【文章內(nèi)容簡介】 塔架相碰，設(shè)計的主要思路是增加葉片的剛度。為了減少重力 和保持頻率，則需要降低葉片的重量。好的疲勞特性和好的減振結(jié)構(gòu)有助于保證葉片長期的工作壽命。 額外的葉片狀況檢測設(shè)備將被開發(fā)出來并安裝在風電機組上，以便在葉片結(jié)構(gòu)中的裂紋發(fā)展成致命損壞之前或風電機組整機損壞之前警示操作者。對于陸上風電機組來說，不久這種檢測設(shè)備就會成為必備品。 為了增加葉片的個剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長度大于 50 米的葉片上將廣泛使用強化碳纖維材料。 為了方便兆瓦級葉片的道路運輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。例如德國Enercon 公司的 E126 6MW 風電機組的葉片由內(nèi)、外兩段葉片組 成，靠近葉根的內(nèi)段由鋼制造，外包玻璃鋼殼體形成氣動形狀表面。 智力材料例如壓電材料將被使用以使葉片的氣動外形能夠快速變化。 為了減少葉片和整機上的疲勞負荷，可控制的尾緣小葉可能被逐步引入葉片市場。 熱塑材料的應(yīng)用： LM Glasfibre 公司正開展一項耗資 8 百萬歐元的研究項目，目的是用玻璃鋼、碳纖維和熱塑材料的混合紗絲去制造葉片。一旦這種紗絲鋪進模具，加熱模具到一定溫度后，塑料就會融化，并將紗絲轉(zhuǎn)化為合成材料，這可能會使葉片生產(chǎn)時間縮短 50%。 1． 4． 10 風電場建設(shè)和運營的技術(shù)水平日益提高 隨著投資者 對風電場建設(shè)前期的評估工作和建成后運行質(zhì)量的越來越高的要求，國外已經(jīng)針對風資源的測試與評估開發(fā)出了許多先進測試設(shè)備和評估軟件。在風電場選址，特別是選址方面已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的應(yīng)用軟件。在風電機組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計上也開發(fā)出了成熟軟件。國外還對風電機組和風電場的短期及長期發(fā)電量預(yù)測做了很多研究，取得了重大進步，預(yù)測精確度可達 90％以上。 共 32 頁 12 1． 4． 11 惡劣氣侯環(huán)境下的風電機組可靠性得到重視 由于中國的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺風、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點，惡劣氣候 環(huán)境已對風電機組造成很大的影響，包括增加維護工作量，減少發(fā)電量，嚴重時還導致風電機組損壞。因此，在風電機組設(shè)計和運行時，必須具有一定的防范措施，以提高風電機組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，今年來中國的風電機組研發(fā)單位在防風沙、抗低溫、防雷擊、抗臺風、防鹽霧等方面著手進行了研究，以確保風電機組在惡劣氣候條件下能可靠運行，提高發(fā)電量。 1． 4． 12 低電壓穿越技術(shù)得到應(yīng)用 隨著風電機組單機容量的不斷增大和風電場規(guī)模的不斷擴大，風電機組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴重。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風電機組因自 身保護而脫網(wǎng)的話，將嚴重影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的風力發(fā)電機容量的不斷增加，電網(wǎng)對其要求越來越高，通常情況下要求發(fā)電機組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運行（ fault ridethrough)，并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行，也就是說，要求風電機組具有一定低電壓穿越 (lowvoltage ridethrough)能力。隨著風力發(fā)電裝機容量的不斷增大，很多國家的電力系統(tǒng)運行導則對風電機組的低電壓穿越（ LVRT）能力做出了規(guī)定。我國的風電機組在電網(wǎng)電壓跌落情況下，也必 須采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，確保風電系統(tǒng)的安全運行并實現(xiàn) LVRT 功能。目前，我國已有多家企業(yè)的風電機組產(chǎn)品通過了低電壓穿越性能試驗。 1． 5 小結(jié) 隨著能源危機程度的加深，世界各國都在加大風能利用和開發(fā)，尤其是我國能源耗費相對較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。針對我國風力發(fā)電面臨的問題和挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)初期特別需要加大對研發(fā)的投入，隨著國家對風電的重視，可再生能源法及實施辦法出臺，相信我國的風電發(fā)展將會快步前進。為了可持續(xù)發(fā)展，我國的風電發(fā)展產(chǎn)業(yè)需要借鑒其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗教訓，要重質(zhì)量，講效益，走集約發(fā)展路線，創(chuàng)造和諧發(fā)展 藍圖。 共 32 頁 13 控制與安全系統(tǒng) 一次能源轉(zhuǎn)換單元 機械能傳遞單元 發(fā)電單元 2. 發(fā)電機組的基本功能構(gòu)成及工作原理 2． 1 風電機組的基本功能構(gòu)成 風電機組是一種復(fù)雜的機電一體化設(shè)備。從能量轉(zhuǎn)換角度看，此類設(shè)備大致包括 21 所示的幾個功能單元。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能；機械能傳遞單元的主要作用是傳動與制動；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能，同時提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實現(xiàn)對風電機組起、停機和發(fā)電等運行過程的控制，并保證風電機組在任何狀態(tài)下的安全性。 圖 21 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本功能構(gòu)成 （ 1）一次能源轉(zhuǎn)換單元 風能是風力 發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風電機組的核心部分，包括風輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風輪是風電機組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機構(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能（轉(zhuǎn)矩），再通過風輪軸驅(qū)動與之連接的機械能傳遞單元和發(fā)電單元。 （ 2）機械能傳遞單元 機械能傳遞單元也可簡稱為風電機組的傳動鏈，連接風電機組的一次能源轉(zhuǎn)換單元與發(fā)電單元，使之組成發(fā)電系統(tǒng)。該單元一般包括與風輪輪轂相連接的主軸、傳動和制動機構(gòu)等。一般大型風電機組的風輪設(shè)計 轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過傳動鏈按一定的速比傳遞風輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風電機組發(fā)電單元的需要。同時，機械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動機構(gòu)，以保證風電機組的安全運行。 （ 3）發(fā)電單元 共 32 頁 14 發(fā)電單元一般由發(fā)電機和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風電機組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機或同步發(fā)電機，將風輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電單元配置的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，應(yīng)能夠滿足并網(wǎng)或其他形式發(fā)電的需求。 （ 4）控制與安全系統(tǒng) 該系統(tǒng)主要功能可分為風電機組運行控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分：大型風電機組需要自動控制，既能夠在無人值守的條件下，保證風電機組的正常和安全運行；同時又要保證風電機組在非正常情況發(fā)生時能可靠的停機，以預(yù)防或減輕損失。 此外，風電機組還需要有上述功能部件或子系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如機艙、塔架等；多數(shù)風電機組需要設(shè)置對風（也稱偏航）裝置，以保證風輪能夠更好的獲取風能。 2． 2 風電機組的工作原理 在風力發(fā)電機組中，存在著兩種物質(zhì)流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機組完成發(fā)電功能。風力發(fā)電機組的工作原理如圖 22 所示。 電網(wǎng) 風 M1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器 轉(zhuǎn)速測量 風力發(fā)電機 調(diào)速 風速、風向 功率測量 圖 22 風電機組的工作原理 1． 能量流 當風以一定的速度吹向風力發(fā)電機時，在風輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動。將風的動能變成風輪旋轉(zhuǎn)的動能 ，兩者都屬于機械能。風輪的輸出功率為 控制系統(tǒng) 偏航系統(tǒng) 主傳動系統(tǒng) 制動裝置 發(fā)電系統(tǒng) 測風系統(tǒng) 變槳距系統(tǒng) 共 32 頁 15 ?1 1 1PM? （ 11） 式中 P1—— 風輪的輸出功率，單位為 W； M1—— 風輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N m； ?1—— 風輪的角速度，單位為 1/s. 風輪的輸出功率通過主傳動系統(tǒng)傳遞。主傳動系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有 2 2 2 1 1 1P = M = M ?? ? （ 12） 式中 P2—— 主傳動系統(tǒng)的輸出功率，單位為 W； M2—— 主傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N m； ?2—— 主傳動系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s； ?1—— 主傳動系統(tǒng)的總效率。 主傳動系統(tǒng)將動力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機把機械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機的輸出功率為 3 2 23 c osN N NP U I P?? ? ? （ 13） 式中 P3—— 發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位是 W； UN—— 定子三相繞組上的線電壓，單位是 V； IN—— 流過定子繞組線電流，單位是 A； cos N? —— 功率因數(shù) ； ?2—— 發(fā)電系統(tǒng)的總效率。 對于并網(wǎng)型風電機組，發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)過變壓器升壓后，即可輸入電網(wǎng) 2． 信息流 信息流的傳遞是圍繞控制系統(tǒng)進行的?？刂葡到y(tǒng)的功能是過程控制和安全保護。過程控制包括起動、運行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機組零部件 突然失效時應(yīng)該緊急停機。 風速、風向、風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)隨時對輸入信息進行加工和比較，及時的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。 共 32 頁 16 對于變槳距風向，當風速大于額定風速時，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過變槳距系統(tǒng)改變風輪葉片的槳距角，從而控制風電機組輸出功率。在起動和停止的過程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。 對于變速型風機，當風速小于額定風速時，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風的大小發(fā)出改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速的指令，以便使風力發(fā)電機最大限度的捕 獲風能。 當風輪的軸向和風向偏離時，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過偏航系統(tǒng)校正風輪軸的指向，使風輪始終對準來風方向。 當需要停機時，控制系統(tǒng)發(fā)出停機指令，除了借助變槳距制動外，還可以通過安裝在傳動軸上的制動裝置實現(xiàn)制動。 實際上，在風電機組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等也組成了若干閉環(huán)的子系統(tǒng)，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。 小結(jié) 本章主要從不同的角度分析了風電機組的功能構(gòu)成以及風電機組的工作原理 3. 風電機組設(shè)計的基本內(nèi)容與步驟 風電機組設(shè)計所涉及的學科領(lǐng)域和專業(yè)知識較 多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計技術(shù)積累和豐富的設(shè)計實踐經(jīng)驗是保證大型風電機組設(shè)計質(zhì)量的必備條件。 3． 1 確定設(shè)計目標 與所有大型裝備的設(shè)計相似，首先需要明確所設(shè)計風電機組的設(shè)計目標。比如，并網(wǎng)大功率機組與偏僻地區(qū)的小型單機設(shè)計需求明顯不同。因此，針對設(shè)計需求，應(yīng)考慮合理的機組功能構(gòu)成、電機類型、控制方式、運輸和安裝方式等影響機組性能指標的主要因素。例如 ， 陸上風電場所需的大型機組通常額定功率范圍為 50