风力发电讲座 倪受元_伤城文章网
风力发电讲座 倪受元
风能是我国目前开发利用风力发电讲座第一讲 风力机的类型与结构倪 受 元从能量转换的角度看 , 风力发电机组由两大部分 组成 。其一是风力机 , 它的功能是将风能转换为机械 能 ; 其二是发电机 ,它的功能是将机械能转换为电能 。 本讲首先介绍风力机的类型和结构 。 1 风力机的类型 风力机的种类和式样很多 , 难以一一尽述 。但由 于风力机将风能转变为机械能的主要部件是受风力作 用而旋转的风轮 ,因此 ,风力机依风轮的结构及其在气 流中的位置大体上可分为两大类 : 一类为水平轴风力 机 ,一类为垂直轴风力机 。 111 水平轴风力机比较成熟的一种新能源 , 风电事 业正在我国蓬勃发展 。 为了帮助 读者了解风力发电知识 , 我们请 长期从事风力发电研究工作的 中国科学院电工研究所倪受元 研究员撰写了 《风力发电》 讲座 , 以飨读者 。 ― ― ― 编者水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转 , 工作 时 , 风轮的旋转平面与风向垂直 , 如图 121 所示 。风轮 上的叶片是径向安置的 ,与旋转轴相垂直 ,并与风轮的 旋转平面成一角度φ( 安装角) 。 风轮叶片数目的多少 , 视风力机的用途而定 。用于风力发电的风力机一般叶 片数取 1～ 4 ( 大多为 2 片或 3 片) , 而用于风力提水的 风力机一般取叶片数 12～ 24 。 叶片数多的风力机通常 称为低速风力机 ,它在低速运行时 ,有较高的风能利用 系数和较大的转矩 。它的起动力矩大 ,起动风速低 ,因 而适用于提水 。叶片数少的风力机通常称为高速风力 机 ,它在高速运行时有较高的风能利用系数 ,但起动风 速较高 。 由于其叶 片数很少 , 在输出 同样功率的条件 下比低速风轮要 轻得多 , 因此适用 于发电 。 水平轴风力 机随风轮与塔架相 对位置的不同而 有上风向与下风 向 之 分 。风 轮 在 塔架的前面迎风 旋转 , 叫做上风 向 风 力 机 。风 轮 安装在塔架的下 风位置的 , 则称 为下风向风力 机 。上 风 向 风 力 机必须有某种调图 121 水平轴风力机 a ) 高速风力机 b ) 低速风力机6向装置来保持风轮迎风 。而下风向风力机则能够自动 对准风向 , 从而免除了调向装置 。但对于下风向风力 机 , 由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮 , 这样 , 塔 架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应 , 使 性能有所降低 。 112 垂直轴风力机 垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转 , 如图 122 所示 。其主要优点是可以接受来自任何方向的风 , 因而当风向改变时 ,无需对风 。由于不需要调向装置 , 使它们的结构设计简化 。垂直轴风力机的另一个优点 是齿轮箱和发电机可以安装在地面上 , 这对于一个往 往需要在一片呼啸的大风中为一台离地面几十米高的 水平轴风力机进行维修服务的人员来说 , 无疑是一个 值得高度评价的特点 。 垂直轴风力机可分为两个主要类别 , 一类是利用 空气动力的阻力作功 ,典型的结构是 S 型风轮 。 它由两 个轴线错开的半圆柱形叶片组成 , 其优点是起动转矩 较大 , 缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流 , 从而对 它产生侧向推力 。 对于较大型的风力机 ,因为受偏转与 安全极限应力的限制 , 采用这种结构形式是比较困难的 。S 型风力机风能利用系数低于高速垂直轴或水平 轴风力机 , 在风轮尺寸 、 重量和成本一定的情况下提供 的功率输出较低 ,因而用作发电缺乏竞争力 。 另一类是 利用翼型的升力作功 ,最典型的是达里厄 (Darrieus) 型 风力机 。 它是法国人 G1J 1M 1Darrieus 于 1925 年发明 的 , 1931 年取得专利权 。当时这种风力机并没有受到 注意 , 直到 20 世纪 70 年代石油危机后 , 才得到加拿大 国家科学研究委员会 ( Natio nal Research Co uncil ) 和 美国圣地亚 ( Sandia ) 国家实验室的重视 , 进行了大量 的研究 。现在是水平轴风力机的主要竞争者 。 达里厄风力机有多种形式 , 如图 123 所示的 型 、 Δ型、 H 型、 Y 型和菱形等 。基本上是直叶片和弯叶片 两种 , 以 H 型风轮和 型风轮为典型 。叶片具翼型剖 面 , 空气绕叶片流动产生的合力形成转矩 。H 型风轮 结构简单 , 但这种结构造成的离心力使叶片在其连结 点处产生严重的弯曲应力 。另外 , 直叶片需要采用横 杆或拉索支撑 ,这些支撑将产生气动阻力 ,降低效率 。 型风轮所采用的弯叶片只承受张力 , 不承受离心力 载荷 , 从而使弯曲应力减至最小 。由于材料可承受的 张力比弯曲应力要强 , 所以对于相同的总强度 , 型叶 片比较轻 , 且比直叶片可以以更高 的速度运行 。但 型叶片不便采用 变浆距方法实现 自 起 动 和 控 制 转 速。 另外 ,对于高度和直径相同的风 轮 , 型转子比 H 型转子的扫掠面 积要小一些 。 综上所述 , 目前用于风力发电 的风力机主要有两种类型 , 一种是 水平轴高速风力机 , 一种是垂直轴 达里厄型风力机 , 这两者之中又以 前者占绝大多数 。 除此之外 ,国外还 提出了一些新概 念 型 风 能 转 换 装 置 , 但从总体上来说 , 都尚处于研究 试验阶段 ,这里不再一一介绍 。 2 风力机的结构和组成 风力发电机的样式虽然很多 , 但其原理和结构总的说来还是大同 图 122 垂直轴风力机 小异的 。这里以水平轴风力发电机 a ) S 型风轮 b ) 达里厄型风力机 为例作一介绍 , 它主要由以下几部图 123 达里厄风力机的风轮结构7图 124 风力发电机的结构和组成 分组成 : 风轮 、 传动机 构 ( 增速箱) 、 发电机 、 机座 、 塔架 、 调速器或 限速器 、 调向器 、 停车 制动器等 , 如图 124 所 示。 下面简要介绍风力 机的风轮 、 调速或限速 装置 、 调向装置 、 传动 机构和塔架等部分 , 至 于发电机部分将在第 三讲中作专门介绍 。 211 风轮 风力机区别于其 他机械的最主要特征 就是风轮 。 风轮一般由 2 ～ 3 个叶片和轮毂所 组成 , 其功能是将风能 转换为机械能 。 叶片的构造如图 125 所示 。小型风力机 的常用优质木材加工 制成 , 表面涂上保护 漆 , 其根部与轮毂相接 处使用良好的金属接 头并用螺栓拧紧 。 有的 采用玻璃纤维或其它 复合材料蒙皮则效果 更好 。图 125 叶片的构造图8大、 中型风力机使用木制叶片时 ,不象小型风力机上用 的叶片由整块木料制作 , 而是用很多纵向木条胶接在 一起 ( 图 125a ) ,以便于选用优质木料 ,保证质量 。有些 木料叶片的翼型后缘部分可填塞质地很轻的泡沫塑 料 , 表面再包以玻璃纤维形成整体 ( 图 125b ) 。采用泡 沫塑料的优点不仅可以减轻重量 , 而且能使翼型重心 前移 ( 重心移至靠前缘四分之一弦长处最佳) 。这样可 以减少叶片转动时所产生的不良振动 ,对于大 、 中型风 力机叶片尤为重要 。 为了减轻叶片重量 , 有的叶片用一根金属管作为 受力梁 , 以蜂窝结构 、 泡沫塑料或轻木作中间填充物 , 外面再包上一层玻璃纤维 ( 图 125c ) 。 为了降低成本 , 有些中型风力机的叶片采用金属 挤压件 , 或者利用玻璃纤维或环氧树脂抽压成型 ( 图 125d ) 。 但整个叶片无法挤压成渐缩形状 ,即宽度 、 厚度 等不能变化 ,难以达到高效率 。 有些小型风力机为了达到更经济的效果 , 叶片用 管梁和具有气动外形的较厚的玻璃纤维蒙皮做成 ( 图 125e ) 。或者用铁皮或铝皮预先做成翼型形状 , 加上铁 管或铝管 ,用铆钉装配而成 ( 图 125f ) 。 总的说来 , 除小型风力机的叶片部分采用木质材 料外 ,中 、 大型风力机的叶片今后的趋势都倾向于采用 玻璃纤维或高强度复合材料 。 风力机叶片都要装在轮毂上 。轮毂是风轮的枢 纽 , 也是叶片根部与主轴的连接件 。所有从叶片传来 的力 ,都通过轮毂传递到传动系统 ,再传到风力机驱动 的对象 。同时轮毂也是控制叶片桨距 ( 使叶片作俯仰 转动) 的所在 。在设计中应保证足够的强度 ,并力求结 构简单 ,在可能条件下 ( 如采用叶片失速控制) ,叶片采 用定桨距结构 ,即将叶片固定在轮毂上 ( 无俯仰转动) , 这样不但能简化结构设计 ,提高寿命 ,而且能有效地降 低成本 。 212 调速或限速装置 在很多情况下 , 要求风力机不论风速如何变化转 速总保持恒定或不超过某一限定值 , 为此目的而采用 了调速或限速装置 。当风速过高时 , 这些装置还用来 限制功率 , 并减小作用在叶片上的力 。调速或限速装 置有各种各样的类型 ,但从原理上来看大致有三类 : 一 类是使风轮偏离主风向 ,另一类是利用气动阻力 ,第三 类是改变叶片的桨距角 。 ( 1) 偏离风向超速保护 对小型风力机 ,为了简化 结构 , 其叶片一般固定在轮毂上 。为了避免在超过设 计风速的强风时风轮超速甚至叶片被吹毁 , 常采用使 风轮水平或垂直旋转的办法 ,以便偏离风向 ,达到超速 保护的目的 。 这种装置的关键是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离 , 从而产生一个偏心距 。相对的一 侧安装一副弹簧 , 一端系在与风轮构成一体的偏转体 上 ,一端固定在机座底盘或尾杆上 。预调弹簧力 ,使在 设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩 。当风 速超过设计风速时 ,风轮偏转力矩大于弹簧力矩 ,使风 轮向偏心距一侧水平或垂直旋转 , 直到风轮受力力矩 与弹簧力矩相平衡 。在遇到强风时 , 可使风轮转到与 风向相平行 ,以达到停转 。 ( 2) 利用气动阻力制动 图 127 示出一种利用空 气动力制动的装置 。将减速板铰接在叶片端部 , 与弹 簧相连 。在正常情况下 , 减速板保持在与风轮轴同心 的位置 ; 当风轮超速时 ,减速板因所受的离心力对铰接 轴的力矩大于弹簧张力的力矩 , 从而绕轴转动成为扰 流器 , 增加风轮阻力起到减速作用 。风速降低后它们 又回到原来位置 。 利用空气动力制动的另一种结构是将叶片端部 ( 约为叶片总面积的十分之一) 设计成可绕径向轴转动 的活动部件 。正常运行时叶尖与其它部分方向一致 , 并对输出扭矩起重要作用 。当风轮超速时 , 叶尖可绕 控制轴转 60° 或 90° , 从而产生空气阻力 , 对风轮起制 动作用 ,叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成 , 也可由伺服电机驱动 。 ( 3) 变桨距调速 采用桨距控制除可控制转速外 , 还可减小转子和驱动链中各部件的压力 , 并允许风力 机在很大的风速下运行 , 因而应用相当广泛 。在中小 型风力机中 ,采用离心调速方式比较普遍 ,利用桨叶或 安装在风轮上的配重所受的离心力来进行控制 。风轮 转速增加时 , 旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压 缩弹簧 , 使叶片的桨距角改变 , 从而使受到的风力减 小 , 以降低转速 。当离心力等于弹簧张力时即达到平 衡位置 。 在大型风力机中 , 常采用电子控制的液压机构来 控制叶片的桨距 。 例如 ,美国 MOD20 型风力发电机利 用两个装在轮毂上的液压调节器来控制转动主齿轮 , 带动叶片根部的斜齿轮来进行桨距调节 ; 美国 MOD21 型风力发电机则采用液压调节器推动连接叶片根部的 连杆来推动叶片 。这种叶片节距控制可用于改善风力 机的起动特性 、 发电机联网前的速度调节 ( 减少联网时 ) 的冲击电流 、 按发电机额定功率来限制转子气动功率 以及在事故情况下 ( 电网故障 、 转子超速 、 振动等) 使风 力发电机组安全停车等 。 213 调向装置 前已说过 , 下风向风力机的风轮能自然地对准风 向 ,因此一般不需要进行调向控制 ( 对大型的下风向风 力机 , 为减轻结构上的振动 , 往往也采用对风控制系 统 ) 。上风向风力机则必须采用调向装置 , 常用的9有以下几种 : ( 1) 尾舵主要用于小型风力发电机 ,它的优点是能 自然地对准风向 , 不需要特殊控制 。为了获得满意的 效果 , 尾舵面积 A ′ 与风轮扫掠面积 A 之间应符合下 列关系 :e A′ = 0. 16 A l式中 , e 为转向轴与风轮旋转平面间的距离 ; l 为尾舵 中心到转向轴的距离 ( 图 126) 。偏航系统由电动机及减速机构 、偏航调节系统和扭缆 保护装置等部分组成 。偏航调节系统包括风向标和偏 航系统调节软件 。风向标对应每一个风向都有一个相 应的脉冲输出信号 , 通过偏航系统软件确定其偏航方 向和偏航角度 ,然后将偏航信号放大传送给电动机 ,通 过减速机构转动风力机平台 , 直到对准风向为止 。如 机舱在同一方向偏航超过 3 圈以上时 , 则扭缆保护装 置动作 ,执行解缆 。当回到中心位置时解缆停止 。 214 传动机构 风力机的传动机构一般包括低速轴 、 高速轴 、 齿轮 箱、 联轴节和制动器等 ( 图 128) 。但不是每一种风力机 都必须具备所有这些环节 。有些风力机的轮毂直接连 接到齿轮箱上 , 不需要低速传动轴 。也有一些风力机 ( 特别是小型风力机) 设计成无齿轮箱的 , 风轮直接连 接到发电机 。在整个传动系中除了齿轮箱其它部件基 本上一目了然 。图 126 尾舵调向 由于尾舵调向装置结构笨重 , 因此很少用于中型 以上的风力机 。 ( 2) 侧风轮 如图 127 所示 , 在机舱的侧面安装一 个小风轮 , 其旋转轴与风轮主轴垂直 。如果主风轮没 有对准风向 , 则侧风轮会被风吹动 , 产生偏向力 , 通过 蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止 。图 127 侧风轮调向 ( 3) 电动机驱动的风向跟踪系统 对大型风力发 电机组 , 一般采用电动机驱动的风向跟踪系统 。整个10图 128 传动系统的部件及位置 风力机所采用的齿轮箱一般都是增速的 , 大致可 以分为两类 , 即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动 。定 轴线齿轮传动结构简单 , 维护容易 , 造价低廉 , 故常为 风力机采用 。行星齿轮传动具有体积小 、 重量轻 、 承载 能力大 、 工作平稳和在某些情况下效率高等优点 ,但结 构相对较为复杂 ,造价较高 ,因而不为风力机所广泛采 用。 215 塔架 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量 , 还要承 受吹向风力机和塔架的风压 , 以及风力机运行中的动 载荷 。它的刚度和风力机的振动有密切关系 , 如果说 塔架对小型风力机影响还不太大的话 ,对大 、 中型风力 机的影响就不容忽视了 。 水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁 架型两类 ,管柱型塔架可从最简单的木杆 ,一直到大型 钢管和混凝土管柱 。小型风力机塔杆为了增加抗弯矩 的能力 ,可以用拉线来加强 。中 、 大型塔杆为了运输方 便 , 可以将钢管分成几段 。一般圆柱形塔架对风的阻 力较小 ,特别是对于下风向风力机 ,产生紊流的影响要 比桁架式塔架小 。桁架式塔架常用于中小型风力机 上 ,其优点是造价不高 ,运输也方便 。但这种塔架会使 下风向风力机的叶片产生很大的紊流 。风能是我国目前开发利用比 较成熟的一种新能源 , 风电事业 正在我国蓬勃发展 。为了帮助读 者了解风力发电知识 , 我们请长 期从事风力发电研究工作的中国 科学院电工研究所倪受元研究员 撰写了《风力发电》讲座 , 以飨 读者 。 ― ― ― 编者风力发电讲座第二讲倪 受 元1 空气动力学的基本知识111 升力和阻力风力机的工作原理和气动力特性物体在空气中运动或者空气流过物体时 , 物体将 受到空气的作用力 , 称为空气动力 。通常空气动力由 两部分组成 : 一部分是由于气流绕物体流动时 , 在物 体表面处的流动速度发生变化 , 引起气流压力的变 化 , 即物体表面各处气流的速度与压力不同 , 从而对 物体产生合成的压力 ; 另一部分是由于气流绕物体流 动时 , 在物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦 力 。将整个物体表面这些力合成起来便得到一个合 力 , 这个合力即为空气动力 。 风轮叶片是风力机最重要的部件之一 。它的平面 形状与剖面几何形状和风力机空气动力特性密切相 关 , 特别是剖面几何形状即翼型气动特性的好坏 , 将 直接影响风力机的风能利用系数 。 气流绕风轮叶片的流动比较复杂 , 是一个空间的 三元流动 。当叶片长度与其翼型弦长之比 ( 展弦比) 较 大时 , 可以忽略气流的展向流动 , 而把气流绕叶片的 流动简化为绕许多段叶片元 ( 即叶素) 的流动 , 叶素之 间互相没有干涉 。当每个叶素的展向长度趋向无穷小 时 , 叶素就成了翼型 , 空气绕叶素的流动就成了绕翼型的流动 , 也就成了二元流动或平面流动 。 图 221 示出空气流过一块平板的情形 , 平板面与 气流方向形成一个夹角α , α 称为攻角 。由于平板上 方和下方的气流速度不同 ( 上方速度大于下方速度) , 因此平板上 、下方所受的压力也不同 ( 下方压力大于 上方压力) , 总的合力 F 即为平板在流动空气中所受 到的空气动力 , 其方向垂直于板面 。此力可分解为两 个分力 : 一个分力 Fy 与气流方向垂直 , 它使平板上 升 , 称为升力 ; 另一个分力 Fx 与气流方向相同 , 称 为阻力 。升力和阻力与叶片在气流方向的投影面积 S 、空气密度 ρ 及气流速度 V 的平方成比例 , 可以 下式表示 :式中 , cy 称为升力系数 ; cx 称为阻力系数 ; cr 称为 总的气动力系数 。升力系数与阻力系数之比称为升阻比 , 以 K 表 示 。则升力是使风力机有效工作的力 , 而阻力则形成对12风轮的正面压力 。为了使风力机很好地工作 , 就需要 叶片具有这样的翼型断面 , 使其能得到最大的升力和 最小的阻力 , 也就是要求具有很大的升阻比 K 。 112 影响升力系数和阻力系数的因素 11211 翼型的影响 图 222 给出三种不同截面形状 的翼型在相同攻角下的升力和阻力 , 不难看出 , 具有 流线型截面的翼型所产生的升力远较平板翼型的升力 大 。这是因为当攻角不大时 , 流线型截面几乎不产生 涡流 , 而方形平板在前沿则产生巨大的涡流 , 从而减 弱了升力而增大了阻力 。11212 攻角的影响 对于流线型叶片来说 ,它的前缘点 O 与后缘点 B 之间的连线 OB 称为翼弦 , 翼弦与前方来 流速度方向之间的夹角即为攻角 ,如图 223 所示。图 224 给出了一种流线型叶片升力系数和阻力系 数随攻角变化的曲线 。 从图中可以看出 ,随着攻角α 由 零逐渐增大 , cr 由某一数值开始随之增大 , 基本上呈线 性变化 。 当攻角增至某一临界攻角 α c T 时 , 升力系数达 到最大值 cy m a x 。 当 α &α c T 时 , cy 开始随攻角增加而下 降 , 故α c T 也称为失速攻角 。 在负攻角的情况下 , 即 α= - α 0 时 , 翼型剖面上的升力系数为零 。 阻力系数曲 线的变化与升力系数曲线有所不同 , 它有两个特征参 数 , 即最小阻力系数 cx m i n 和与其对应的攻角 α x m i n 。通 常 , 阻力系数 cx 是攻角 α 的二次方函数 。 图 225 示出翼型升力系数对阻力系数的变化曲 线 ,这个曲线称为极曲线 。 极曲线上的每一点对应一个 攻角状态 , 从原点 O 至曲线上任意点 A 的连线 OA 代表与某一攻角相应的总气动力系数 cr , 直线 OA 的斜 θ = cy / cx 即为该攻角下的升阻比 。当 OA 与该 率 tg 曲线相切时 ( 此时 A 点为切点) , 升阻比最大 。 11213 雷诺数的影响 cy 、 cx 不但与翼型及其在气流 中的位置有关 , 也与阻滞空气流动的粘性力 ( 即摩擦 力) 有关 。这种粘性力可以用雷诺数 Re 表示 :Re = VL v( 224)ν=μ/ ρ, 这 式中 , L 为弦长 :ν为空气的动粘力系数 。 里 ,μ 为粘性系数 。13雷诺数是一个无量纲数 。雷诺数愈小的流动 , 粘 性作用愈大 ; 雷诺数愈大的流动 , 粘性作用愈小 。雷 诺数增加 , 由于翼型附面层气流粘性减小 , 最大升力 系数增加 , 最小阻力系数减小 , 因而升阻比增加 。 11214 翼型表面粗糙度的影响 翼型表面由于材料 加工以及环境的影响 , 不可能绝对光滑 , 总有些凹凸 不平 。我们把凹凸不平的波峰与波谷之间高度的平均 值称为粗糙度 , 记作 k 。翼型表面的粗糙度 , 特别是 前缘附近的粗糙度 , 对翼型空气动力特性有很大影 响 。一般情况下 , 粗糙度增大使 cx 增加 , 而对 cy 影 响不大 。实际情况中 , 真正的气动光滑表面是不存在 的 。工程上只要表面粗糙度足够小 , 隐匿在附面层底 部 , 一般就不会引起摩擦阻力的增加 。这种粗糙度称 为允许粗糙度 , 记作 ky 。ky &F 及 F′ 分解成沿气流方向的分力 Fx 和 F′ x ( 阻力) 及 垂直于气流方向的分力 Fy 和 F′ y ( 升力) , 阻力 Fx 和 x 形成对风轮的正面压力 , 而升力 F F′ y 和 F′ y 则对 风轮中心轴产生转动力矩 , 从而使风轮转动起来 。 212 风轮在转动情况下叶片的受力情况 下面分析风轮起动后以某种速度稳定旋转时叶片 的受力情况 。若风轮旋转角速度为 ω , 则相对于叶片 上距转轴中心 r 处的一小段叶片元 ( 叶素) 的气流速度 W r 将是垂直于风轮旋转面的来流速度 V 与该叶片 元的旋转线速度 ωr 的矢量和 , 如图 227 所示 。可见 这时以角速度 ω 旋转的桨叶 , 在与转轴中心相距 r 处的叶片元的攻角 , 已经不是 V 与翼弦的夹角 , 而 是 W r 与翼弦的夹角了 。100 v 100 L = Re V( 225)风力机的工作原理 211 风轮在静止情况下叶片的受力情况 风力机的风轮由轮毂及均匀分布安装在轮毂上的 若干桨叶所组成 。在安装这些桨叶时 , 必须对每支桨 叶的翼片按同一旋转方向 , 以桨叶自身轴为轴转过一 个给定的角度 , 即使每个叶片的翼弦与风轮旋转平面 ( 风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面) 形成一个角度 φ , φ 称为安装角 。图 226 示出风轮的起动原理 。设风轮 的中心轴位置与风向一致 , 当气流以速度 V 流经风 轮时 , 在桨叶 Ⅰ 和桨叶 Ⅱ 上将产生气动力 F 和 F′ 。将2以相对速度 W r 吹向叶片元的气流 , 产生气动力 F , F 可分解为垂直于 W r 方向的升力 Fx 及 与 W r 方向一致的阻 力 Fx , 也可以分解为 在风轮旋转面内使桨叶 旋转的力 Fyl 及对风轮 正面的压力 Fxl 。 由于风轮旋转时叶 片不同半径处的线速度 是不同的 , 因而相对于 叶片各处的气流速度 W 在大小和方向上也 都不同 , 如果叶片各处 的安装角都一样 , 则叶 片各处的实际攻角都将 不同 。这样除了攻角接 近最佳值的一小段叶片 升力较大外 , 其它部分 所得到的升力则由于攻 角偏离最佳值而不理14想 。所以这样的叶片不具备良好的气动力特性 。为了 在沿整个叶片长度方向均能获得有利的攻角数值 , 就 必须使叶片每一个截面的安装角随着半径的增大而逐 渐减小 。在此情况下 , 有可能使气流在整个叶片长度 均以最有利的攻角吹向每一叶片元 , 从而具有比较好 的气动力性能 。而且各处受力比较均匀 , 也增加了叶 片的强度 。这种具有变化的安装角的叶片称为螺旋桨 型叶片 , 而那种各处安装角均相同的叶片称为平板型 叶片 。显然 , 螺旋桨型叶片比起平板型叶片来要好得 多。 尽管如此 , 由于风速是在经常变化的 , 风速的变 化也将导致攻角的改变 。如果叶片装好后安装角不再 变化 , 那么虽在某一风速下可能得到最好的气动力性 能 , 但在其它风速下则未必如此 。为了适应不同的风 速 , 可以随着风速的变化 , 调节整个叶片的安装角 , 从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气 动力性能 。这种桨叶叫做变桨距式叶片 , 而把那种安 装角一经装好就不再能变动的叶片称为定桨距式叶 片 。显然 , 从气动性能来看 , 变桨距式螺旋桨型叶片 是一种性能优良的叶片 。 还有一种可以获得良好性能的方法 , 即风力机采 取变速运行方式 。通过控制输出功率的办法 , 使风力 机的转速随风速的变化而变化 , 两者之间保持一个恒 定的最佳比值 , 从而在很大的风速范围内均可使叶片 各处以最佳的攻角运行 。3设 V 为风轮前方远处的风速 , V 1 为通过风轮截 面 A 的实际速度 , V 2 为风轮后方远处的风速 , 通过 风轮的气流在风轮前方的截面为 A 1 , 在风轮后方的 截面为 A 2 , 风轮远处的压力为 p1 , 风轮前后的压力 为 pa 和 pb 。显然 , 在单位时间内 , 从风轮前到风轮 后气流动能的变化量就是为风轮所吸收并使风轮旋转 的风能 E , 即风力机的气动力特性311 贝兹 ( Betz ) 理论前面说过 , 风轮的作用是将风能转换为机械能 。 由于流经风轮后的风速不可能为零 , 因此风所拥有的 能量不可能完全被利用 。也就是说只有风的一部分能 量可能被吸收 , 成为桨叶的机械能 。那么风轮究竟能 够吸收多少风能呢 ?为讨论这个问题 , 贝兹假设了一 种理想的风轮 , 即假定风轮是一个平面桨盘 ( 没有轮 毂 , 叶片无穷多) ; 通过风轮的气流没有阻力 ; 且整 个风轮扫掠面上的气流是均匀的 ; 气流速度的方向在 通过风轮前后都是沿着风轮轴线的 。图 228 所示为气 流流过理想风轮旋转面 A 所形成的近似形状 。图中 示出空气流经桨叶的流线图和风轮前后的速度及压力 变化 。由于风轮在旋转 , 使气流产生落差 , 在靠近风 轮处及在风轮后某一距离处的气流速度均有所降低 , 如图中 ( b ) 所示 。与此同时 , 靠近风轮处的空气压力 增高 , 通过风轮后压力急剧下降 , 形成某种程度的真 空 , 随后真空程度逐渐减弱 , 直到恢复原来的压力 , 如图中 ( c ) 所示 。通常速度 V 是已知的 , 所以 E 可以看成是 V 2 的函 数 , 求其导数 d E/ d V 2 , 并使之为零 , 则得15V2 =V 3( 2212)将式 ( 2212) 代入式 ( 2211) , 得到风轮可能吸收到的最 大风能为Em a x =3 3 AV ρ 27( 2213)度与风速之比为恒定的最佳值的情况下运转 , 从而使 Cp 在很大的风速变化范围内均能保持最大值 , 风能转 换为机械能的效率问题有可能得到最佳解决 。 4 风力机的输出功率 前面讨论了理想风力机的功率输出 , 对一台实际 的风力机 , 其机械输出功率 Pm 可以下式表示 :这个最大能量只有在工作中毫无损失的风轮即理想风 轮中才能得到 , 并转变为风轮的机械功 。 我们取单位时间内风轮所吸收的风能 E 与通过风 轮旋转面的全部风能 Ein 之比为风能利用系数 Cp , 即式 ( 2215) 给出理想风轮的最大理论效率 , 这就是 贝兹极限 。 312 风能利用系数 实际风轮的风能利用系数如图 229 所示 , 在实际 应用中常用风能利用系数 Cp 对叶尖速比 λ 的变化曲 线表示该风轮的空气动力特性 。式中 , Pw 是通过风轮扫掠面积的风的功率 , D 是风 轮直径 。风能利用系数 Cp 不是一个常数 , 它随风 速 、风力机转速以及风力机叶片参数如攻角 、桨距角 等而变化 。 风力机的叶片有定桨距的 , 也有变桨距的 。对于 定桨距的风力机 , 除了采用可控制的变速运行外 , 一 般恒速运行的风力机 , 在额定风速以下的风速范围 内 , Cp 常常偏离其最佳值 , 使输出功率有所降低 ; 超过额定风速后 , 通过采取偏航控制或失速控制等措 施 , 使输出功率限制在额定值附近 。对于变桨距的风 力机 , 通过调节桨距可使 Cp 在额定风速以下具有可 能较大的值 , 从而得到较多的能量输出 ; 超过额定风 速后 , 通过改变桨距减小 Cp , 使输出功率保持在它 的额定值 Pm R , 如图 2210 所示 。风轮的叶尖速比 λ 是风轮叶片的叶尖速度与风速 之比 ,它是风力机的一个重要设计参数 : λ=wR V( 2216)由于制造和控制的局限性 , 利用节距控制保持Cp 不变是不实际的 , 即使对于恒速运行的变距叶式中 , R 是风轮的半径 。从图 229 可以看出 , 风力机 的风能利用系数也即风轮将风能转变为机械能的效率 与叶尖速比是密切相关的 。风能利用系数 Cp 只有在 叶尖速比 λ 为某一定值 λ m 时最大 。 在恒速运行的风 力机中 , 由于风力机转速不变 , 而风速经常在变化 , 因此 λ 不可能经常保持在最佳值 ( 即使是采用变桨距 叶片) , Cp 值往往与其最大值相差很多 , 使风力机常 常运行于低效状态 。而变速运行的风力机 , 通过适当 控制输出功率的办法 , 有可能使风力机在风轮叶尖速16片 , Cp 也会随风速而变化 。 中 、大型风力机一般以固定转速运转 , 适当设计 风力机的 Cp 与λ 的关系曲线 , 使它的功率输出具有 自限制特性 , 对于定桨距风力机的运行 , 具有十分重 要的意义 。另外 , 改变额定转速时风力机运行有影 响 。额定转速以及与之相应的额定风速的选择取决于 风力机所在场址的风况 , 平均风速为 9m/ s 的场地选 择额定转速为 5215r / min 是合适的 , 但对于平均风速 6m/ s 的场地选择这样的转速可能就不合适了 。风能是我国目前开发利 用比较成熟的一种新能源， 风电事业正在我国蓬勃发 展。 为了帮助读者了解风力风力发电讲座第三讲!发电知识， 我们请长期从事 风力发电研究工作的中国科 学院电工研究所倪受元研究 员撰写了《 风力发电》 讲座， 以飨读者。 ―― ― 编者风力发电用的发电机及风力发电系统倪 受 元机。 本文对其概要作一介绍。对发电机及发电系统的一般要求风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后 一种能量转换任务。它不仅直接影响这个转换过程的 性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过 程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用 适合于风电转换用的运行可靠、效率高、控制及供电 性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要 组成部分。在考虑发电机系统的方案时，应结合它们 的运行方式重点解决以下问题： ! 高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压 恒定的交流电或电压恒定的直流电。 & 高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度 电的成本。 # 稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装 置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。图! 三相同步发电机结构原理图普通三相同步发电机的原理结构如图 ! 所示。在 定子铁心上有若干槽，槽内嵌有均匀分布的在空间彼 此相隔 !&#$电角的三相电枢绕组 %%& 、 ’’& 和 ((& 。转 子上装有磁极和励磁绕组，当励磁绕组通以直流电流 !) 后，电机内产生磁场。转子被风力机带动旋转，则 磁场与定子三相绕组之间有相对运动，从而在定子三 相绕组中感应出三个幅值相同，彼此相隔 !&#$电角 的交流电势。这个交流电势的频率 & 决定于电机的极 对数 # 和转子转速 $，即 &% #$ *# +!,&恒速恒频发电机系统恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要有两种，即同步发电机和鼠笼型感应发 电机。前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转 速，后者则以稍高于同步速的转速运行。 &# ! 同步发电机 风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同 步电机，其输出联接到邻近的三相电网或输配电线。 因为三相电机比起相同额定功率的单相电机来，一般 体积较小、效率较高、而且便宜，所以只有在功率很 小和仅有单相电网的少数情况下才考虑采用单相发电 !&每相绕组的电势有效值为 +&, &# - ’! !& 式 中 ， ! % & #&； & 是 励 磁 电 流 产 生 的 每 极 磁 通； ’! 是一个与电机极数和每相绕组匝数有关的常 数。同步发电机的主要优点是可以向电网或负载提供 无功功率，一台额定容量 !#$%&’、功率因数为 () * 的同步发电机可以在提供 !((%+ 额定有功功率的同 时，向 电网 提供 , -$%+ 和 . -$%+ 之间 的任 何无功 功率值。它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满 足各种不同负载的需要。 同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较 复杂，成本相对于感应发电机也比较高。 !& ! 感应发电机 感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和绕线 型两种。在恒速恒频系统中，一般采用鼠笼型异步电 机。它的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相 同。转子采用笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈 圆筒形，槽中嵌入金属 / 铝或铜 0 导条，在铁心两端用 铝或铜端环将导条短接。转子不需要外加励磁，没有 滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维 护。 感应电机既可作为电动机运行，也可作为发电机 运行。当作电动机运行时，其转速 ! 总是低于同步 速 !1 & !# !1），这时电机中产生的电磁转矩与转向相 同。若感应电机由某原动机 & 如风力机 $ 驱动至高于同 步速的转速 & !% !1 ）时，则电磁转矩的方向与旋转方 向相反，电机作为发电机运行，其作用是把机械功率 转变为电功率。我们把 & ’ （ !1 ( !） ) !1 称为转差 率， 则 作 电 动机 运 行 时 &%( ，而 作 发 电 机运 行 时 & #( 。 感应发电机的功率输出特性曲线如图 * 所示。 可以看出，感应发电机的输出功率与转速有关，通常 在高于同步转速 & + , $ + 的转速时达到最大值。超 过这个转速，感应发电机将进入不稳定运行区。感应发电机也可以有两种运行方式，即并网运行 和单独运行。在并网运行时，感应发电机一方面向电 网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收落后的 无功功率。在单独运行时，感应发电机电压的建立需 要有一个自励过程。自励的条件，一个是电机本身存 在一定的剩磁；另一个是在发电机的定子输出端与负 载并联一组适当容量的电容器，使发电机的磁化曲线 与电容特性曲线交于正常的运行点，产生所需的额定 电压，如图 & 所示。图#感应发电机单独运行时的自励电路及电压建立过程 $）自励电路 %）电压建立过程图中与磁化曲线不饱和段相切的直线就是临界电 容线，它与横座标轴的夹角 !% 为 23 !% ’ -! ’ ! .( &/% /&0式中 /% 为空载时的临界电容。在空载时，要建 立正常电压，必使 !# !%，或使 /% /% 。也即外接电容 必须大于某一临界值。增加电容量，可使 ! 角减 小，使建立的端电压增高。图! 感应发电机的输出功率特性在负载运行时，一方面由于转差值 0 & 0 增大，要 !&维持频率 ! 不变，必须相应提高转子的速度。另一方 面还需要补偿负载所需的感性电流 & 一般的负载，大 多是电感性的 # 以及补偿定子和转子产生漏磁通所需 的感性电流。因此由外接电容器所产生的电容性电流 必须比空载时大大增加，也即需要相应地增加其电容 值。上述两个要求如果不能满足，则电压、频率将难 以稳定，严重时会导致电压的消失，所以必须有自动 调节装置，否则负载变化时，很难避免端电压及频率 的变化。 感应发电机与同步发电机的比较如表 ! 所示。表! 感应发电机与同步发电机的比较 # $ 感应发电机的优点 项 目 结构 感应发电机 同步发电机尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取 的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力机 在结构上和实用中还有很多的优越性。利用电力电子 学是实现变速运行最佳化的最好方法之一，虽然与恒 速恒频系统相比可能使风电转换装置的电气部分变得 较为复杂和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力 发电机组中所占比例不大，因而发展中、大型变速恒 频风电机组受到很多国家的重视。 变速运行的风力发电机有不连续变速和连续变速 两大类，下面分别作一概要介绍。 &# ! 不连续变速系统 一般说来，利用不连续变速发电机可以获得连续 变速运行的某些好处，但不是全部好处。主要效果是 比以单一转速运行的风电机组有较高的年发电量，因 为它能在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附 近。但它面对风速的快速变化 ) 湍流 $ 实际上只是一台 单速风力机，因此不能期望它像连续变速系统那样有 效地获取变化的风能。更重要的是，它不能利用转子 的惯性来吸收峰值转矩，所以这种方法不能改善风力 机的疲劳寿命。下面介绍不连续变速运行方式常用的 几种方法。 !* 采用多台不同转速的发电机 通常是采用两 台转速、功率不同的感应发电机，在某一时间内只有 一台被联接到电网，传动机构的设计使发电机在两种 风轮转速下运行在稍高于各自的同步转速。 &* 双绕组双速感应发电机 这种电机有两个定 子绕组，嵌在相同的定子铁心槽内，在某一时间内仅 有一个绕组在工作，转子仍是通常的鼠笼型。电机有 两种转速，分别决定于两个绕组的极数。比起单速机 来，这种发电机要重一些，效率也稍低一些，因为总 有一个绕组未被利用，导致损耗相对增大。它的价格 当然也比通常的单速电机贵。 +* 双速极幅调制感应发电机 这种感应发电机 只有一个定子绕组，转子同前，但可以有两种不同的 运行速度，只是绕组的设计不同于普通单速发电机。 它的每相绕组由匝数相同的两部分组成，对于一种转 速是并联，对于另一种转速是串联，从而使磁场在两 种情况下有不同的极数，导致两种不同的运行速度。 这种电机定子绕组有六个接线端子，通过开关控制不 同的接法，即可得到不同的转速。 双速单绕组极幅调制感应发电机可以得到与双绕定 子 与 同 步 发 电 机 相 转子上有励磁绕组和 同，转子为鼠笼型，结 阻尼绕组，结构较复 构简单， 牢固。 杂励磁由电网取得励磁电流， 需要励磁装置及励磁 不 需 要 励 磁 装 置 及 励 调节装置。 磁调节装置。尺寸及重量 无 励 磁 装 置 ， 尺 寸 较 有励磁装置，尺寸较 小， 重量较轻。 并网 稳定性 维护检修 装置。 无失步现象， 运行时只 负载急剧变化时有可 需适当限制负荷。 能失步。 定 子 的 维 护 与 同 步 机 除定子外，励磁绕组 相同， 转子基本上不需 及励磁调节装置需要 要维护。 维护。 % $ 感应发电机的缺点 项 目 功率因数 感应发电机 同步发电机 功 率 因 数 由 输 出 功 率 功率因数可以很容易 决定， 不能调节。由于 地通过励磁调节装置 需 要 电 网 供 给 励 磁 的 予以调整，既可以在 无功电流， 导致功率因 滞后的功率因数下运 数下降。 冲击电流 行，也可以在超前的 功率因数下运行。 强 制 并 网 ， 冲 击 电 流 由于有同步装置，并 大， 有时需要采取限流 网时冲击电流很小。 措施。 单独运行及 单独运行时，电压、频 单独运行时可以很方 电压调节 率调节比较复杂。 便地调节电压。 大， 重量较重。 强制并网， 不需要同步 需要同步合闸装置。&变速恒频发电机系统这是 &’ 世纪 (’ 年代中期以后逐渐发展起来的一组双速发电机基本相同的性能，但重量轻、体积小， 因而造价也较低，它的效率与单速发电机大致相同。 缺点是电机的旋转磁场不是理想的正弦形，因此产生 的电流中有不需要的谐波分量。 &# $ 连续变速系统种新型风力发电系统，其主要优点在于风轮以变速运 行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶 !&连续变速系统可以通过多种方法来得到，包括机 械方法、电 # 机械方法、电气方法及电力电子学方法 等。机械方法如采用变速比液压传动或可变传动比机 械传动，电 # 机械方法如采用定子可旋转的感应发电 机，电气式变速系统如采用高滑差感应发电机或双定 子感应发电机等。这些方法虽然可以得到连续的变速 运行，但都存在这样或那样的缺点和问题，在实际应 用中难以推广。目前看来最有前景的当属电力电子学 方法，这种变速发电系统主要由两部分组成，即发电 机和电力电子变换装置。发电机可以是市场上已有的 通常电机如同步发电机、鼠笼型感应发电机、绕线型 感应发电机等，也有近来研制的新型发电机如磁场调 制发电机、无刷双馈发电机等；电子电子变换装置有 交流 # 直流 # 交流变换器和交流 # 交流变换器等。下 面结合发电机和电力电子变换装置介绍三种连续变速 的发电系统。 !$ 同步发电机交流 # 直流 # 交流系统 其中同 步发电机可随风轮变速旋转，产生频率变化的电功 率，电压可通过调节电机的励磁电流来进行控制。发 电机发出的频率变化的交流电首先通过三相桥式整流 器整流成直流电再通过线路换向的逆变器变换为频率 恒定的交流电输入电网。 %$ 变 换 器 中 所 用 的 电 力 电 子 器 件 可 以 是 二 极 管、晶闸管 & ’() * 、可关断晶闸管 & +,- * 、功率晶体 管 & +,) * 和绝缘栅双极型晶体管 & .+/, * 等。除二极管 只能用于整流电路外，其他器件都能用于双向变换， 即由交流变换成直流时，它们起整流器作用；而由直 流变换成交流时，它们起逆变器作用。在设计变换器 时，最重要的考虑是换向，换向是一组功率半导体器 件从导通状态关断，而另一组器件从关断状态导通。 在变速系统中，可以有两种换向，即自然换向 & 又称 线路换向 * 和强迫换向。当变换器与交流电网相联， 在换向时刻，利用电网电压反向加在导通的半导体器 件两端使其关断，这种换向称为自然换向或线路换 向。而强迫换向则需要附加换向器件 & 如电容器等 * ， 利用电容器上的充电电荷按极性反向加在半导体器件 上强迫其关断。这种强迫换向逆变器常用于独立运行 系统，而线路换向逆变器则用于与电网或其他发电设 备并联运行的系统。一般说来，采用线路换向的逆变 器比较简单、便宜。 开关这些变换器中的半导体器件，通常有两种方 式：矩形波方式和脉宽调制 & 012 * 方式。在矩形波 变换器中，开关器件的导通时间为所需频率的半个周 期或不到半个周期，由此产生的交流电压波形呈阶梯 形而不是正弦形，含有较大的谐波分量，必须滤掉。 脉宽调制法是利用高频三角波和基准正弦波的交点来控制半导体器件的开关时刻，如图 3 所示。这种开关 方法的优点是得到的输出波形中谐波含量小且处于较 高的频率，比较容易滤掉，因而能使谐波的影响降到 很小。已成为越来越常见的半导体器件开关控制方 法。图!脉宽调制原理这种由同步发电机和交流 # 直流 # 交流变换器组 成的变速恒频发电系统的缺点是电力电子变换器处于 系统的主回路，因此容量较大，价格也较贵。 %$ 磁场调制发电机系统 这种变速恒频发电系 统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子 变换电路组成，图 & 示出磁场调制发电机单相输出系 统的原理方框图及各部分的输出电压波形。发电机本 身具有较高的 旋转频率 !4， 与普通同步 电机不同的 是，它不用直流电励磁，而是用频率为 !5 的低频交 流电励磁 & !5 即为所要求的输出频率，一般为 &6 赫 兹 # ，当频率 !5 远低于频率 !4 时，发电机三个相绕组 的输出电压波形将是由频率为 & !4 $ !5）和 & !4 % !5 # 的 两个分量组成的调幅波 & 图中波形 7 * ，这个调幅波的 包络线的频率是 !5 ，包络线所包含的高频波的频率 是 !4。将三个相绕组接到一组并联桥式整流器，得到 如图中波形 8 所示的基本频率为 !5 & 带有频率为 9 !4 的若干纹波 # 的全波整流正弦脉动波。再通过晶闸管 开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，得到图中的 波形 :。最后经滤波器滤去纹波，即可得到与发电机 转速无关、频率为 !5 的恒频正弦波输出 & 波形 ;）。 与前面的交流 # 直流 # 交流系统相比，磁场调制 发电机系统的优点是：第一，由于经桥式整流器后得 到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上是 在波形过零点时开关换向，因而换向简单容易，换向 损耗小，系统效率较高。第二，晶闸管开关电路输出 波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去， 可以得到相当好的正弦输出波形。第三，磁场调制发 电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同， 因而这种变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机 !&变换装置处在发电机的转子回路 & 励磁回路 ’ ，其容量 一般不超过发电机额定功率的 $+, 。这种系统中的 发电机可以超同步运行 & 转子旋转磁场方向与机械旋 转方向相反， !( 为负 & ，也可以次同步速运行 # 转子 旋转磁场方向与机械旋转方向相同， !( 为正 & 。在前 一种情况下，除定子向电网馈送电力外，转子也向电 网馈送一部分电力；在后一种情况下，则在定子向电 网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。 上述系统由于发电机与传统的绕线式感应电机类图! 磁场调制发电机单相输出系统方框图 及各部分输出电压波形似，一般具有电刷和滑环，需要一定的维护和检修。 目前正在研究一种新型的无刷双馈发电机，它采用双 极定子和嵌套耦合的笼型转子。这种电机转子类似鼠 笼型转子，定子类似单绕组双速感应电机的定子，有 & 个出线端，其中 $ 个直接与三相电网相联，其余 $ 个则通过电力变换装置与电网相联。前 $ 个端子输出 的电力，其频率与电网频率一样，后三个端子输入或 输出的电力其频率相当于转差频率，必须通过电力变 换装置 # 交 & 交循环变流器 & 变换成与电网相同的频率 和电压后再联入电网。这种发电机系统除具有普通双 馈发电机系统的优点外，还有一个很大的优点就是电 机结构简单可靠，由于没有电刷和滑环，基本上不需 要维护。 双馈发电机系统由于电力电子变换装置容量较 小，很适合用于大型变速恒频风电系统。组并联运行十分简单可靠。这种发电机系统的主要缺 点与交 # 直 # 交系统类似，即电力电子变换装置处在 主电路中，因而容量较大。比较适合用于容量从数十 千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。 $% 双馈发电机系统 双馈发电机的结构类似绕 线型感应电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组 由一台频率、电压可调的低频电源 & 一般采用交 # 交 循环变流器 ’ 供给三相低频励磁电流，图 & 给出这种 系统的原理方框图。当转子绕组通过三相低频电流 时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋 转速度 & !( & 与转子的机械转速 # !)）相叠加，使其等 于定子的同步转速 !! ，即 ! ) $ !( % ! ! 从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工 频电压。当风速变化时，转速 !) 随之而变化。在 !) 变化的同时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的 速度 !( ，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒 定不变。 &*’#小型直流发电系统直流发电系统大都用于 !+ 千瓦以下的微、小型 风力发电装置，与蓄电池储能配合使用。虽然直流发 电机可直接产生直流电，但由于直流电机结构复杂， 价格贵，而且由于带有整流子和电刷，需要的维护也 多，不适于风力发电机的运行环境。所以，在这种系 统中所用的电机主要是交流永磁发电机和无刷自励发 电机，经整流器整流后输出直流电。 #$ % 交流永磁发电机 交流永磁电机的定子结构与一般同步电机相同， 转子采用永磁结构。由于没有励磁绕组，不消耗励磁 功率，因而有较高的效率。永磁电机转子结构的具体 形式很多，按磁路结构的磁化方向，基本上可分为径 向式、切向式和轴向式三种类型。 采用永磁发电机的微、小型风力发电机组常省去图&双馈发电机系统增速齿轮箱，发电机直接与风力机相连。在这种低速 永磁电机中，定子铁耗和机械损耗相对较小，而定子 绕组铜耗所占比例较大。为了提高电机效率，主要应 降低定子铜耗，因此采用较大的定子槽面积和较大的 绕组导体截面，额定电流密度取得较低。系统中所采用的循环变流器是将一种频率变换成 另一种较低频率的电力变换装置，半导体开关器件采 用线路换向，为了获得较好的输出电压和电流波形， 输出频率一般不超过输入频率的三分之一。由于电力 !&以色列太阳热水器法规介绍以色列的太阳热水器法规由热水器国家标准和太 阳热水器应用中的一些法律规则所组成。其中设计与 建筑法要求在新起建筑物上安装太阳热水器，这是一 项以色列最重要的法规。土地法则涉及到现有建筑物 上太阳热水器的安装。商品监督与服务法要求太阳热 水器安装质量及保证。以色列是目前世界上唯一要求 从事太阳能行业的能源经理们接受法律教育的国家。 升，再大单元不小于 !)5 升，一居室不小于 65 升。 装置安装位置不要太醒目，要与整个建筑物协调。土地法：该法律适用于现有多层公寓建筑，根据此法律可 以在多层公寓的公用屋顶上安装太阳热水器，但太阳 热水器及其管道的安装应当减少对建筑物的外观损 坏。太阳热水器标准：以色列太阳能标准是太阳热水器的法规的基础。 在以色列太阳集热器的尺寸不是以平方米来标定，而 是以输出的千卡或千焦耳热量单位来表示。因此太阳 集热器的尺寸被表示为： “ 太阳集热器日能量热输出 !” & ! 单位为 #$ % & # 。 ! ’ $%! 其中 $ 为以色列 ()*倾斜面上太阳标 准 辐 射 量 + !,-./#$ % 0/ ? & 1 2 % 为 集 热 器 净 面 积 + 0/ ） 2 ! 为在标准点上的太阳集热器效率 + 3 1 。商品监督和服务法：根据该法律，自 !.,- 年起授权政府监督太阳能 装置的质量。主要条款是： ! 依据现行的以色列标 准，每台热水器均应标定。 & 太阳集热器，储水箱和 安装应保修。 # 自收到消费者请求 & 天内提供维修服 务， !( 天内必须完成，不能改变。 $ 太阳热水器保 修最低期限是： 储水箱 + 不包括电加热 1 集热器 电加热器 管路 + 含保温 1 装置运行 )年 )年 !年 /年 /年+ 产委会 1设计与建筑法：规定自 !.,! 年起在新的建筑物包括居民楼、旅 馆和院校用安装太阳热水器提供热水。 + 但对工业、 车库、医院、 /& 米以上的高层建筑没有规定。 1 太阳 热水器装置水箱的容积，对 / 4 - 居室不能小于 !/5&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&起动阻力矩是用于微、小型风电装置的低速永磁 发电机的重要指标之一，它直接影响风力机的起动性 能和低速运行性能。为了降低切向式永磁发电机的起 动阻力矩，必须选择合适的齿数、极数配合，采用每 极分数槽设计，分数槽的分母值越大，气隙磁导随转 子位置越趋均匀，起动阻力矩也就越小。 永磁发电机的运行性能是不能通过其本身来进行 调节的，为了调节其输出功率，必须另加输出控制电 路。但这往往与对微、小型风电装置的简单和经济性 要求相矛盾，实际使用时应综合考虑。 !& # 无刷爪极自励发电机 无刷爪极自励发电机，与一般同步电机的区别仅 在于它的励磁系统部分。其定子铁心及电枢绕组与一 般同步电机基本相同。 由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结 构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组， 因此与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的材料较 省，所需的励磁功率也较小。对于一台 , 极电机，在 每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕 组所需的铜线及其所消耗的励磁功率将不到一般同步 电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机 与永磁电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。 与永磁发电机相比，无刷爪极发电机除了机械摩 擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是 具有很好的调节性能，通过调节励磁可以很方便地控 制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳叶尖速 比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合 用于千瓦级的风力发电装置中。!&风能是我国目前开发利用 比较成熟的一种新能源， 风电 事业正在我国蓬勃发展。 为了 帮助读者了解风力发电知识，风力发电讲座第四讲倪风能是一种不稳定的能源， 如果没有储能装置或与 其他发电装置互补运行， 风力发电装置本身难以提供稳 定的电能输出。 为了解决风力发电稳定供电的问题， 目 前国内外比较一致的看法是： 大型风力发电机 # !$$$ 千 瓦以上 % 并网运行； 中型风力发电机 # 从几十千瓦到几百 千瓦 % 或者并网运行， 或者与柴油发电机或其他发电装 置并联互补运行； 小型风力发电机 # !$千瓦以下 % 主要采 用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。我们请长期从事风力发电研究 工作的中国科学院电工研究所 倪受元研究员撰写了《 风力发 电》 讲座， 以飨读者。 ―― ― 编者风力发电机组的并网运行受 元风力发电机的相序与电网的相序相同。 由于风力发电机有固定的旋转方向， 只要使发电 机的输出端与电网各相互相对应， 即可保证第& 个条件 得到满足。 所以在并网过程中主要应检查和满足前三 个条件。 风力发电机组的起动和并网过程如下： 由风向传 感器测出风向并使偏航控制器动作， 使风力机对准风 向。 当风速超过切入风速时， 桨距控制器调节叶片桨距 角使风力机起动。 当发电机被风力机带到接近同步速 时， 励磁调节器动作， 向发电机供给励磁， 并调节励磁 电流使发电机的端电压接近于电网电压。 在风力发电 机被加速几乎达到同步速时， 发电机的电势或端电压 的幅值将大致与电网电压相同。 它们的频率之间的很 小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差 在 $’和 ()$’的范围内缓慢地变化， 检测出断路器两侧 的电位差， 当其为零或非常小时使断路器合闸并网。 合 闸后由于有自整步作用， 只要转子转速接近同步转速 就可以使发电机牵入同步， 即使发电机与电网保持频 率完全相同。 以上过程可以通过微机自动检测和操作。 这种同步并网方式可使并网时的瞬态电流减至最 小， 因而风力发电机组和电网受到的冲击也最小。 但是 要求风力机调速器调节转速使发电机频率与电网频率 的偏差达到容许值时方可并网， 所以对调速器的要求 较高， 如果并网时刻控制不当， 则有可能产生较大的冲 击电流， 甚至并网失败。 另外， 为了实现上述同步并网 所需要的控制系统， 一般不是很便宜的， 对于小型风电 机组将会占其整个成本的一个相当大的部分， 由于这 个原因， 同步发电机一般用于较大型的风电机组。 从风 * 有功功率调节 风力发电机并入电网后， 力机传入发电机的机械功率 !+ 除一小部分补偿发电!恒速恒频风力发电机的并网运行中大型或大型风力发电机 # 几百千瓦到几兆瓦 %主要是采用并网运行方式， 在这种运行方式中主要解 决的问题是并网控制和功率调节问题。 下面根据风电 系统所采用的发电机类型分别作一介绍。 !& ! 同步发电机的并网运行 风力驱动的同步发电机与电网并联运行的电路如 图! 所示。 除风力机、 增速器外， 电气系统包括同步发电 机、 励磁调节器、 断路器等， 发电机通过断路器与电网 相联。 其运行特点是： 为 ! 同步并网 同步发电机与电网并联合闸前， 了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩， 需要满足一 定的并联条件， 这些条件是： 风力发电机的端电压大小 等于电网的电压； 风力发电机的频率等于电网的频率； 并联合闸的瞬间， 风力发电机与电网的回路电势为零；图!同步发电机与电网并联电路机的机械损耗 &+,- 、 铁耗 &., 和附加损耗 &/0 外， 大部 分转化为电磁功率 !,+， 即： !&!#$ % !$ & ’ &$#( ) &*# ) & +, -’!-磁电流， 可以改变发电机的无功功率。 &# ! 感应发电机的并网运行 也 ! 电机并网 感应发电机可以直接联入电网， 可以通过晶闸管调压装置与电网联接。 感应发电机的 并网条件是： ! 转子转向应与定子旋转磁场转向一致， 即感应发电机的相序应和电网相序相同； & 发电机转 速应尽可能接近同步速时并网。 并网的第一个条件必须满足， 否则电机并网后将 处于电磁制动状态， 在接线时应调整好相序。 第二个条 件不是非常严格， 但愈是接近同步速并网， 冲击电流衰 减的时间愈快。 当风速达到起动条件时风力机起动， 感应发电机 被带到同步速附近 ’ 一般为 1&8 9 !228 同步转速 - 时 合闸并网。 由于发电机并网时本身无电压， 故并网时必 将伴随一个过渡过程， 流过 : 9 ; 倍额定电流的冲击电 流， 一般零点几秒后即可转入稳态。 感应发电机并网时 的转速虽然对过渡过程的时间有一定影响， 但一般来 说问题不大， 所以对风力发电机并网合闸时的转速要 求不是非常严格， 并网比较简单。 风力发电机组与大电 网并联时， 合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网系 统的安全运行不会有太大的影响。 但对小容量的电网 系统， 并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌， 从而影响 接在同一电网上的其他电气设备的正常运行， 甚至会 影响到小电网系统的稳定与安全。 为了抑制并网时的 冲击电流， 可以在感应发电机与三相电网之间串接电 抗器， 使系统电压不致下跌过大， 待并网过渡过程结束 后， 再将其短接。 对于较大型的风力发电机组， 目前比较先进的并 网方法是采用双向晶闸管控制的软投入法， 如图 7 所 示。 当风力机将发电机带到同步速附近时， 发电机输出 端的断路器闭合， 使发电机经一组双向晶闸管与电网 联接， 双向晶闸管触发角由!&23至 23逐渐打开， 双向晶电磁功率减去定子绕组的铜损耗 &(./ 后就得到发电机 输出的有功功率 !， 即： ! # !#$ & &(./ ’0对于一个并联在无穷大电网上的由风力驱动的同 步发电机， 要增加它的输出电功率， 就必须增加来自风 力机的输入机械功率。 而随着输出功率的增大， 当励磁 不作调节时， 电机的功率角 ! 就必然增大。 图 0 示出同 步发电机的功角特性， 可以看出， 当 ! % 123时， 输出功 率达到最大值， 这个发生在 456 ! % ! 时的最大功率叫做 失步功率。 达到这个功率后， 如果风力机输入的机械功 率继续增加， 则 ! 超过123， 电机输出功率下降， 无法建 立新的平衡， 电机转速将连续上升而失去同步， 同步发 电机不再能稳定运行， 所以这个最大功率又称为发电 机的极限功率。 如果一台风力发电机运行于额定功率 状况， 突然一阵剧烈的阵风， 有可能导致输出功率超过 发电机的极限功率而失步。 避免出现这种情况的办法， 一是很好地设计风轮转子及控制系统使其具有快速桨 距调节功能， 能对风速的急剧变化迅速作出反应； 另一 个办法是短时间增加励磁电流， 这样功率极限也跟着 增大了， 静态稳定度有所提高； 第三个办法是选择具有 较大过载倍数的电机， 即发电机的最大功率比起它的 额定功率来有一个较大的裕度。图!同步发电机的功角特性闸管的导通角由 23至 !&23逐渐增大。 通过电流反馈对 双向晶闸管导通角的控制， 将并网时的冲击电流限制 在 !& : 9 0 倍额定电流以内， 从而得到一个比较平滑的 并网过程。 瞬态过程结束后， 微处理机发出信号， 利用 一组开关将双向晶闸管短接， 从而结束了风力发电机从功角特性曲线看到的另一个情况是当功率角 ! 变成负值时， 发电机的输出功率也变成负值。 这意味着 发电机现在作为电动机运行， 功率取自电网， 风力机变 成了一个巨大的风扇， 这种运行情况当然是不希望的。 所以当风速降到一个临界值以下时， 应使发电机与电 网脱开， 防止电动运行。 除了需要有 7 无功功率调节 电网的总负载中， 功功率， 有的负载还需要无功功率， 如异步电动机和变 压器等都需要电感性的无功功率。 整个电网要是无功 功率发得不够， 就会导致电网的电压下降， 这对用户是 很不利的。 因此同步发电机与电网并联后， 不仅能向电 网发出有功功率， 而且能向电网发出无功功率， 这是它 的一个很大的优点。 在风力机功率不变时， 通过调节励 !&图$感应发电机的软并网的并网过程， 进入 正常的发电运行。 # 并网运行时 的功率输出 感应 发电机并网运行 时， 它向电网送出 的电流的大小及功 率因数， 取决于转 差率 ! 及电机的参 数， 前者与感应发 电机负载的大小有 关， 后者对设计好 的电机是给定的数图! 感应发电机的转矩 ―转速特性曲线般中、 大型感应电机， 励磁电流约为额定电流的#+, 因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的 #., ， 再加上第二项， 这样感应发电机总共所需 #+, - #., ， 的无功功率约为发电机容量的#., - *+, 。 接在电网上的负载， 一般来说， 其功率因数都是落 后的， 亦即需要落后的无功功率， 而接在电网上的感应 发电机也需从电网吸取落后的无功功率， 这无疑加重 了电网上其他同步发电机提供无功功率的负担， 造成 不利的影响。 所以对配置感应电机的风力发电机， 通常 要采用电容器进行适当的无功补偿。&变速恒频风力发电机的并网运行变速恒频风电系统的一个重要优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行。 从风力机的 运行原理可知， 这就要求风力机的转速正比于风速变 化并保持一个恒定的最佳叶尖速比， 从而使风力机的 风力发电机组输 风能利用系数 &/ 保持最大值不变， 出最大的功率。 因此， 对变速恒频风力发电系统的要 求， 除了能够稳定可靠地并网运行之外， 最重要的一点 就是要实现最大功率输出控制。 &# $ 同步发电机交 % 直 % 交系统的并网运行 这种系统与电网并联运行的特点是：值， 因此这些量都 不能加以控制或调节。 并网后电机运行在其转矩―转速曲线的稳定区， 见 图$ 。 当风力机传给发电机的机械功率及转矩随风速而 增加时， 发电机的输出功率及其反转矩也相应增大， 原 先的转矩平衡点 %! 沿其运行特性曲线移至转速较前 稍高的一个新的平衡点 %# ， 继续稳定运行。 但当发电 机的输出功率超过其最大转矩所对应的功率时， 其反转 矩减小， 从而导致转速迅速升高， 在电网上引起飞车， 这 是十分危险的。 为此必须具有合理可靠的失速桨叶或限 速机构， 保证风速超过额定风速或阵风时， 从风力机输 入的机械功率被限制在一个最大值范围内， 保证发电机 的输出电功率不超过其最大转矩所对应的功率值。 需要指出的是， 感应发电机的最大转矩与电网电 压的平方成正比， 电网电压下降会导致发电机的最大 转矩成平方关系下降， 因此如电网电压严重下降也会 引起转子飞车； 相反如电网电压上升过高， 会导致发电 机励磁电流增加， 功率因数下降， 并有可能造成电机过 载运行。 所以对于小容量电网应该配备可靠的过压和 欠压保护装置， 另一方面要求选用过载能力强 & 最大转 矩为额定转矩!’ ( 倍以上 ) 的发电机。 * 无功功率及其补偿 感应发电机需要落后的 无功功率主要是为了励磁的需要， 另外也为了供应定 子和转子漏磁所消耗的无功功率。 单就前一项来说， 一所以并 ! ) 由于采用频率变换装置进行输出控制， 网时没有电流冲击， 对系统几乎没有影响。 同步发电机的工 # ) 因为采用交 0 直 0 交转换方式， 作频率与电网频率是彼此独立的， 风轮及发电机的转 速可以变化， 不必担心发生同步发电机直接并网运行 时可能出现的失步问题。 虽 * ) 由于频率变换装置采用静态自励式逆变器， 然可以调节无功功率， 但有高频电流流向电网。 $ ) 在风电系统中采用阻抗匹配和功率跟踪反馈来 调节输出负荷可使风电机组按最佳效率运行， 向电网 输送最多的电能。 图. 示出具有最大功率跟踪的交 0 直 0 交风电转换 系统联网运行方框图， 采用系统输出功率作为控制信 号， 改变晶闸管的触发角， 以调整逆变器的工作特性。 该系统的反馈控制电路包括如下环节： 在系统输出端连续地测出功率， 并 ! 功率检测器。 提供正比于实际功 率的输出信号。 & 功率变化检 测器。 对功率检测 器的输出进行采样 和储存， 以便和下 一个采样相比较。 在这个检测器中有 一个比较器， 它与图&具有最大功率跟踪的交 % 直 % 交风电系统方框图!&这个信号使磁场调制发电机励磁 电压产生必要的变化， 以调整功率 输出， 直至符合上述比值为止。 图 中风速传感器测得的风速信号通 过一个滤波电路， 目的是使控制系 统仅对一段时间的平均风速变化 作出响应而不反应短时阵风。 图& 示出另一种控制方案， 其 设计思想是以发电机的转速信号 代替风速信号 # 因为风力机在最 佳运行状态时， 其转速与风速成 正比关系， 故两种信号具有等价 性$， 并以转速信号的三次方作为 系统的控制信号， 而以电功率信 号作为反馈信号， 构成闭环控制 系统， 实现功率的自动调节。 由于磁场调制发电机系统的 输出功率随转速而变化， 从简化 控制系统和提高可靠性出发， 也 可以采用励磁电压固定不变的开 环系统。 如果对发电机进行针对 性设计， 也能得到接近最佳运行 状态的结果。图! 以转速为控制信号的磁场调制发电机系统控制原理方框图&# $ 行双馈发电机系统的并网运一个逻辑电路一起去测定后一个功率信号电平比前一 个信号电平大还是小， 当新的采样小于先前的数值时， 逻辑电路就改变状态； 如果新的采样大于先前的数值， 逻辑电路就保持原来的状态。 接受来自逻辑电路的信号并提供一 ! 控制电路。 个经常变化的输出信号， 当逻辑电路为某一状态时输 出就增加， 而为另一状态时就减少。 这个控制信号被用 来触发逆变器的晶闸管， 从而控制输送到电网的功率。 上述控制方案的特点是： 它不是仅要求风力机功率 输出最大， 而是要求整个串联系统 # 包括风力机、 增速 箱、 发电机、 整流器和逆变器 $ 的总功率输出达到最大。 &# & 磁场调制发电机系统的并网运行 由第三讲可知， 磁场调制发电机系统输出电压的 频率和相位取决于励磁电流的频率和相位， 而与发电 机轴的转速及位置无关， 这种特点非常适合用于与电 网并联运行的风力发电系统。 图 % 示出采用磁场调制发电机的风力发电系统的 一种控制方案。 它的中心思想是测出风速并用它来控 制电功率输出， 从而使风力机叶尖速度相对于风速保 持一个恒定的最佳速比。 当风力机转子速度与风速的 关系偏离了原先设定的最佳比值时则产生误差信号， !&双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联， 转子 绕组经交 ’ 交循环变流器联入电网。 这种系统并网运 行的特点是： ( $ 风力机起动后带动发电机至接近同步转速时， 由循环变流器控制进行电压匹配、 同步和相位控制， 以 便迅速地并入电网， 并网时基本上无电流冲击。 对于无 初始起动转矩的风力机 # 如达里厄型风力机 $ ， 风力发 电机组在静止状态下的起动可由双馈电机运行于电动 机工况来实现。 ! $ 风力发电机的转速可随风速及负荷的变化及时 作出相应的调整， 使风力机以最佳叶尖速比运行， 产生 最大的电能输出。 即励磁电流的 ) $ 双馈发电机励磁可调量有三个， 频率、 幅值和相位。 调节励磁电流的频率， 保证风力发 电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力； 通过 改变励磁电流的幅值和相位， 可达到调节输出有功功 率和无功功率的目的。 当转子电流相位改变时， 由转子 电流产生的转子磁场在电机气隙空间的位置有一个位 移， 从而改变了双馈电机定子电势与电网电压向量的 相对位置， 也即改变了电机的功率角， 所以调节励磁不 仅可以调节无功功率， 也可以调节有功功率。风能是我国目前开发利 用比较成熟的一种新能源， 风电事业正在我国蓬勃发风力发电讲座第五讲倪风力发电最有希望的应用前景之一是把它们用在 无电网的地区， 为边远的农村、 牧区和海岛居民提供生 活和生产所需的电力。 由于风能的随机性和不稳定性 以及负载情况的变化， 使风电机组在独立运行时所要 解决的技术问题， 包括电能供求的平衡以及电能的质 量等， 比起并网运行来有更大的难度。 本讲介绍风电机 组常用的几种独立运行或与其它发电装置互补运行方 式。展。 为了帮助读者了解风力 发电知识， 我们请长期从事 风力发电研究工作的中国科 学院电工研究所倪受元研究 员撰写了《 风力发电》 讲座， 以飨读者。 ―― ― 编者风力发电机组的独立运行和互补运行受 元日趋成熟， 其电能的生产成本已经低于柴油发电的成 本。 因此， 采用风力发电机组和柴油发电机组联合运 行， 为电网达不到的地区提供稳定可靠的、 符合电能质 量 # 电压、 频率等 $ 标准的电力， 最大限度地节约柴油并 减少对环境的污染， 是世界各国在风能利用与开发研 究中颇受瞩目的方向之一。 特别是对发展中国家， 由于 电网尚不够普及， 更具有广阔的应用前景。 现在世界上正在研究和运行的风力 % 柴油发电系 统的类型很多， 但一般说来， 整个系统不外乎包括以下 部分， 即： 风力发电机组、 柴油发电机组、 蓄能装置、 控 制系统、 用户负载及耗能负载等， 其基本结构框图如图 下面重点介绍几种主要型式。 ! 所示。 !# ! 基本型风力 % 柴油发电系统及其改进型式 风力发电和柴油发电最简单的结合方法之一是让 风力发电机组和现有的柴油发电机组并联运行， 以降 低柴油机的平均负载， 从而节省燃料。 图 & 示出这种系 统的结构， 风力驱动的感应发电机和柴油驱动的同步 发电机并联运行。 在这个系统中， 柴油发电机组必须不 停地工作， 即使在负荷较小、 风力较强时也必须运转， 以便为风力发电机提供所需的无功功率。 这种系统的 优点是结构简单， 可以向负载连续供电： 缺点是节油率 低， 而且为了保证系统的稳定性， 通常柴油发电机组的 容量要比风电机组大很多， 这样节油的效果就更差了。 所以这种系统仅适用于相当稳定的负载。 上述系统的一个改进方案是在柴油机和同步发电 机之间加一个飞轮和一个电磁离合器。 当风力所产生 的电能不能满足负荷的需求时， 风力发电机和柴油发 电机并联向负载供电； 当风力足够大时， 电磁离合器将 柴油机与其驱动的同步发电机断开， 柴油机停止运行， 而同步电机将作为同步调相机运行向风力驱动的感应!风力 & 柴油联合发电系统目前， 在大电网难以达到的边远或孤立地区， 通常的办法是采用柴油发电机组来提供必要的生活和生产 用电。 由于柴油价格高， 加之运输方面的困难， 造成发 电成本相当高， 并且由于交通不便和燃料供应的紧张， 往往不能保证电力的可靠供应。 而这些边远地区特别 是海岛大部分有较丰富的风能资源， 随着风电技术的!&作用， 还可以减少各类负载的开关次数。 &# $ 具有蓄电池储能的风力 # 柴油发电系统 图 $ 示出一台或多台风力发电机组与柴油发电机 组联合运行的方案， 在并联运行时， 风力驱动的感应发 电机由柴油机驱动的同步发电机提供励磁所需的无功 功率， 风力发电机和柴油发电机共同向负载供电。 当风 况很好或负载较小， 风力发电机组足以提供负载所需 的电能时， 柴油机通过电磁离合器或超速离合器与同 步发电机脱开停转， 同步电机作调相机运行向风力发 电机提供无功功率并进行电压控制， 风力机的转速和图! 基本型风力 # 柴油发电系统功率控制采用快速变桨距方式， 在风速很小或无风期 时， 则由柴油发电机组单独供电。发电机提供无功功率， 其本身的有功损耗则由风力发 电机供给。 这时系统的频率由控制耗能负载来保持基 本恒定。 系统中的飞轮有助于柴油机断开后维持同步 电机继续运转， 另外也有助于柴油机的重新起动。 改进 后的系统由于柴油机可以停转， 因此节油效果较前者 为好。 &# ! 交替运行的风力 # 柴油发电系统 图 & 示出风力发电机组与柴油发电机组交替运行的一种系统结构型式， 系统中的风力发电机一般为同 步发电机， 在风力较大和风电机组单独运行的情况下， 通过励磁调节和负荷调节来保持输出电压和频率基本 稳定。 由于风能的不稳定性， 可以将负载按其重要程度 分类， 随着风力的大小， 通过频率或速度传感元件给出 的信号， 依次接通或断开各类负载。 在风速很低连第一 类负载也不能保证供电时， 则风电机组退出运行， 同时 柴油发电机组自动起动并投入运行。 由于这种系统中 风力发电机和柴油发电机在电路上没有什么联系， 无 需解决两者并联运行的一些技术问题， 所以总体结构 比较简单， 同时风能可以得到充分利用， 柴油发电机组 的运转时间大大减少， 因而节油率较高。 缺点是在风力 发电机和柴油发电机切换过程中会导致短时间供电中 断， 另外随着风力和负载的双重波动， 可能造成柴油机 频繁起停。图& 具有蓄电池储能的风力 % 柴油发电系统为了避免由于风力和负载的变化导致柴油机频繁 起动， 该联合系统中配备了小容量蓄电池组 % 其容量取 决于当地风能资源条件和用户要求， 一般相当于可按 额定功率供电半小时 & ! 小时 ’ ， 同时配置一个可逆的 线路整流 # 逆变器， 以便给蓄电池充电或蓄电池向独 立电网补充输电。 此外， 蓄电池还可以减少柴油机的轻 载运行， 使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范 围内。 对于容量较大的风力 # 柴油发电系统， 可采用多 台风电机组的方案， 这样可以减小风电机组总功率输 出的波动幅度， 同时蓄电池的容量也可以减小。 &# & 交 # 直 # 交型变速风力发电机组与柴油发电机组 联合发电系统 图( 示出这种风力 # 柴油发电系统的结构框图。 系图$交替运行的风力 % 柴油发电系统统中风力机驱动的发电机可以是同步发电机， 也可以 是感应发电机， 经整流和逆变装置与柴油发电机并联 运行， 实现向负载连续供电。 根据风力情况和负载大 小， 这种系统也可以有& 种不同供电方式， 即： 风力发电 !&为了减少柴油机的起动次数， 措施之一是在图& 所 示系统中风力发电机轴上装一个飞轮， 飞轮装在齿轮 箱与同步发电机之间利用这个飞轮的惯性和短时蓄能机单独供电、 风力发电机和柴油发电机并联供电、 柴油 发电机单独供电。 该系统的优点是风力机可以在变速 工况下运行， 从而可最大限度地利用风能， 以节约更多 的柴油。 系统中的整流、 逆变装置和蓄电池储能设备可 以起到维持恒频输出和平衡功率的作用。 这种系统的 缺点是由于配置了容量与风力发电机组容量相当的整 流、 逆变设备， 造价较高， 在电能转换过程中也有一定 的能量损失。以并联运行时基本上不需要什么控制， 且并联系统非 常可靠， 即使在风速大幅度变化或柴油发电机转速、 电 压波动的情况下， 仍可以稳定、 安全地并联运行。 !( # 风力 ) 柴油联合发电系统的实用性评价 上面介绍了一些风力 ) 柴油发电系统， 但如果说哪一种系统模式是普遍适用的最佳设计， 那将会使人 产生误解。 最佳设计在很大程度上取决于用户的不同 需要和当地的风力资源条件， 一种系统对某种用户可 能是最合适的， 但不可能对所有地方都是最佳的。 如何 评价系统的实用性， 应根据具体的资源及负载情况从 以下三方面来考虑： ! 节油效果 建立风力 ) 柴油发电系统的一个 目的就是节约柴油， 所以节油率是衡量一个风力 ) 柴 油发电系统是否先进的重要指标之一。 $& 世纪 *& 年代图!交 & 直 & 交型变速风力发电机组初的风力 ) 柴油发电系统， 特别是柴油机必须不停地 连续运行的系统， 节油率是很低的。 从 *& 年代中期起， 由于系统中逐渐增加了蓄能设施， 风能的利用率有了 很大提高， 系统的节油率普遍上升， 到%& 年代初已达到 目前有的系统节油率达到.&+ 以上。 &&+ , --+ ， $ 可靠性 对一个节油效果较好的风力 ) 柴油 发电系统来说， 风电容量一般约占总的系统容量 -&+ 以上， 而风速变化的随机性很大， 风电功率变化相当频 繁， 且幅度很大。 在并联运行中， 系统能否承受这种频 繁的大幅度的冲击， 达到稳定运行， 以提供可靠的电 能， 是风力 ) 柴油联合发电系统成功的技术关键。 / 经济性 经济性是人们极为关注的问题之一， 不同的系统模式不能用同一的节油率指标来衡量系统 经济性的优劣。 系统的经济性除与选择的系统模式有 很大关系外， 还与风能资源、 负载性质与大小、 风电机 组与柴油机组和蓄电池组的容量比例等有很密切的关 系。 例如蓄电池容量过大， 虽然提高了风能利用率， 减少 了柴油机起停次数， 但设备费用和运行维护费用增加； 反之则风能利用率降低， 柴油机常处于低负荷、 高耗油 率运行工况， 同样加大了供电成本。 因此， 对不同的风 力 ) 柴油发电系统， 应以系统的综合供电成本来评价它 的经济性。 供电成本低的系统显然是良好的系统。与柴油发电机组联合发电系统#$ ! 磁场调制型变速风力发电机组与柴油发电机组 联合发电系统 图 # 示出磁场调制型变速恒频风力发电机与柴油 发电机联合运行的系统框图。 风力驱动的磁场调制发 电机的励磁可以取自柴油发电机的输出， 与第四讲第$ 节所述的该发电机系统的并网运行相类似， 通过励磁 变压器将柴油发电机各相输出电压进行适当的相位相 加， 即可得到一组领前系统输出电压%&’的三相励磁电 压。 在这种情况下， 风力发电机的输出总是自动与柴油 发电机输出同步， 不需要专门的控制， 不存在失步问 题， 整个系统的控制非常简单。图%磁场调制型变速风力发电机组&&$ #风 & 光联合发电系统风 ) 光互补联合发电的优点 风能、 太阳能都是取之不尽用之不竭的清洁能源，与柴油发电机组联合发电系统当风况很好风力发电机足可提供负载所需的电能 时， 柴油机通过电磁离合器与其驱动的同步发电机脱 开停车， 同步机作调相机运行供给磁场调制发电机励 磁所需的无功功率， 同时控制它的输出电压和频率。 这种系统除了可以获得风力机变速运行增加能量 输出的好处外， 由于磁场调制发电机从工作原理上保 证了其输出与供给其励磁的柴油发电机输出同步， 所 !&但它们又都是不稳定、 不连续的能源， 单独用于无电网 地区， 需要配备相当大的储能设备， 或者采取多能互补 的办法， 以保证基本稳定的供电。 风 ) 光联合发电即是 一种多能互补的发电方式， 特别是我国属于季风气候 区， 一般冬季风大， 太阳辐射强度小； 夏季风小， 太阳辐 射强度大， 正好可以相互补充利用。风 # 光联合发电比起单独的风电或光电来有以下 优点： 太阳能的互补特性， 可以获得比较稳 ! $ 利用风能、 定的总输出， 系统有较高的供电稳定性和可靠性。 可大大减少储能蓄 % $ 在保证同样供电的情况下， 电池的容量。 可以 & $ 对混合发电系统进行合理的设计和匹配， 基本上由风 # 光系统供电， 很少或基本不用启动备用 电源如柴油发电机等， 并可获得较好的社会效益和经 济效益。 所以综合开发利用风能、 太阳能， 发展风 # 光互补 联合发电有很好的应用前景， 受到很多国家的重视。 下 面介绍一种类型比较先进的风 # 光联合发电系统。 !& ! 交 # 直 # 交型变速风电机组与太阳光电联合运行 图 ’ 示出我国建造的&()* 风 # 光互补联合发电系换成恒频恒压交流电供给负载。 逆变器采用大功率晶 体管脉宽调制方案， 在蓄电池电压降到设定的过放值 时自动关断， 保护蓄电池不致过放。 在风、 光不能满足 负载要求且蓄电池已接近过放值时， 由备用的柴油发 电机组向负载供电， 同时向蓄电池补充充电， 数据采集 和处理系统可实时地显示系统各部分的运行状态， 并 可贮存& 个月的运行数据。 此外， 还有采用感应发电机的恒速风电机组与太 阳光电联合运行， 本文在此不作详细介绍。$风力发电机组的独立运行风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式， 但由于风能的不稳定性， 为了保证基本的供电需 求， 必须根据负载的要求采取相应的措施， 达到供需平 衡。 下面介绍风力发电机几种独立运行供电方式。 $& ) 配以蓄电池储能的独立运行方式 这是一种最简单的独立运行方式， 如图 - 所示。 对 于 !()* 以下的小型风电机组， 特别是 !)* 以下的微 型风电机组普遍采用这种方式向用户供电。统的组成。 整个系统包括 & 台 &)* 风力发电机组， &)*+ 太阳电池阵列， %%()*, 固定型铅酸蓄电池， &()* 三 相正弦波逆变器， 光 &()* 备用柴油发电机以及风电、 电控制系统， 配电柜和数据采集与处理系统等。图*风电机组配以蓄电池储能的独立运行系统对于 !)* 以下的微型机组一般不加增速器， 直接 由风力机带动发电机运转， 后者一般采用低速交流永 磁发电机； 发电机 !)* 以上的机组大多装有增速器， 则有交流永磁发电机、 同步或异步自励发电机等。 经整 流后直接供电给直流负载， 并将多余的电能向蓄电池图# 我国 $%&’ 风 ( 光互补联合发电系统充电。 在需要交流供电的情况下， 通过逆变器将直流电 转换为交流电供给交流负载。 风力机在额定风速以下 变速运行， 超过额定风速后限速运行。 对于容量较大的机组 . 如 %()* 以上 $ ， 由于所需 的蓄电池容量大， 投资高， 经济上不是很理想， 所以较 少采用这种运行方式。 $& ! 采用负载自动调节法的独立运行方式 由于输入风力机的风能与风速的三次方成比例， 其输出功率也将随风速的变化而大幅度变化。 因此独 立运行的关键问题是如何使风力发电机的输出功率与 负载吸收的功率相匹配。 为了更多地获取风能， 同时也 为了使风力发电机组能在安全的转速下运行， 需要在 不同的风速下接入数量不同的负载， 这就是本方案基 本的控制思想。 图 / 示出这种方案的系统框图， 系统中 风力机驱动同步发电机， 其输出电压可通过调节发电 !&& 台风电机组中的发电机均为无刷自励爪极发电 机， 机组采取变速运行方式， 通过各自的整流器及公用 的逆变器向负载供电， 在直流环节将多余的电能向蓄 电池充电。 当蓄电池没有充满且风速在额定风速以下 时， 风力发电机组采用最佳叶尖速比控制， 使风力机在 很大的风速范围内以最佳效率运行， 从而可最大限度 地利用风能； 当蓄电池接近充满， 电压达到设定的最高 充电电压时， 风力发电机自动转为稳压控制运行， 这样 既可使蓄电池继续充电， 又保护了蓄电池不致过充。 太阳电池阵列由 &)*+ 单晶硅电池组件组成， 分 为& 个子阵列并联向蓄电池充电， 各子阵列的通断采用 无触点固态器件控制。 在蓄电池接近充满时， 通过依次 关断部分子阵列保证蓄电池端电压不超过最高设定 值， 风、 光系统在直流环节并联后， 通过三相逆变器转机的励磁进行控制， 使风力发电机在达到某一最低运 行转速后维持输出电压基本不变。 风力机的转速可以 通过同步发电机的输出频率来反映， 因此可以用频率 的高低来决定可调负载的投入和切除。能源宝库―― ― 地热能冰 河长期以来，科学家对地热能开发利用作了不懈努 力，但直到科学发达的今天，人类对地热能的利用尚 处于取其地表热能的自然利用状态，有人设想用钻井 的方法接近软流层，让高温岩浆人为喷发，再利用它 蒸发海水得到的高温水蒸汽发电，但没有取得令人满 意的结果。 我国地热点多且品质高，从已发现的 %&&& 多个 地热蒸汽资源点来看， !’&( 以上的高温地热蒸汽地 点主要分布在西藏南部、云南西部和台湾等地。台湾图!采用负载自动调节法的独立运行系统转速控制可以采取最佳叶尖速比控制和恒速控制 两种方案。 在采用最佳叶尖速比控制方案时， 通过调节 负载使风力机的转速随风速成线性关系变化， 并使风 轮的叶尖速度与风速之比保持一个基本恒定的最佳 值。 在此情况下， 风力机的输出功率与转速的三次方成 比例， 风能得到最大程度的利用。 为了保证主要负载的 用电及供电频率的恒定， 在发电机的输出端增加了整 流、 逆变装置， 并配备少量蓄电池。 该蓄电池的存在不 仅可以在低风速或无风时提供一定量的用电需求， 而 且还在一定程度上起缓冲器的作用， 以调节和平衡负 载的有级切换造成的不尽合理的负载匹配。 从发电机 端直接输出的电能， 其频率随转速而变化， 可用于电热 器一类的负载 # 如电供暖、 电加热水等 $ ， 同时这类负载 和泄能负载一起均可作为负载调节之用。 在采用恒速 控制方案时， 可以不需要整流、 逆变环节， 通过负载控 制和风力机的桨距调节维持转速及发电机频率的基本 恒定。 采用这种方案整个系统投资较少， 但风能的利用 率及对主要负载的供电质量和供电稳定性不如前者。 显然， 采用负载调节的运行方式时， 负载档次分得 越细， 风轮运行越平稳， 频率稳定度也越高。 但由于受 经济条件和使用情况这两个因素的制约， 不可能完全 做到这一点。 折中的办法是根据当地的风力资源和负 载对供电的需求情况， 确定负载档数、 每档功率大小及 优先投入或切除的顺序。 此外， 还有多台风力发电机组并联运行的独立供 电系统。 主要为较大的用户供电， 应尽可能采用快速变速 和控制功率的变桨距风电机组。 这种联合系统除可增 加风能利用率外， 另一个最大的优点是能在几秒钟内 更好地平衡因风力波动而引起的输出功率变化。 !&马槽地区一勘探井温度高达 !)*( ，是我国目前发现 的最高地热点。云南腾冲热海地热田距地表 !%+ 便 可得到 !,’( 的热水。西藏羊八井地热田钻井的最高 水温有 !-!( 。温度在 !&&( 以下的中低温地热点分 布更为广泛，但主要集中在东南沿海各省、山东半岛 和辽东半岛等地。 合理开 发利用地热资源 的作用和效 益都是可观 的： 它可以节约大量的能源， 减轻环境污染。 人们可以 将地热水通过热交换器供住宅采暖或生活用热水等。 在农业上，各地利用地热水进行大量对比实验， 取得了良好的效果。湖南省宁乡县用地热水培育良 种，大大加快了育种周期。同时，用地热水养殖水浮 莲、红萍、绿萍等饲料，产量高、生长快。陕西临潼 水产工作站用地热水进行高密度养鱼实验，获得每亩 年产 , 万斤的好效益。福建农科院地热农业利用研究 所利用地热水孵化箱进行小鸡孵化对比实验，地热水 孵化小鸡优于电热箱。地热水几乎可以用于各种工业 过程，如预热干燥、印染、制革、制冷、空调、发电 等。福州市地热研究所为地热能利用开辟了一条新 路。他们用 .-( 、 ./ ’ 吨 0 小时流量的热水，每天可 制冰 , 吨，并向一座 ’& 平方米、保持恒温 1 !%( 的 !&& 吨冷库和一座同样大小的蔬菜保鲜库提供冷气， 剩余水还可供应附近农业温室和养鱼，一举多得。西 藏羊八井地热电站，总装机容量 %/ ’ 万千瓦，是我国 最大的地热电站。风能是我国目前开发利用 比较成熟的一种新能源，风电风力发电讲座事业正在我国蓬勃发展。为了 帮}