【文章內(nèi)容簡介】 風力發(fā)電機劇烈抖動時有發(fā)生，多數(shù)是因主要工作部件螺栓松動引起的。若螺栓松動，將松動的螺栓擰緊 (注意加彈簧墊 )即可；若定槳距風輪葉片變形，需要卸下修復或更換新葉片 (注意，風輪葉片更換應成對、成付一起更換 )，若變槳距風輪出現(xiàn)卡滯，此時應卸下風輪，取下葉片，并用汽油清洗變槳距的滑槽、滑塊和彈 簧等零件，然后再重新裝回原位 (注意兩個葉片的零件不得相互裝錯，以免破壞風輪平衡 )。 風機調(diào)向不靈有以下現(xiàn)象：風輪在低風速時 (一般 35m／ s以下 )，經(jīng)常不迎風，機頭轉(zhuǎn)動困難，風大時 (如風速超過 12m／ s 以上 )，風輪不能及時偏轉(zhuǎn)限速，使風輪長時間超速旋轉(zhuǎn)，致使風機工作穩(wěn)定性變壞。 (1)調(diào)向不靈的原因分析。風機立柱 (或塔架 )上端壓力軸承損壞，或風機安裝時沒有安裝壓力軸承，因長期不保養(yǎng)風機，使機座回轉(zhuǎn)體長套內(nèi)和壓力軸承處油泥過多，黃油老化變硬，致使機頭回轉(zhuǎn)困難，回轉(zhuǎn)體和壓力軸承安裝時，根本就沒有加 黃油，致使回轉(zhuǎn)體內(nèi)部生銹。 (2)調(diào)向不靈故障的排除方法 卸下回轉(zhuǎn)體，清洗后，若沒有安裝軸承，則需要補裝壓力軸承，若長期沒有保養(yǎng)，使油泥過多或根本沒有加油，則需認真清洗后，再涂新黃油即可。 3．異常雜音 風機運行中的異常雜音有如下現(xiàn)象：當風速小時出現(xiàn)明顯的響聲，或摩擦聲，或出現(xiàn)明顯的敲擊聲等。 (1)異常雜音的原因分析。螺釘、螺栓各緊固部位有松動之處；發(fā)電機軸承缺油或松動；發(fā)電機軸承損壞；風輪與其他部件摩擦。 (2)異常雜音的排除方法。發(fā)現(xiàn)風機運轉(zhuǎn)工作時有異常雜音，應立即停機檢查。若緊固件螺絲松動，加好 彈簧墊擰緊即可，若風輪與其他部件摩擦，找出故障點，調(diào)整或檢修排除，若不屬以上原因，則異常雜音可能出在發(fā)電機前，后軸承部位，此時應打開發(fā)電機前，后軸承蓋，檢查軸承，對軸承部件清洗或更換新軸承，并加好黃油，將發(fā)電機前、后的軸承蓋裝回原位即可。 發(fā)電機不發(fā)電的現(xiàn)象：發(fā)電機運轉(zhuǎn)工作時，無電流輸出。 (1)發(fā)電機不發(fā)電的原因分析。發(fā)電機輸電線斷路；發(fā)電機整流管損壞；輸電線接頭接觸不良；發(fā)電機過熱或線圈燒壞；保險管燒壞。 (2)發(fā)電機不發(fā)電故障的排除方法。如發(fā)現(xiàn)發(fā)電機不發(fā)電，應立即停機檢查，檢 查時本著先易后難、由表及里的原則，先檢查輸電線各接頭處接觸是否牢靠，若各接頭沒有問題，可進一步檢查發(fā)電機整流管或保險管是否有損壞，如整流管和保險管沒有問題，則可進一步認定是發(fā)電機里邊的問題。此時卸下發(fā)電機，打開前后端蓋，取出轉(zhuǎn)子，檢查定子線周，如是定子線圈有短路，找出短路部位，重新更換線圈或更換新發(fā)電機。 5．風輪轉(zhuǎn)速明顯降低 風輪轉(zhuǎn)速明顯降低的現(xiàn)象，一般比較直觀。即有風時風輪不好啟動，運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速上不去，特別是額定風速時，風輪轉(zhuǎn)速達不到額定轉(zhuǎn)速。 (1)風輪轉(zhuǎn)速明顯降低的原因分析。變槳距風輪葉片調(diào)速后沒有 復位，發(fā)電機軸承損壞，抱閘剎車風輪的剎車帶和剎車盤摩擦過大，風輪葉片變形。 (2)排除方法。如風輪葉片變形或變槳距葉片沒有復位，進行檢查調(diào)整或更換新風輪葉片，抱閘剎車機型，應檢查調(diào)整剎車間隙，保風輪運轉(zhuǎn)自如，若發(fā)電機軸承損壞，應更換新軸承。 3. 2 風力發(fā)電的原理 風力發(fā)電機的基本工作原理比較簡單 ,風輪在風力的作用下旋轉(zhuǎn) ,將風的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L輪軸的機械能 ,風輪軸帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。其中風能轉(zhuǎn)化裝置稱為風力機。風力機的核心部件為葉輪的設計 ,隨著空氣動力學的飛速發(fā)展 ,葉輪設第三章 風力發(fā)電 11 計已經(jīng)取得了巨大的進步。 一般將葉輪 設計成翼形 ,風輪從自然界獲得的能量有限 ,理論上風力機獲得最大效率約為 0. 593,其功率損失部分可解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。如圖 32 葉輪 ： 圖 32 葉輪 現(xiàn)代風輪設計一般采用新翼形設計 ,除按照傳統(tǒng)要求在尖部采用薄翼型以滿足高升阻力、根部采用厚翼型滿足機械強度外 ,新翼形和傳統(tǒng)的航空翼形有較大差別 :一般在葉輪尖部采用較低的最大升力系數(shù) ,并減少尖部葉片弦長 ,以控制轉(zhuǎn)子尖部的負荷。而在中部采用較高的升力系數(shù) ,并增加葉片弦長 ,以達到中等風速時的最佳風輪性能。這樣的設計可使風輪年平均的能量輸出大大增加 ]15[ 。 相信隨著計算機流體設計水平和三維設計在風輪設計中的應用 ,可以設計出在一定輸出功率下的最佳風輪幾何形狀。 現(xiàn)代并網(wǎng)風力發(fā)電機主要分為恒速恒頻和變速恒頻兩種發(fā)電運行方式。 (1)恒速恒頻方式 ,即風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速不隨風速的波動而變化 ,始終維持恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn) ,從而輸出恒定額定頻率的交流電。這種方式簡單可靠 ,但是對風能的利用不充分 ,而且風輪調(diào)速機構(gòu)體積較大 ,結(jié)構(gòu)復雜 ,也增加了設備投資。 (2)變速恒頻方式 ,即風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速隨風速的波動作變速運行 ,但仍輸出恒定頻率的交流電。這種 方式可增加 10%的風能利用率 ,以前需增加 來 實現(xiàn)恒頻輸出的較昂貴的電力電子設備 ,現(xiàn)在已經(jīng)開始使用微機控制的雙饋電機 ,在變速恒頻風力發(fā)電上已有比較成功的應用。 3. 3 風力發(fā)電機組 3. 3. 1 總述 風力 發(fā)電機 組主要包括轉(zhuǎn)子（回轉(zhuǎn)葉片等）、升速裝置、發(fā)電機、控制裝置、調(diào)速系統(tǒng)以及支撐鐵塔等。當風力發(fā)電裝置作為穩(wěn)定電源經(jīng)常供電時，還必須裝設蓄能裝置（如蓄電池）。轉(zhuǎn)子上的回轉(zhuǎn)葉片受風力沖動，將風力轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)的機械力，通過升速裝置驅(qū)動發(fā)電 機發(fā)電。轉(zhuǎn)子一般為立式，葉片數(shù)一般為 2～3片，葉片的方向與風向垂直，轉(zhuǎn)速只有 40～ 50r／ min，而發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高（例如 1500rmin、 50Hz的發(fā)電機），必須裝設升速裝置（齒輪、鏈條和皮帶等）?？刂蒲b置包括定向裝置（將轉(zhuǎn)于調(diào)整對準風向）、起動和停機裝置、調(diào)整風力裝置（調(diào)整葉片角度以調(diào)整接受的風力）和保護裝置（在過高風速時停機以及發(fā)電機保護等）。調(diào)速裝置用來維持發(fā)電機定速回轉(zhuǎn)。支撐鐵塔用來支撐和提高轉(zhuǎn)于位置，使回轉(zhuǎn)葉片能接受較大風速（因風速隨高度而升高）。 風力發(fā)電機組是實現(xiàn)由風能到電能轉(zhuǎn)換的關鍵設備 ]16[ 。 因 風力的大小時刻變化，必須根據(jù)風力大小及電能需要的變化及時通過控制裝置來實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的啟動、調(diào)節(jié) (轉(zhuǎn)速、電壓、頻率 ) 、停機、故障保護 (超速、振動、過負荷等 )以及對電能用戶所接負荷的接通、調(diào)整及斷開等操作。由于控制十分復雜 ,現(xiàn)在普遍采用微機控制。 因風能具有隨機性，而電力負荷則有其本身的規(guī)律，為使供電可靠，大規(guī)模 風電是建設多臺大型風電機組形成的風電廠與電網(wǎng)并聯(lián)運行；在電網(wǎng)達不到的邊遠地區(qū)則采用風電機組與柴油 發(fā)電機 組聯(lián)合運行的方式，既可節(jié)油又可保證連續(xù)供電。 我國風能資源比較豐富，是風能利用的大國之一，風力提水和風帆運輸曾有過輝煌歷史。近代風力發(fā)電在我國起步較晚，前些年主要是建設小型風力發(fā)電機（ 10kW 以下）。 50～ 200W 微型風力發(fā)電機組己定型投入批量牛產(chǎn)，年第三章 風力發(fā)電 13 生產(chǎn)能力達一萬臺以上； l～ 20kW 容量的中、小型風力發(fā)電機組己 經(jīng) 達到小批量生產(chǎn)階段。目前正在研制 50～ 200kW 大、中型風力發(fā)電機組。據(jù) 1992 年末的統(tǒng)計，已推廣使用微型風力發(fā)電機組約 12 萬臺，總裝機容量約 。 并在國際合作和引進國外機組的條件下，已在新疆、內(nèi)蒙古等區(qū)建立了 14 個風力發(fā)電試驗場，安裝大、中型風力發(fā)電機組多臺。僅新疆達板城風電場裝機容量己突破 10MW，其經(jīng)濟效益越來越明顯 。 3. 3. 2 風電機組運行方式 ⒈ 獨立運行方式 獨立運行的風力發(fā)電機組 ,又稱離網(wǎng)型風力發(fā)電機組 ,是把風力發(fā)電機組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能 ,再供應用戶使用。可供邊遠地區(qū) ,氣象臺站、邊防哨所等電網(wǎng)覆蓋不到的地區(qū)利用。這種方式的缺點是在無風期不能發(fā)供電 ,為了克服這一缺點 ,可配備少量蓄電池來保證不能斷電的設備在無風期間內(nèi)從蓄電池獲得電能 ,同時為保證獨立運行的離網(wǎng)則風力發(fā)電機組能連續(xù)可靠地供電 ,解決風力發(fā)電受自然條件限制的影響。風力發(fā)電機組還可與其他動力源聯(lián)合使用 ,常用的方式主要有風力 — 柴油發(fā)電聯(lián)合運行、風力 — 太陽能電池發(fā)電聯(lián)合運行等。 ⒉ 并網(wǎng)運行方式 并網(wǎng)運行方式 ,就是采用風力發(fā)電機與電網(wǎng)連接 ,由電網(wǎng)輸送電能的方式。這種方式是克服風的隨機性而帶來的蓄能問題的最穩(wěn)妥易行的運行方式 ,同時可達到節(jié)約礦物燃料的目的。 10 kW 以上直至 MW級的風力發(fā)電機組皆可采用這種運行方式。并網(wǎng)運行又可分為兩種不同的方式 :恒速桓頻方式和變速恒頻方式。 風力發(fā)電 場是目前世界上風力發(fā)電并網(wǎng)運行方式的基本形式 ,即在風能資源良好的地區(qū) ,將幾十臺、幾百臺甚至幾千臺單機容量從數(shù)十千瓦、數(shù)百千瓦直至兆瓦級以上的風力發(fā)電機組按一定的陣列布局方式成群安裝而組成的風力發(fā)電機群體 ,有利于風能的充分、高效率利用 ]17[ 。 3. 3. 3 大型風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和特點 風電機組向大容量 、 優(yōu)良的發(fā)電質(zhì)量 、 提高材料利用率 、 減少噪音 、 降低成本 、 提高效率的方向發(fā)展 。 為降低單位千瓦造價 ， 節(jié)省風電場使用面積 ， 加快風電場建設速度 ， 提高風電經(jīng)濟效益 ， 許多風電廠商致 力于提高單機容量。兆瓦級機組的市場份額 1997年以前不到 10%， 2020年則超過一半 ， 2020年達到%。 大型風力發(fā)電機組必須通過聯(lián)網(wǎng)運行 ,并將風電機組輸出的電壓和頻率變?yōu)殡娋W(wǎng)的恒定電壓和頻率加以傳輸 ,目前一般采用全額定值變換原理。圖 33示出這種方式的原理結(jié)構(gòu)。風電機組通過全額定值變頻器和變壓器與高壓電網(wǎng)相聯(lián) ,變頻器將風電機組輸出的總是在不停變化交流電壓 ,首先變換成直流 ,再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。顯然 ,變頻器的容量必須與發(fā)電機的額定容量對等 ,因此 ,一些資料把這種變頻器稱 作全額定值變頻器。這種方式的最大優(yōu)點是發(fā)電機的變速范圍寬 ,適用風力變化較大的環(huán)境能力強 ,而且維護簡便。缺點是變頻器容量大 ,體積大。由于風力機的機械旋轉(zhuǎn)角頻率遠低于電網(wǎng)工頻角頻率 ,為減輕發(fā)電機的重量 ,以及變頻器中直流環(huán)節(jié)的紋波系數(shù) ,可以在風力機與發(fā)電機之間設置增速用齒輪箱。 圖 33 變頻器與電樞繞組相連 這種方式中的發(fā)電機可以采用鼠籠型異步發(fā)電機 ,也可以用永磁同步發(fā)電機。若采用鼠籠型異步發(fā)電機 ,變頻器相當于眾所周知的異步電機傳動系統(tǒng)中所用變頻器的可逆運行若采用永磁同步發(fā)電機 ,使電機連同變頻器及變壓器即 構(gòu)第三章 風力發(fā)電 15 成一臺無換向器的發(fā)電機。 除上述圖 33這種方式外 ,較為受世人關注的是用變頻器對風力發(fā)電機進行勵磁方式。圖 34是有刷勵磁方式。發(fā)電機為繞線式轉(zhuǎn)子異步電機 ,轉(zhuǎn)子勵磁線圈通過滑環(huán)與電刷和靜止變頻器相聯(lián) ,所以稱為有刷勵磁。通過控制變頻器對發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路輸出的三相交流低頻電壓的相位、幅值及頻率 ,來達到發(fā)電機變速恒頻恒壓以達到聯(lián)網(wǎng)運行的目的。 圖 34 用變頻器進行 有 刷勵磁 這種方式的優(yōu)點是所用變頻器的體積容量大為減小 ,僅為被勵發(fā)電機容量的 1/31/4,而且省去了風力機與發(fā)電機間的增速齒輪箱 ,以及發(fā)電機電樞 繞組與電網(wǎng)間的可能需要設置的升壓變壓器。 除有刷勵磁方式外 ,還有無刷勵磁的風力發(fā)電機方式。圖 35表示用變頻器進行無刷勵磁方式。發(fā)電機由 2臺同軸連接的繞線轉(zhuǎn)子異步電機組成 ,見圖 35（ a） ,一臺為發(fā)電機 ,另一臺為勵磁機。 2套轉(zhuǎn)子繞組在電氣上直接相聯(lián) ,如圖 35（ b）所示 ,實質(zhì)上是一種無刷歇爾皮斯系統(tǒng) ,變頻器在勵磁機的定子回路 ,并與工頻電源相聯(lián) ,這樣便構(gòu)成無刷勵磁系統(tǒng)。通過改變變頻器對勵磁機輸出電壓的相位、幅值和頻率 , 便可達到發(fā)電機實現(xiàn)變速恒頻恒壓運行的目的。 無刷勵磁方式較有刷勵磁而言 ,發(fā)電機結(jié)構(gòu)較為復雜 ,但突出優(yōu)點是運行維護簡單 ,所以仍不失為一種好的風力發(fā)電方式 ,為用戶所青睞 ]18[ 。 圖 35 用變頻器進行無刷勵磁 3. 3. 4 國外風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)和特點 國外的風電機組和變頻器技術起步較早 ,技術較國內(nèi)先進 ,風力發(fā)電機單機容量已能生產(chǎn) 5MW機組 ,變頻器容量也做得較大。單機容量為 35MW的風力發(fā)電機群 ,對變頻器的配置方式如圖 7所示。在風力發(fā)電場的幾臺發(fā)電機中 ,每臺電機的電樞繞組輸出端只設置 AC/DC整流器 ,通過直流母線實現(xiàn)所并聯(lián)發(fā)電機的同步變速運行 ,再由風電場中的公用逆變器把直流母線中的電源轉(zhuǎn)變成電壓頻率、幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源進行傳輸 ,公用逆變器的容量為所有發(fā)電機 AC/DC整流器容量總和 ,可做到 4050MW。 這種方式的特點是直流母線上的電壓是多臺發(fā)電機整流輸出后得到的 ,由每臺發(fā)電機間交流輸出電壓的相位不同 ,相當于 3n=24相交流電壓的整流輸出 , 紋波系數(shù)特別小 ,盡管每臺發(fā)電機輸出電壓頻率很低 ,約為 510HZ,也不會損壞母線電壓的波形效果 ,所以可以取消風力機與發(fā)電機間的增速齒輪箱 ,由風力機直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子。另外 ,由于變頻器中整流與逆變部 分的分離 ,提高了風電場的經(jīng)濟整體效益及運行可靠性。 第三章 風力發(fā)電 17 圖 36 變頻器在“ Windformer”系統(tǒng)總的應用 為使直流母線上的電壓達到足夠高的程度 ,除了增大風力機的驅(qū)動功率 ,加大發(fā)電機的單機容量外 ,在發(fā)電機定子線圈繞制上 ,是由一整條高壓電纜繞制而成 ,發(fā)電機輸出電壓可高達 12KV以上 ,從而使逆變器輸出交流電源電壓值足