【正文】 壽命是可靠性要求不可缺少的指標(biāo)。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可利用率是固有可靠性和使用管理可靠性的綜合度量指標(biāo)。風(fēng)輪的動(dòng)力不穩(wěn)定性，包括變距 / 揮舞不穩(wěn)定性（經(jīng)典顫振）、變距 / 擺振不穩(wěn)定性及揮舞 / 擺振不穩(wěn)定性等。 三、動(dòng)力穩(wěn)定性 多方面的復(fù)雜的耦合關(guān)系導(dǎo)致了各種動(dòng)力穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，除風(fēng)輪外，電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮振動(dòng)問(wèn)題。各片葉片的動(dòng)負(fù)載合成為風(fēng)輪的動(dòng)負(fù)載，又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要振源。 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要?jiǎng)恿W(xué)問(wèn)題大體有振動(dòng)負(fù)載、振動(dòng)及動(dòng)力穩(wěn)定性等三個(gè)方面。 （三）風(fēng)輪仰角。風(fēng)輪錐角是葉片相對(duì)于和旋轉(zhuǎn)軸垂直平面的傾斜度。是指風(fēng)輪中心離安裝處地面高度。同時(shí)要考慮翼型的失速特性，避免由于失速而產(chǎn)生的瞬間抖動(dòng)現(xiàn)象。 六、翼型及其升阻比 翼型的選取對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率十分重要。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)度大致在5%~20%這一范圍。對(duì)風(fēng)力提水機(jī)，因?yàn)樾枰D(zhuǎn)矩大，因此風(fēng)輪實(shí)度取得大；對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)橐筠D(zhuǎn)速高，因此風(fēng)輪實(shí)度取得小。 五、實(shí)度σ風(fēng)輪的實(shí)度是指風(fēng)輪的葉片面積之和與風(fēng)輪掃掠面積之比。如果采用變槳距的風(fēng)輪葉片，那么在風(fēng)輪起動(dòng)時(shí)，變距角要調(diào)節(jié)到較大值，隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小。另外，高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的軸向推力比靜止時(shí)大。設(shè)計(jì)要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)接近于它們的最佳值，以及風(fēng)輪效率達(dá)到最大值。對(duì)于特定的風(fēng)輪，其尖速比不是隨意而定的，它是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型、葉尖的形狀和電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)確定的。尖速比是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，通常在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)時(shí)提出。也有人提出以單位投資獲得最大能量為原則來(lái)選取設(shè)計(jì)風(fēng)速。風(fēng)能資源既要考慮到平均風(fēng)速的大小，又要考慮風(fēng)速的頻度。 三、設(shè)計(jì)風(fēng)速風(fēng)輪設(shè)計(jì)風(fēng)速（又稱額定風(fēng)速）是一個(gè)非常重要的參數(shù)，直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尺寸和成本。 二、風(fēng)輪直徑D 風(fēng)輪直徑可用下行公式進(jìn)行估算 (21)式中 P—風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)（額定）風(fēng)況輸出電功率（kW）： —空氣密度，一般取標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)；（kg/m3） —設(shè)計(jì)風(fēng)速（風(fēng)輪中心高度）（m / s）： —風(fēng)輪直徑（m）： —發(fā)電機(jī)效率： —傳動(dòng)效率： — 風(fēng)能利用系數(shù)。另外，葉片數(shù)目確定應(yīng)與實(shí)度一起考慮，既要考慮風(fēng)能利用系數(shù)，也要考慮起動(dòng)性能，總之要達(dá)到最多的發(fā)電量為目標(biāo)。葉片數(shù)多的風(fēng)力機(jī)在低尖速比運(yùn)行時(shí)有較低的風(fēng)能利用系數(shù)，即有較大的轉(zhuǎn)矩，而且起動(dòng)風(fēng)速亦低，因此適用于提水。目前用于風(fēng)力發(fā)電一般屬于高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，即λ＝4～7左右，葉片數(shù)一般取2～3。 在風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)前必須先確定下列總體參數(shù)。 總體設(shè)計(jì)階段將解決全局性的重大問(wèn)題，必須精心和慎重地進(jìn)行，要盡可能充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，以求總體設(shè)計(jì)階段中的重大決策建立在可靠的理論分析和試驗(yàn)基礎(chǔ)上，避免以后出現(xiàn)不應(yīng)有重大反復(fù)。 六、配套附件 整機(jī)配套附件和備件等設(shè)備的選擇和確定，新材料和新工藝的選擇，對(duì)新研制的部件要確定技術(shù)要求和協(xié)作關(guān)系。 五、整機(jī)重量計(jì)算、重量分配和重心定位 包括整機(jī)總重量的確定、各部分重量的確定、重心和慣量計(jì)算等工作。 四、各部件和系統(tǒng)的方案 應(yīng)包括對(duì)各部件和系統(tǒng)的要求、組成、原理分析、結(jié)構(gòu)型式、參數(shù)及附件的選擇等工作。整機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案可結(jié)合總體布置一起進(jìn)行，并在整機(jī)總體布置圖上加以反映，也可繪制一些附加的圖紙。最后繪制整機(jī)總體布置圖，并編寫有關(guān)報(bào)告和說(shuō)明書(shū)。 二、整機(jī)總體布置方案 包括整機(jī)各部件、各系統(tǒng)、附件和設(shè)備等布置。偏航機(jī)構(gòu)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速隨著時(shí)間的變化，風(fēng)電機(jī)組必須發(fā)揮其最大效能，跟蹤風(fēng)的方向準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)，偏航控制系統(tǒng)控制偏航機(jī)構(gòu)工作，塔架以上部分（包括風(fēng)輪，機(jī)艙及機(jī)艙罩內(nèi)所有零部件）繞塔架軸線旋轉(zhuǎn)，變距機(jī)構(gòu)： 一、氣動(dòng)布局方案 包括對(duì)各類構(gòu)形、型式和氣動(dòng)布局方案的比較和選擇、模型吹風(fēng)，性能及其他氣動(dòng)特性的初步計(jì)算，確定整機(jī)和各部件（系統(tǒng)）主要參數(shù)，各部件相對(duì)位置等。圖24風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)塔架：風(fēng)力機(jī)的塔架除了要支撐風(fēng)力機(jī)的重量, 還要承受吹向風(fēng)力機(jī)和塔架的風(fēng)壓, 以及風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中的動(dòng)載荷。也有一些風(fēng)力機(jī)(特別是小型風(fēng)力機(jī)或直驅(qū)型) 設(shè)計(jì)成無(wú)齒輪箱的, 風(fēng)輪直接連接到發(fā)電機(jī)。但不是每一種風(fēng)力機(jī)都必須具備所有這些環(huán)節(jié)。風(fēng)輪一般由2～3 個(gè)葉片和輪轂所組成, 其功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這里以水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例作一介紹, 它主要由以下幾部分組成: 風(fēng)輪、主軸圖23 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)增速箱 、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙底盤、機(jī)艙，塔架、偏航機(jī)構(gòu)、變距機(jī)構(gòu)等, 如圖23所示。垂直軸風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是齒輪箱和發(fā)電機(jī)可以安裝在地面上。其主要優(yōu)點(diǎn)是可以接受來(lái)自任何方向的風(fēng),因而當(dāng)風(fēng)向改變時(shí),無(wú)需對(duì)風(fēng)。風(fēng)輪上的葉片是徑向安置的,與旋轉(zhuǎn)軸相垂直,并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度(安裝角) 。但由于風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的主要部件是受風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪,因此,風(fēng)力機(jī)依風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)及其在氣流中的位置大體上可分為兩大類: 一類為水平軸風(fēng)力機(jī),一類為垂直軸風(fēng)力機(jī)。其二是發(fā)電機(jī),它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。第2章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要型式結(jié)構(gòu)從能量轉(zhuǎn)換的角度看, 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成。發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，不僅可以節(jié)約常規(guī)能源，而且有利于環(huán)保，是改善能源結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染的有效途徑之一，可帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。為了解決常規(guī)能源短缺的問(wèn)題，可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到各國(guó)的高度重視。而自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)十我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展是非常重要的，它不僅可以使我們擺脫從國(guó)外引進(jìn)生產(chǎn)許可制造風(fēng)機(jī)的被動(dòng)局面，而且可以從根本上解決我國(guó)風(fēng)能行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，促進(jìn)風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展。因此，必須以提高我國(guó)風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)和研究水平為目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)“國(guó)產(chǎn)化”。這不但受到成本、運(yùn)輸、售前售后等方面的制約，還要消耗大量的資金，而且將使我國(guó)對(duì)風(fēng)力機(jī)組的研制水平日益落后于國(guó)際先進(jìn)水平，從根本上來(lái)說(shuō)不利于我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。設(shè)計(jì)水平是主要的制約因素，與此相關(guān)的基礎(chǔ)研究、實(shí)驗(yàn)研究和新技術(shù)應(yīng)用等方面與國(guó)外存在著較大的差距，有些領(lǐng)域國(guó)內(nèi)甚至是空白。“十五”期間，擬研制容量更大的新型變速恒頻風(fēng)力機(jī)。我國(guó)從“六五”、“七五”、“八五”到“九五”一直進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制，已經(jīng)研制出55KW,200KW, 300KW, 600KW的風(fēng)力機(jī)樣機(jī)。自80年末引進(jìn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以來(lái)，經(jīng)過(guò)十多年的不斷引進(jìn)、消化、吸收，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)，加速了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革的進(jìn)程，風(fēng)能已成為真正的補(bǔ)充能源和發(fā)揮規(guī)模效益的生力軍?？梢哉f(shuō)，我國(guó)開(kāi)發(fā)風(fēng)能具有良好的自然環(huán)境和資源條件。 98年3月安裝在南澳運(yùn)行至今。 萬(wàn)電公司 97年從奧地利引進(jìn)600 kW風(fēng)電機(jī)技術(shù)，已生產(chǎn)6臺(tái)。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 85～90年開(kāi)發(fā)75 kW風(fēng)電機(jī)，90年后參加?xùn)|北電管局200 kW風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。擁用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。2003年開(kāi)發(fā)成功750kW風(fēng)電機(jī)，2004年投放市場(chǎng) 600kW已完全國(guó)產(chǎn)化。其國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%以上并擁有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。這里有引進(jìn)國(guó)外技術(shù)，中外合資及在國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上消化吸收自主開(kāi)發(fā)等各種方式進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)。通過(guò)技術(shù)交流與合作、我國(guó)于90年代先后開(kāi)發(fā)成功了55kW、120kW、200kW和300kW風(fēng)電機(jī)組。從90年運(yùn)行至2000年，已安全運(yùn)行9年，發(fā)電量約80萬(wàn)度。18kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組于79年投入運(yùn)行，前后共運(yùn)行10年之久，運(yùn)行時(shí)間約5萬(wàn)小時(shí)，發(fā)電約20萬(wàn)度。隨后我國(guó)各單位又先后開(kāi)發(fā)了20kW、30kW、40kW和50 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)。一、歷史 自70年代第二次世界石油危機(jī)以來(lái)，我國(guó)許多大學(xué)，研究院所和生產(chǎn)廠商嘗試在我國(guó)開(kāi)發(fā)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。國(guó)外廠商開(kāi)發(fā)的變距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變距機(jī)構(gòu)從驅(qū)動(dòng)控制形式上可分為一個(gè)液壓缸推動(dòng)三片槳葉同步運(yùn)行的結(jié)構(gòu)形式；三個(gè)液壓缸分別驅(qū)動(dòng)三片槳葉的驅(qū)動(dòng)形式和采用三個(gè)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器分別驅(qū)動(dòng)三片槳葉的驅(qū)動(dòng)形式，其中以VESTAS的一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)三片槳葉的變距系統(tǒng)最具有代表性。在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)也用到這兩種方案。其中印度發(fā)展最為迅速，在短短幾年時(shí)間進(jìn)入世界裝機(jī)總量前五名 [10]。歐盟2001年實(shí)際已裝機(jī)17361MW，風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)是2010年要達(dá)到40GW， 2020年達(dá)到100GW，屆時(shí)風(fēng)電的比例將超過(guò)10%[9]。就目前情況看，歐洲的風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)水平最高，其中以德國(guó)與丹麥發(fā)展風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為積極。國(guó)外風(fēng)電發(fā)展速度非?？?，裝機(jī)容量以每年30％的速度增長(zhǎng)。1999年10月5日，歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的一項(xiàng)國(guó)際能源研究報(bào)告指出：到2020年，風(fēng)能可提供世界電力需求10%，創(chuàng)造170萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，并在全球范圍減少100多億噸二氧化碳廢氣。隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境關(guān)注程度的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到了各國(guó)的重視，國(guó)外政府紛紛制定優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)企業(yè)和個(gè)人積極參與風(fēng)力發(fā)電事業(yè)，加大風(fēng)電的開(kāi)發(fā)力度。近15年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)無(wú)論是在基礎(chǔ)理論研究，還是在實(shí)驗(yàn)手段和生產(chǎn)制造上，都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。另外，基于多種能源發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備的能量管理需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是一個(gè)需要研究的內(nèi)容，該系統(tǒng)可優(yōu)化、諧調(diào)各部分運(yùn)行狀況，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行智能化充電管理，以盡量延長(zhǎng)儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命。風(fēng)力與太陽(yáng)能有著天然的互補(bǔ)效應(yīng)，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電結(jié)構(gòu)形式，可以減少儲(chǔ)能裝置（如蓄電池）容量，有效降低運(yùn)行成本。獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組只有與儲(chǔ)能裝置以及其它形式的能源配合使用，才能提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。另外，其雙繞組和變頻結(jié)構(gòu)使發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)和變頻器經(jīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)，能低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)的無(wú)齒輪直接驅(qū)動(dòng)。采用在定子側(cè)的全額變頻器，會(huì)使成本、重量和體積增加。采用強(qiáng)迫換流的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的PWM電力變流器，可將諧波分量轉(zhuǎn)換為高頻分量，從而可方便地濾除。C、風(fēng)電注入的諧波影響對(duì)于機(jī)組數(shù)量較多的風(fēng)電場(chǎng)，由于風(fēng)電機(jī)組的空間分布和平均作用，直接接入電網(wǎng)的定轉(zhuǎn)速運(yùn)行式感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組所引起的諧波通?？珊雎?，但對(duì)于變速運(yùn)行式風(fēng)電機(jī)組，尤其是通過(guò)電力變流裝置實(shí)現(xiàn)變速的風(fēng)電機(jī)組，轉(zhuǎn)速的變化以及電力電子器件所帶來(lái)的諧波，都會(huì)引起電壓諧波畸變。對(duì)于弱電網(wǎng)，無(wú)功功率的消耗會(huì)減少風(fēng)電的輸出，評(píng)價(jià)弱電網(wǎng)的穩(wěn)定性也必須考慮無(wú)功功率的影響。但對(duì)于功率大而數(shù)量少的風(fēng)電場(chǎng)，則必須考慮電壓閃變的影響。當(dāng)高風(fēng)速引起過(guò)電壓過(guò)高時(shí)，可用斷開(kāi)風(fēng)電的方法調(diào)節(jié)。兆伏級(jí)變電站通常裝有電壓調(diào)節(jié)裝置，風(fēng)電只影響接入點(diǎn)到變電站的線路電壓。風(fēng)電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率、諧波、固定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)的機(jī)組臺(tái)數(shù)、電壓閃變等都做了規(guī)定。丹麥計(jì)劃2030年風(fēng)電將滿足總電力需求的50%，其國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)能研究中心基于數(shù)字氣象模型，并根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的具體情況對(duì)數(shù)字氣象模型做了必要的修正，可以基于4小時(shí)前的數(shù)據(jù)提前預(yù)測(cè)34小時(shí)的風(fēng)力發(fā)電量，這對(duì)于風(fēng)電進(jìn)入電力市場(chǎng)至關(guān)重要。由于風(fēng)電和電力需求的變化性，風(fēng)電裝機(jī)容量為50%時(shí)，風(fēng)力發(fā)電量就可能超過(guò)總電力需求，多余的電能要有相應(yīng)的解決措施，同時(shí)要求配備反應(yīng)快的其它發(fā)電或調(diào)節(jié)設(shè)施。在風(fēng)電小容量（10%以下）時(shí)，因大型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量多和空間分布廣，平均作用使電力容量可信度與風(fēng)電機(jī)組的容量系數(shù)相同， 約20