论文部分内容阅读
【摘 要】：本文主要讲述风电场电气部分的系统构成和主要设备，包括与风电场电气相关的各主要内容，对于研究风力发电系统的工程技术人员、系统设计人员有一定的指导意义。
【关键词】：风电场 垂直轴 水平轴
【中图分类号】：TK0 【文献标识码】：A
1 风力发电机的类型
风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
1.1水平轴风力发电机
水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。
升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。
1.2垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮
是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机
有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，还可利用太阳能或者燃烧某种燃料，使水平气流变成垂直方向的气流。
2 风力发电机的结构构成
1）机舱：机舱是风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
2）转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600kW风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。
轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
3）低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，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，来推动空气动力闸的运行。
4）齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴转速提高至低速轴转速的50倍。
5）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，或风力发电机被维修时。
6）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500kW至1500kW。
7）偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对风向。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指示风向。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度角度。
8）电子控制器：包含一台监控风力发电机状态的计算机，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力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
9）液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。
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。
10）塔：风力发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。
11）风速计及风向标：用于测量风速及风向。
3 风力发电机的基本参数和基本理论
3.1风力发电机基本参数
风力发电机组最主要的参数是风轮直径（对于垂直轴风力发电机来说是风轮扫掠面积）和额定功率，成为产品型号的组成部分：风轮直径（或风轮扫掠面积）说明风力发电机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量，是风力发电机发电能力的重要标志。额定功率是与风力发电机组配套的发电机铭牌功率，其定义式“正常工作条件下，风力发电机组在额定风速下设计要达到的最大连续输出功率”。
风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径的风轮供高风速区选用。
在风力发电机组产品样本中都有一个功率曲线图，横坐标是风速，纵坐标是机组的输出功率。功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机组开始向电网输出功率时的风速称为切入风速。随着风速的增大，输出功率上升，输出功率大约与风速的立方成正比，达到额定功率值时的风速称为额定风速。此后风速再增加，由于风轮的调节，功率基本保持不变。定桨距风轮因失速有个过程，超过额定风速后功率略有上升，然后又下降。如果风速继续增加，为了保护风力发电机组的安全，规定了允许风力发电机组正常运行的最大风速，称为切出风速。机组运行时遇到这样的大风必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为0，功率曲线到此终止。 功率曲线的测试要有专用的测风塔，严格按照国际电工委员会（IEC）制定的标准方法进行。对应于风速的实测功率值是很分散的，最终得出的功率曲线是大量实测值概率分布按照规定方法归纳出来的。在风电场用记载风速仪和功率传感器测出的功率曲线是不规范的，只能作为参考。
另外应注意样本上提供的功率曲线是换算成标准空气密度条件下的数值，在应用时要考虑现场的实际情况。
3.2 风力发电机基本理论
风能的基本特征-风能的计算
一个国家的风能资源状况是由该国的地理位置、季节、地形等特点决定的。目前通常采用的评价风能资源开发利用潜力的主要指标是有效风能密度和年有效风速时数。有效风速是指3～20m/s的风速，有效风能密度是根据有效风速计算的风能密度。
风能的大小实际就是气流流过的动能，总体上说，风能大小与风速和风能密度有关，但是计算起来二者不是相等的关系。必须指出，风的能量大小与风速是成立方关系，也就是说，在风能密度没有多大变化时，风速的大小将是风能的决定因素。风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能的估计有决定性作用，风速大1倍，风能可以大8倍。
各地风能资源的多少，主要取决于该地每年刮风的时间长短和风的强度如何。所以在谈这个问题之前要涉及到一些关于风能的最基本知识，了解风的某些特性，例如风速、风级、风能密度等。
风能的基本特征--风速
风的大小常用风的速度来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。专门测量风速的仪器，有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。它是计算在单位时间内风的行程，常以m/s、km/h、mile/h等来表示。因为风是不恒定的，所以风速经常变化，甚至瞬息万变。风速是风速仪在一个极短时间内测到的瞬时风速。若在指定的一段时间内测得多次瞬时风速，将它平均计算起来，就得到平均风速。例如日平均风速、月平均风速或年平均风速等。当然，风速仪设置的高度不同，所得风速结果也不同，它是随高度升高而增强的。通常测风高度为10m。根据风的气候特点，一般选取年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份，分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平均，其结果可以作为当地常年平均值。
风速是一个随机性很大的量，必须通过一定长度时间的观测计算出平均风功率密度。对于风能转换装置而言，可利用的风能是在“启动风速”到“停机风速”之间的风速段，这个范围的风能即“有效风能”，该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。
风能的基本特征--风级
风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。早在1805年，英国人蒲褐就拟定了风速的等级，国际上称为“蒲褐风级”。自1946年以来风力等级又做了一些修订，由13个等级改为18个等级，实际上应用的还是0～12级的风速，所以最大的风速人们常说刮12级台风。
风能的基本特征--风能密度
通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以w/m2来表示。风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。一般说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力自然大。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当的风能潜力。所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力最好。
参考文献
[1] 太阳能与风能发电并网技术.中国水利水电出版社，2011
作者简介
石径（1972-），男，工程师，科技研发处主任，从事风电、太阳能等新能源接入及并网测试领域的研究工作。
【关键词】：风电场 垂直轴 水平轴
【中图分类号】：TK0 【文献标识码】：A
1 风力发电机的类型
风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
1.1水平轴风力发电机
水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。
升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。
1.2垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮
是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机
有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。有的垂直轴风轮使用管道或者漩涡发生器塔，通过套管或者扩压器使水平气流变成垂直气流，以增加速度，还可利用太阳能或者燃烧某种燃料，使水平气流变成垂直方向的气流。
2 风力发电机的结构构成
1）机舱：机舱是风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。
2）转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600kW风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。
轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。
3）低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风力发电机上，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，来推动空气动力闸的运行。
4）齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴转速提高至低速轴转速的50倍。
5）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，或风力发电机被维修时。
6）发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500kW至1500kW。
7）偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对风向。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指示风向。通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度角度。
8）电子控制器：包含一台监控风力发电机状态的计算机，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力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。
9）液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。
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。
10）塔：风力发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。
11）风速计及风向标：用于测量风速及风向。
3 风力发电机的基本参数和基本理论
3.1风力发电机基本参数
风力发电机组最主要的参数是风轮直径（对于垂直轴风力发电机来说是风轮扫掠面积）和额定功率，成为产品型号的组成部分：风轮直径（或风轮扫掠面积）说明风力发电机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量，是风力发电机发电能力的重要标志。额定功率是与风力发电机组配套的发电机铭牌功率，其定义式“正常工作条件下，风力发电机组在额定风速下设计要达到的最大连续输出功率”。
风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径的风轮供高风速区选用。
在风力发电机组产品样本中都有一个功率曲线图，横坐标是风速，纵坐标是机组的输出功率。功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机组开始向电网输出功率时的风速称为切入风速。随着风速的增大，输出功率上升，输出功率大约与风速的立方成正比，达到额定功率值时的风速称为额定风速。此后风速再增加，由于风轮的调节，功率基本保持不变。定桨距风轮因失速有个过程，超过额定风速后功率略有上升，然后又下降。如果风速继续增加，为了保护风力发电机组的安全，规定了允许风力发电机组正常运行的最大风速，称为切出风速。机组运行时遇到这样的大风必须停机与电网脱开，输出功率立刻降为0，功率曲线到此终止。 功率曲线的测试要有专用的测风塔，严格按照国际电工委员会（IEC）制定的标准方法进行。对应于风速的实测功率值是很分散的，最终得出的功率曲线是大量实测值概率分布按照规定方法归纳出来的。在风电场用记载风速仪和功率传感器测出的功率曲线是不规范的，只能作为参考。
另外应注意样本上提供的功率曲线是换算成标准空气密度条件下的数值，在应用时要考虑现场的实际情况。
3.2 风力发电机基本理论
风能的基本特征-风能的计算
一个国家的风能资源状况是由该国的地理位置、季节、地形等特点决定的。目前通常采用的评价风能资源开发利用潜力的主要指标是有效风能密度和年有效风速时数。有效风速是指3～20m/s的风速，有效风能密度是根据有效风速计算的风能密度。
风能的大小实际就是气流流过的动能，总体上说，风能大小与风速和风能密度有关，但是计算起来二者不是相等的关系。必须指出，风的能量大小与风速是成立方关系，也就是说，在风能密度没有多大变化时，风速的大小将是风能的决定因素。风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能的估计有决定性作用，风速大1倍，风能可以大8倍。
各地风能资源的多少，主要取决于该地每年刮风的时间长短和风的强度如何。所以在谈这个问题之前要涉及到一些关于风能的最基本知识，了解风的某些特性，例如风速、风级、风能密度等。
风能的基本特征--风速
风的大小常用风的速度来衡量，风速是单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。专门测量风速的仪器，有旋转式风速计、散热式风速计和声学风速计等。它是计算在单位时间内风的行程，常以m/s、km/h、mile/h等来表示。因为风是不恒定的，所以风速经常变化，甚至瞬息万变。风速是风速仪在一个极短时间内测到的瞬时风速。若在指定的一段时间内测得多次瞬时风速，将它平均计算起来，就得到平均风速。例如日平均风速、月平均风速或年平均风速等。当然，风速仪设置的高度不同，所得风速结果也不同，它是随高度升高而增强的。通常测风高度为10m。根据风的气候特点，一般选取年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的三个年份为代表年份，分别计算该三个年份的风功率密度然后加以平均，其结果可以作为当地常年平均值。
风速是一个随机性很大的量，必须通过一定长度时间的观测计算出平均风功率密度。对于风能转换装置而言，可利用的风能是在“启动风速”到“停机风速”之间的风速段，这个范围的风能即“有效风能”，该风速范围内的平均风功率密度称为“有效风功率密度”。
风能的基本特征--风级
风级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。早在1805年，英国人蒲褐就拟定了风速的等级，国际上称为“蒲褐风级”。自1946年以来风力等级又做了一些修订，由13个等级改为18个等级，实际上应用的还是0～12级的风速，所以最大的风速人们常说刮12级台风。
风能的基本特征--风能密度
通过单位截面积的风所含的能量称为风能密度，常以w/m2来表示。风能密度是决定风能潜力大小的重要因素。风能密度和空气的密度有直接关系，而空气的密度则取决于气压和温度。因此，不同地方、不同条件的风能密度是不同的。一般说，海边地势低，气压高，空气密度大，风能密度也就高。在这种情况下，若有适当的风速，风能潜力自然大。高山气压低，空气稀薄，风能密度就小些。但是如果高山风速大，气温低，仍然会有相当的风能潜力。所以说，风能密度大，风速又大，则风能潜力最好。
参考文献
[1] 太阳能与风能发电并网技术.中国水利水电出版社，2011
作者简介
石径（1972-），男，工程师，科技研发处主任，从事风电、太阳能等新能源接入及并网测试领域的研究工作。