作时消耗的电能大小。 可通过比较常用的家用电器的耗电量来更好地理解 “1kWh” 的含义。 例如， 在工作

17、 1h 的情况下， 一台 400W 的典型自动洗衣机耗电 0. 4kWh， 一台 4000W 的电动干衣机耗电 4kWh， 一台 120W 的台式计算机耗电 0. 12kW h。 必须避免混淆功率与能量的概念， “ W” 是表示任何图 1-1 小型风力机的基本结构一瞬间电能功率大小的单位， 表示该瞬间一个负荷的电压与电流的大小； “ Wh”是电能的单位， 可用来计量用户的耗电量和计算电费。一些大型风力发电机的容量用 “ 兆瓦 （ MW）” 表示， 1MW = 106 W。 图 1-2、图 1-3 分别是安装在野外及海上的兆瓦级风力机的例子。 当一个风电场包括大量的风力机时， 它们总的输出功率可

18、超过 1000MW， 即 1 吉瓦 （ GW）。 1GW = 109 W（10 亿 W）、 1000MW 或者 106 kW。 一个典型的美国家庭一个月和一年的用电量分别是 938kWh 和 11256kWh， 一些节能型家庭每年大约用电 8900kWh。 典型的工业及民用负载将在 1. 11 节与 1. 12 节介绍。图 1-2 野外兆瓦级风力机 （ 图片来源： Fotolia， LLC）图 1-3 海上大型兆瓦级风力机 （ 图片来源： Vestas Wind System A / S）图 1-1 所示的小型风力机通过它的尾翼来实现对风。 发电机与风轮安装在具有一定高度的塔架 （ 塔杆） 上

19、是为了更好地获取风能， 进而使其驱动叶片并带动发电机运转发电。 小型风力机发出的电能可直接供给家庭或小功率应用场合， 或者存储在电池中备用。 一般地， 这种发电机发出的电能较少， 可用于照明、烧水、 电热等， 在一些偏远的地区也可用来泵水。图 1-4 表示了大型水平轴风力机的基本结构。 风力机的主要部件包括风轮、 低速轴、 齿轮箱、 高速轴与发电机等、 除风轮以外其他部件均安装在位于塔架顶端的封闭型机舱里。 图中的叶片安装在与低速轴相连的轮毂上， 在风能直接驱动下风轮的转速为 10 20r / min， 这是 “ 低速轴” 这个名字命名的原因。 齿图 1-4 大型水平轴风力机的基本结构（ 图片

20、来源： Nordex ）轮箱内部包括复杂齿轮装置， 可将低速轴的转速提升为 1800r / min， 正是由于这个原因， 连接齿轮箱与发电机的传动轴称为高速轴。 低速轴、 齿轮箱、 高速轴与发电机安装在机舱内部， 可以避免外部天气的影响。水平轴风力机采用齿轮箱或齿轮装置将叶片的低转速转换为更高的转速， 以便发电机能发出 60Hz 的交流电能。 因为美国电网的频率为 60Hz， 绝大多数电器与电动机的工作频率也设计为 60Hz。 最佳的叶片转速为 10 20r / min， 在这个转速基础上通过采用合适的齿轮箱变速比， 可以使高速轴运转在发电机需要的转速下。风力机有两种控制方法来获得发电机 60

21、Hz 的输出频率。 一种方法是控制发电机的转速， 通过控制叶片节距与实现偏航使叶片加速或减速， 从而合理地控制高速轴运行在可实现发电机 60Hz 频率输出的转速上。另外一种方法是允许风轮自由运行在风力所允许的任意转速下， 而将发电机输出的电能送入电力电子变流器， 也就是逆变器。 变流器输入任意频率和电压的单相或三相交流电能， 通过整流器变换为直流， 在直流环节中采用电容器和电抗器来实现稳压与滤波， 最后变流器的后端部分将直流电能变换为单相或三相 60Hz 交流电能。 单相与三相电能、 频率与逆变器等术语知识将在第 12 章进行详细介绍。 在这种类型的风力机中， 叶片的转速没有被控制运行在对应风

22、力机额定容量的工作点上， 发电机可以输出任意频率与电压的电能。 如果风力机输出超过其额定容量， 叶片节距调节 （ 变桨） 机构将会动作以限制功率。 发电机输出的变压变频的交流电能， 通过逆变器变换为恒压恒频， 实现发电机的并网。为了将变流器输出的 690V 电压提升为适应电网电压的 12470V， 则需要一台变压器进行电压变换。 有些风电系统被设计为直接使用变流器中的直流电能， 此时变流器的输出为直流电能而非交流电能1. 1. 2风力机的发电原理当风扫掠过水平轴风力机的叶片时， 叶片在风能转换成的旋转驱动力 （ 力矩）的作用下开始旋转。 叶片的力矩通过低速轴传递到齿轮箱， 齿轮机构将转速提升到

23、一个更高的等级。 连接在高速轴另一端的发电机就会高速旋转， 发出交流电能。 在小型风力机中， 位于风力机尾部的舵叶将使风轮实现对风。 如果风向改变， 则风力机就会相应地调节对风方向。在大型风力机中， 有一套能使机舱旋转实现对风的控制系统， 即偏航控制机构。 偏航控制机构包括一个安装在机舱底部的大型带齿圆盘和用于驱动机舱的高转矩电动机或液压马达。 偏航驱动电动机具有一个齿数较少的啮合齿轮， 目的是通过调整传动比来获得足够驱动机舱旋转的转矩。 当偏航电动机旋转时， 它将驱动安装在机舱底部的大齿轮实现风轮对风。 当风速过大时， 也可以通过偏航改变机舱位置使风轮偏离风向， 降低风轮速度， 防止转速越限

24、。一些风力机也采用叶片节距控制 （ 变桨控制） 来提高低风速时的机组效率， 或者在高风速情况下防止机组超速， 提高安全性。 风力机系统是由一种称为可编程序逻辑控制器 （ PLC） 的计算机实现控制的。 PLC 接有大量用于风速、 风向等信号测量的传感器， 同时 PLC 也有一些用于控制叶片节距和偏航的输出通道， 通过偏航， 风力机可以根据实际运行条件实现对风与侧风。 更多的 PLC 与水平轴风力机控制特性将在本书后续章节论述。 读者应该熟记风力机所有部件的名字与功能， 以便为学习风力机的发展历史与发展趋势奠定基础。1. 2风能利用的历史在有文字记载以来， 人类就已经开始利用风能。 3000 年

25、以前， 风能已被应用于短途及长途的帆船助航。 有记载显示， 公元前 200 年， 波斯 （ 伊朗） 人开始用风能来磨米及抽水。 罗马人也具有相似的风能利用历史。 14 世纪， 波兰人开始通过利用风能排除低洼和沼泽地区的积水来开辟新的农场。 19 世纪， 全美国的乡村、农场已经普遍采用风能来抽水灌溉和磨米。 1887 年， Charles Brush 在俄亥俄州克里夫兰自己的家中设计并安装了用来发电的风力机， 这是世界最早的风力发电机之一。 表 1-1 列举了一些风能开发的历史事件。 自 2000 年以后， 风能利用的发展已经创造了纪录。表 1-1 风能利用简史年代事件提示公元前 1000 年世

26、界不同地区的大小型帆船开始出现（ 一些记录甚至提前到公元前10000 年）风能一开始用于短程的帆船，后来用于较长的航程公元前 200 年波斯（ 伊朗） 风力机主要用于磨米与抽水公元 250 年罗马风车主要用于抽水（ 续）年代事件提示14 世纪荷兰人用风车排干低洼地区积水风能被广泛地用于抽干沼泽中积水以开辟更多农场1850 1950美国农民采用风车磨米、 抽水、伐木用风车的转轴驱动各种设备，功率一般小于 1hp1866贝洛伊特威斯康星州风车厂建立用于农场抽水及蒸汽机车水箱注水的风车； 在电能被广泛应用之前，18 世纪20 年代 30 年代， 农场安装了数万台风车1887 1888第一台用来发电的

27、自动化风力机Charles Brush 建造了一台 12kW 的风轮直径为 50m、装有 144 个叶片的风力机；该风力机（ 运行了 20 年） 发的电为Brush 地下室的 408 个蓄电池充电20 世纪 20 年代法国人George Darrieus 发明了称为“ 打蛋器风车” 的垂直轴风力机1931 年被授予美国专利1927co Joe 与 Marcellus Jacobs 建立了 Ja-bs 风力机厂制造农用风力发电机，输出直流电为蓄电池充电1931苏联雅尔塔风力机塔架高度 30m（ 100ft）， 功率 100kW，并入 6. 3kV 配电系统1934Palmer Cosslett

28、Putman 风力发电机（1 功 率 1250kW， 塔 架 高 度 33. 5m10ft），风轮直径 53m（ 174ft）； 于 1941年建成，1945 年由于机械故障弃用1941第一台兆瓦级风力机在佛蒙特州卡斯尔顿建成，叶片长度为 22. 86m（75ft），并入电网1954第一台直接与电网相连的风力机John Brown 公司在英国奥克尼群岛建成一台 100kW、叶片长度为 18m 的风力机1970美国航空航天局开始了在俄亥俄州的风力机研究13 台用于研究的风力机实验机组投入运行1973. 10. 15 1974. 3. 17石油输出国组织（ OPEC） 石油禁运处于对美国支持以色列

29、的反应，欧佩克宣布不再向美国输出石油1974原油价格翻了四倍，每桶价格由 3美元升为 12 美元1977 年美国能源部成立；出台多项降低能源消耗的举措1980世界第一座风电场在新罕布什尔州建立的包括 20 台风力机的风电场；由于风力机毁坏与风力不充足的原因，该风电场未能盈利19817. 5MW 风力机美国航空航天局在华盛顿州建成了一台 7. 5MW 的风力机，安装了当时最大的叶片19873. 2MW 两叶片风力机美国航空航天局在夏威夷建成，安装了当时最大的叶片1991丹麦的第一台近海Vindeby 风电场安装有 11 台 450kW 风力机 1hp = 745. 7W， 后同。（ 续）年代事件

30、提示1991英国康沃尔郡德拉博尔风电场，英国第一座近海风电场10 台海上风力机，完全满足2700 个家庭用电2001安然能源破产安然能源在破产的时候是美国最大的风能公司之一，通用电气收购了其风能部门2003英国威尔士，威尔士第一座近海风电场30 台 2MW 风力机，位于 7 8km 处的海域2008. 6汽油价格达到 4 美元/ USgal（ 原油价格为每桶 140 美元）历史上最高的原油价格使得美国汽油价格创历史最高2008. 7原油价格达到史前最高原油价格超过 140 美元/ 桶，达到史前最高2009当 前 最 长 叶 片 的 风 力 机 ， 功率 6MW安装在德国埃姆登的风轮直径达126

31、m（413ft） 的风力机近年影响风能产业增长的因素是用来生产汽油与其他燃料的原油价格与资源储量。 1973 年与 1974 年， 石油输出国组织 （ OPEC） 减少了原油的市场供应， 导致了石油价格的攀升， 使用于制造汽油与发电的石油供应量减少。 石油禁运引发了投资风能等替代能源的热潮， 但是当石油禁运结束后石油价格跌落， 供应量增加， 对于替代能源的需求迅速降温。 后来， 在 20 世纪 80 年代， 常规能源供应减少及其价格的攀升又促使全球范围内的风能研究与投资得到增长。 2008 年 7 月， 石油价格达到史无前例的 140 美元/ 桶， 超过三四年之前石油价格 （ 30 美元/ 桶

32、） 的 4 倍。每次石油价格的上扬， 都激励风能投资的增加， 最新的研究进展会不断地使风能及其他替代能源的开发和技术成本更加低廉。在美国， 对风能投资造成影响的另外一件事情是能源领域巨人安然公司的破产， 该公司在 20 世纪 90 年代后期直到 2001 年通过风力机制造及经营大型风电场获得了盈利。 安然公司在风电场的巨大投资后来由通用电气收购， 这帮助通用电气进一步涉入替代能源投资和 “ 智能电网” 建设等领域。 智能电网中的开关设备与测量装置既可以发送信息， 也可以接收信息， 然而传统电网中的信息流只是单向的。 本书第 8 章将讨论更多的关于智能电网的知识。1. 3风力机的分类风力机有两种

33、主要类型： 垂直轴风力机 （ VAWT） 与水平轴风力机 （ HAWT）。水平轴风力机的效率要高于垂直轴风力机， 但后者捕获风能时不受风向的影响。 水平轴风力机在捕获风能之前， 必须先实现对风操作。1. 3. 1垂直轴风力机垂直轴风力机的类型很多， 但主要有达里厄型与萨沃纽斯型两大类。 图 1-5 为达里厄型风力机， 它的形状像一个打蛋器， 叶片靠升力作用旋转。 “ 打蛋器” 的设计特点使得叶片可以高于风速的转速旋转， 这也意味着达里厄型风力机具有高转速和低转矩的特点， 非常适合用于发电。达里厄型风力机的一个问题是它不能自起动， 因此需要一台电动机带动叶片直到风速足够维持其运转。 达里厄型风力

34、机的优点在于， 它可以在不受风向影响的情况下捕获风能并将其转换为电能。 另外， 该类型风力机不需要塔架， 允许发电机安装在地面， 方便常规维护。达里厄型风力机可用于小型民用系统， 也可用于功率高达 2. 5MW 的大型系统， 例如安装于加拿大魁北克 Cap- Chat 的一台风力机， 其高度为 42m （ 137ft）， 直径达 34m （111ft）。图 1-5 达里厄型垂直轴风力机（ 图片来源： 美国能源部）另外一台大型达里厄型风力机是 20 世纪 80 年代石油禁运后在德克萨斯州阿马里洛建成的， 它由桑迪亚国家实验室与美国农业部联合经营。 该风力机高度为 34m（111ft）， 但它已不

35、再全天候发电。萨沃纽斯型垂直轴风力机具有风帆或杯子形状的叶片， 图 1-6 为一个小型的萨沃纽斯型垂直轴风力机。 该类型风力机的优点之一是捕获风能不受风向的影响。 另外， 其运行非常安静， 适合安装在居民区或商业区。1. 3. 2水平轴风力机大部分风力机都是水平轴型的， 图 1-7 显示了风电场中的水平轴风力机。 水平轴风力机安装在塔杆或塔架的顶端， 其叶片数量可以是1 3 个或多个， 最常见的是三叶片。 风扫过叶片时带动其旋转， 叶片随后驱动风轮旋转。 水平轴风力机的风轮与叶片通常通过一根传动轴与发电机相连， 有的在叶片与发电机之间也可图 1-6 萨沃纽斯型垂直轴风力机（ 图片来源： Inv

36、entive Solutions）能有齿轮箱与传动系统。 有可能采用齿轮箱的原因是叶片运转于非常低的速度下 （10 20r / min）， 而发电机则需要运行于接近 1800r / min 的转速下。 齿轮箱与传动系统的作用 是 将 转 速 提 升 为 1800r / min 左右。水平轴风力机又可进一步分为上风向式与下风向式： 前者风首先扫掠过叶片， 然后经过机舱； 后者先经过机舱， 然后扫掠过叶片。 图 1-8 与图 1-9 分别给出了上风向式与下风向式水平轴风力机的例子。图 1-8 上风向式风力机的例子（ 在上风向式风力机中， 风从左方首先扫掠过叶片， 然后经过位于机舱的发电机）图 1-

37、7 风电场中水平轴风力机的例子（ 图片来源： Vestas Wind System A / S）图 1-9 下风向式风力机的例子（ 在下风向式风力机中， 风首先经过机舱， 然后扫掠过叶片）上风向式风力机设计中的一个问题是风轮必须具备足够的刚度和非韧性， 并且需安装在塔架前方一定距离的位置， 因为在强风作用下叶片会发生一定程度的弯第 1 章风能简介41曲。 如果叶片位置安装距离不够， 强风会导致叶片向塔架方向弯曲， 叶片旋转时会被损坏。 第二个问题是上风向式风力机需要采取保持风轮面向风向 （ 对风） 的措施， 这由偏航机构来实现。 偏航控制是风力机方向的控制， 可以设计为采用尾舵实现风力机自动对

38、风， 而大型的风力机一般采用能调整机舱方位的高转矩电动机或液压马达来实现风轮对风。 除了对风， 偏航系统还可在风速过高的情况下使风力机偏离风向， 限制大风速情况下的转速越限。大型风力机采用主动偏航控制风轮方位以实现对风或侧风， 这种主动偏航控制一般采用永磁电动机或液压马达驱动安装机舱的底盘。 偏航电动机由 PLC 控制， PLC 接收自风速计和风向仪的风速信号和风向信号， 并将其与风轮方位比较。 在这些大型风力机中， 风轮安装在一个多速传动系统的输入端， 发电机与传动系统的输出端相连。 为了使发电机输出电能频率为 60Hz， 一些风力机需要严格控制发电机转速。 可采用偏航控制与变桨控制改变风力

39、机相对风向的方向， 从而调整风力机转速。 如果风速过高， 变桨控制将会调整叶片节距减少对风能的捕获， 如果叶片方位的变化不足以降低风轮转速时， 偏航控制将会轻微地旋转风力机以使得风轮不再处于完全对风的位置， 进一步降低风力机转速直到处于安全范围内。 如果风速太高， 有损坏风力机叶片的危险时， 制动机构就会动作实现完全制动。 本书第 5 章将会详细介绍风力机及发电机的控制技术。 另外一种称为直驱型机组的水平轴风力机没有变速传动环节， 不需要通过控制风力机转速来获得发电机的 60Hz 电能输出， 因为它利用逆变器来控制电能频率。在下风向式风力机中， 风轮连同发电机、 轮毂机构均处于下风向或机舱的后

40、端， 因此叶片的弯曲将会使叶尖向远离塔架的方向移动。 一些小型的下风式风力机可不需要偏航机构而实现对风， 这种偏航方式称为被动偏航， 它可降低系统的造价。 为了避免机舱持续旋转超过一定的圈数 （360）， 必须对偏航旋转量进行限制与控制， 否则连接发电机与地面设备的电力电缆会发生缠绕。 在一些大型风力机中， 偏航控制系统包括一个旋转计数器， 风力机的旋转可被限制在 5 圈左右。 另外一种替代方法是采用集电环， 它可在风力机连续转动时保持持续的电气连接。 然而， 集电环也存在一定的问题： 由于发电机输出的电能经过集电环到达地面， 集电环磨损迅速， 需要在风力机生命周期内对其保持维护。 其次集电环

41、位于塔架顶端， 对其进行检查和维护需要攀爬塔架。1. 3. 3按照容量的风力机分类方法另外一种对风力发电机的分类方法是根据它们的容量及其输出功率。 根据加利福尼亚州能源委员会规定， 输出功率小于 50kW 的为小型风力机， 大于 50kW 且小于 500kW 的为中型风力机， 大于 500kW 的为大型风力机。 1990 年之前， 安装的风力机大部分为中小型机组。 原文误为 “ 速度”， 应该为 “ 方位”。 译者注1. 3. 4按照叶片数量的风力机分类方法风力机分类的另外一种方法是根据其叶片的数量划分， 典型的水平轴风力机具有 1 3 个叶片， 一些新式风力机拥有 5 个叶片。 叶片越多，

42、风力机转换的风能就越多。 如果风力机只有一个叶片， 则需要一个平衡装置来保证叶片旋转的稳定性。三叶片风力机是最常见的水平轴风力机， 它比两叶片风力机的效率更高， 但后者价格更低廉。 如果提高两叶片风力机的转速， 则其输出的电能也将会增加。 叶片数量的增加， 使得在增大风力发电机输出的同时， 也会提高机组的成本。1. 3. 5风力机的其他分类方法还可以根据风力机输出电能的利用方式对其进行分类。 例如， 如果风力机与电网相连， 则其输出电能可直接送入电网。 如果风力机独立运行， 与电网没有连接， 则称为独立型或离网型系统， 其电能输出可供给本地居民、 小型商用或小型工业用户， 或者储存在蓄电池中。 另外一类为联合系统， 风力发电与其他可再生能源， 如太阳能发电、 水力发电相连接， 互为补充， 用于偏远地区的供电。也可以根据安装位置对风力机进行分类。 例如， 风力机可通过固定型混凝土平台或浮动型平台安装在陆地上或海上。 无论是位于陆上还是海上， 风力机都可以单独布置或者以风电场的方式成群布置。 风电场的风力机数量少则 2 10 台， 多则100 台， 甚至更多。也可以根据风力机的产权所有人及其经营目的进行分类。 例如， 有些风力机由私人或小型企