【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 塔架相碰，設(shè)計(jì)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(zhǎng)期的工作壽命。 額外的葉片狀況檢測(cè)設(shè)備將被開發(fā)出來(lái)并安裝在風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組整機(jī)損壞之前警示操作者。對(duì)于陸上風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，不久這種檢測(cè)設(shè)備就會(huì)成為必備品。 為了增加葉片的個(gè)剛度并防止它由于彎曲而碰到塔架，在長(zhǎng)度大于 50 米的葉片上將廣泛使用強(qiáng)化碳纖維材料。 為了方便兆瓦級(jí)葉片的道路運(yùn)輸，某些公司已經(jīng)把葉片制作成兩段。例如德國(guó)Enercon 公司的 E126 6MW 風(fēng)電機(jī)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(dòng)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(dòng)外形能夠快速變化。 為了減少葉片和整機(jī)上的疲勞負(fù)荷，可控制的尾緣小葉可能被逐步引入葉片市場(chǎng)。 熱塑材料的應(yīng)用： LM Glasfibre 公司正開展一項(xiàng)耗資 8 百萬(wàn)歐元的研究項(xiàng)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(jìn)模具，加熱模具到一定溫度后，塑料就會(huì)融化，并將紗絲轉(zhuǎn)化為合成材料，這可能會(huì)使葉片生產(chǎn)時(shí)間縮短 50%。 1． 4． 10 風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的技術(shù)水平日益提高 隨著投資者 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期的評(píng)估工作和建成后運(yùn)行質(zhì)量的越來(lái)越高的要求，國(guó)外已經(jīng)針對(duì)風(fēng)資源的測(cè)試與評(píng)估開發(fā)出了許多先進(jìn)測(cè)試設(shè)備和評(píng)估軟件。在風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電機(jī)組布局及電力輸配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也開發(fā)出了成熟軟件。國(guó)外還對(duì)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的短期及長(zhǎng)期發(fā)電量預(yù)測(cè)做了很多研究，取得了重大進(jìn)步，預(yù)測(cè)精確度可達(dá) 90％以上。 共 32 頁(yè) 12 1． 4． 11 惡劣氣侯環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)組可靠性得到重視 由于中國(guó)的北方具有沙塵暴、低溫、冰雪、雷暴，東南沿海具有臺(tái)風(fēng)、鹽霧，西南地區(qū)具有高海拔等惡劣氣候特點(diǎn)，惡劣氣候 環(huán)境已對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成很大的影響，包括增加維護(hù)工作量，減少發(fā)電量，嚴(yán)重時(shí)還導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組損壞。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的防范措施，以提高風(fēng)電機(jī)組抗惡劣氣候環(huán)境的能力，減少損失。因此，今年來(lái)中國(guó)的風(fēng)電機(jī)組研發(fā)單位在防風(fēng)沙、抗低溫、防雷擊、抗臺(tái)風(fēng)、防鹽霧等方面著手進(jìn)行了研究，以確保風(fēng)電機(jī)組在惡劣氣候條件下能可靠運(yùn)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(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)間的相互影響已日趨嚴(yán)重。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障迫使大面積風(fēng)電機(jī)組因自 身保護(hù)而脫網(wǎng)的話，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，隨著接入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的不斷增加，電網(wǎng)對(duì)其要求越來(lái)越高，通常情況下要求發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障出現(xiàn)電壓跌落的情況下不脫網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行，也就是說(shuō)，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定低電壓穿越 (lowvoltage ridethrough)能力。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增大，很多國(guó)家的電力系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)則對(duì)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越（ LVRT）能力做出了規(guī)定。我國(guó)的風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落情況下，也必 須采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，確保風(fēng)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行并實(shí)現(xiàn) LVRT 功能。目前，我國(guó)已有多家企業(yè)的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品通過(guò)了低電壓穿越性能試驗(yàn)。 1． 5 小結(jié) 隨著能源危機(jī)程度的加深，世界各國(guó)都在加大風(fēng)能利用和開發(fā)，尤其是我國(guó)能源耗費(fèi)相對(duì)較大，更要積極開發(fā)綠色環(huán)保能源。針對(duì)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)初期特別需要加大對(duì)研發(fā)的投入，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)電的重視，可再生能源法及實(shí)施辦法出臺(tái)，相信我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展將會(huì)快步前進(jìn)。為了可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)的風(fēng)電發(fā)展產(chǎn)業(yè)需要借鑒其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，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(lán)圖。 共 32 頁(yè) 13 控制與安全系統(tǒng) 一次能源轉(zhuǎn)換單元 機(jī)械能傳遞單元 發(fā)電單元 2. 發(fā)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成及工作原理 2． 1 風(fēng)電機(jī)組的基本功能構(gòu)成 風(fēng)電機(jī)組是一種復(fù)雜的機(jī)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(gè)功能單元。其中，一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；機(jī)械能傳遞單元的主要作用是傳動(dòng)與制動(dòng)；發(fā)電單元將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)提供必要的并網(wǎng)發(fā)電功能；控制與安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組起、停機(jī)和發(fā)電等運(yùn)行過(guò)程的控制，并保證風(fēng)電機(jī)組在任何狀態(tài)下的安全性。 圖 21 風(fēng)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(fēng)能是風(fēng)力 發(fā)電的一次能源，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換單元是風(fēng)電機(jī)組的核心部分，包括風(fēng)輪、功率控制（調(diào)速）等部件。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵部件，一般由良好的空氣動(dòng)力外形的葉片、輪轂和相應(yīng)的功率控制機(jī)構(gòu)組成。一次能源轉(zhuǎn)換單元的主要功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩），再通過(guò)風(fēng)輪軸驅(qū)動(dòng)與之連接的機(jī)械能傳遞單元和發(fā)電單元。 （ 2）機(jī)械能傳遞單元 機(jī)械能傳遞單元也可簡(jiǎn)稱為風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈，連接風(fēng)電機(jī)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(fēng)輪輪轂相連接的主軸、傳動(dòng)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等。一般大型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速較低，需要根據(jù)發(fā)電單元的要求，通過(guò)傳動(dòng)鏈按一定的速比傳遞風(fēng)輪產(chǎn)生的扭矩，使輸入發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元的需要。同時(shí)，機(jī)械能傳遞單元還要設(shè)置可靠的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。 （ 3）發(fā)電單元 共 32 頁(yè) 14 發(fā)電單元一般由發(fā)電機(jī)和必要的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電單元可采用異步發(fā)電機(jī)或同步發(fā)電機(jī)，將風(fēng)輪產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)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(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)兩部分：大型風(fēng)電機(jī)組需要自動(dòng)控制，既能夠在無(wú)人值守的條件下，保證風(fēng)電機(jī)組的正常和安全運(yùn)行；同時(shí)又要保證風(fēng)電機(jī)組在非正常情況發(fā)生時(shí)能可靠的停機(jī)，以預(yù)防或減輕損失。 此外，風(fēng)電機(jī)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(jī)艙、塔架等；多數(shù)風(fēng)電機(jī)組需要設(shè)置對(duì)風(fēng)（也稱偏航）裝置，以保證風(fēng)輪能夠更好的獲取風(fēng)能。 2． 2 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如圖 22 所示。 電網(wǎng) 風(fēng) M1 ?1 M2 ?2 P3 變壓器 轉(zhuǎn)速測(cè)量 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 調(diào)速 風(fēng)速、風(fēng)向 功率測(cè)量 圖 22 風(fēng)電機(jī)組的工作原理 1． 能量流 當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。將風(fēng)的動(dòng)能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能 ，兩者都屬于機(jī)械能。風(fēng)輪的輸出功率為 控制系統(tǒng) 偏航系統(tǒng) 主傳動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)裝置 發(fā)電系統(tǒng) 測(cè)風(fēng)系統(tǒng) 變槳距系統(tǒng) 共 32 頁(yè) 15 ?1 1 1PM? （ 11） 式中 P1—— 風(fēng)輪的輸出功率，單位為 W； M1—— 風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N m； ?1—— 風(fēng)輪的角速度，單位為 1/s. 風(fēng)輪的輸出功率通過(guò)主傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞。主傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的輸出功率，單位為 W； M2—— 主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為 N m； ?2—— 主傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度，單位為 1/s； ?1—— 主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。 主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機(jī)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(guò)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(duì)于并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)過(guò)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(jìn)行的。控制系統(tǒng)的功能是過(guò)程控制和安全保護(hù)。過(guò)程控制包括起動(dòng)、運(yùn)行、暫停、停止等。在出現(xiàn)惡劣的外部環(huán)境和機(jī)組零部件 突然失效時(shí)應(yīng)該緊急停機(jī)。 風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過(guò)傳感器變成電信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信息。控制系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)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(yè) 16 對(duì)于變槳距風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出變槳距指令，通過(guò)變槳距系統(tǒng)改變風(fēng)輪葉片的槳距角，從而控制風(fēng)電機(jī)組輸出功率。在起動(dòng)和停止的過(guò)程中，也需要改變?nèi)~片的槳距角。 對(duì)于變速型風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)的大小發(fā)出改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的指令，以便使風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大限度的捕 獲風(fēng)能。 當(dāng)風(fēng)輪的軸向和風(fēng)向偏離時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出偏航指令，通過(guò)偏航系統(tǒng)校正風(fēng)輪軸的指向，使風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)來(lái)風(fēng)方向。 當(dāng)需要停機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，除了借助變槳距制動(dòng)外，還可以通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸上的制動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 實(shí)際上，在風(fēng)電機(jī)組中，能量流和信息流組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)，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(shí)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(fēng)電機(jī)組的功能構(gòu)成以及風(fēng)電機(jī)組的工作原理 3. 風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容與步驟 風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)所涉及的學(xué)科領(lǐng)域和專業(yè)知識(shí)較 多，而系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)技術(shù)積累和豐富的設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是保證大型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)質(zhì)量的必備條件。 3． 1 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 與所有大型裝備的設(shè)計(jì)相似，首先需要明確所設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)目標(biāo)。比如，并網(wǎng)大功率機(jī)組與偏僻地區(qū)的小型單機(jī)設(shè)計(jì)需求明顯不同。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)需求，應(yīng)考慮合理的機(jī)組功能構(gòu)成、電機(jī)類型、控制方式、運(yùn)輸和安裝方式等影響機(jī)組性能指標(biāo)的主要因素。例如 ， 陸上風(fēng)電場(chǎng)所需的大型機(jī)組通常額定功率范圍為 50