所有的风机类型和建模.docx

第一部分风机的分类
风力发电机组由两大部分组成,即风力机和发电机。其中,风力机的功能是将风能转化为机械能;而发电机的功能则是将机械能转换成电能。因此风电装备的类型归属需要从两个角度划分,一是从机械角度划分,二是从电气角度划分。
从机械角度对风机分类
风力机的类型和种类很多,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,因此风机依风轮的机构特点及其在气流中所处的位置(即风机转轴的机械位置)大体上可以分为两大类:一类为水平轴风机,一类为垂直轴风机。两种类型的风力发电机在结构上各有优点,也各自有其不足之处,在实际设计制造中应结合具体情况确定结构的具体形式。
水平轴风力机
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,风轮上的叶片与旋转轴相垂直安装,并与风轮的旋转平面成一角度Φ(安装角)。
水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同可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。
水平轴风力机组有两个主要优势:一是实度较低,其能量成本低于垂直轴机组;二是叶轮扫掠面的平均高度可以更高,有利于增加发电量。水平轴风力机是目前世界风机市场中的主流机型。
垂直轴风力机
垂直轴风力机的传动轴与地面垂直布置,设计较简单,风轮在风向改变时无需对风,可减少风轮对风时的陀螺力。
垂直轴风力机的优点如下:一是可以接受来自任何方向的风,因而在风向改变时,无需对风。由于不需要调向装置,结构设计简化;二是齿轮箱和发电机可以安装在地面上,检修维护方便。
2 从电气角度对风机分类
异步风力发电机
在国内已运行的风电场大部分机组是异步风力发电机。主要特点是结构简单,运行可靠,价格较便宜,此种发电机为恒速恒频机组。运行中转速基本不变,风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小,因而,发电能力比新型机组低。同时,运行中需要从电力系统中吸收无功功率。为满足电网对风电场功率因数的要求,采用在机端并联补偿电容器,其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量电容器。由于风速大小随机变化,异步发电机的风力机不可能经常在额定风速下运转,为了充分利用低风速时的风能,增加全年发电量,近年广泛应用双速异步发电机,此种电机可以改变极对数,有大、小电机两种运行方式,采用4极或6极电机,运行速度分别为1500r/min或1000r/min。
双馈异步风力发电机
现代兆瓦级以上的大型并网风力发电机组都选用双馈异步风力发电机,能够实现风力机叶片桨距调节及变速运行。由于风力机变速运行,其运行速度能在一个较宽的范围内调节到风力机的最优化效率数值,使风机风能利用系数Cp得到优化,获得较高的系统效率;可以实现发电机较平滑的电功率输出,达到优化系统内的电网质量,减少发电机温度变化;发电机本身不需要另外附加无功补偿设备,可实现功率因素一定范围内的调节,,因而具有调节无功功率出力的能力,实现几个相同的独立运行机组的并联运行。
直驱式交流永磁同步发电机
大型风电机组实际运行经验中,齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现,可以大大提高风电机组的可靠性,降低风电机组载荷,提高风力机组寿命。目前我国部分风电场使用直接驱动永磁式同步发电机,运行时全部功率经A—D—A变换,接入电力系统并网运行。与其他机型比较,需考虑谐波治理问题。
高压同步发电机
此类发电机是将同步发电机的输出端电压提高到10~20kV,甚至高达40kV以上,可以不用变压器而直接与电网连接。由于不用增速齿轮箱,以低速运转,减少了齿轮
箱运行时的能量损耗,同时由于省去了一台升压变压器,免除了变压器运行时的损耗,效率可提高5%左右。但由于使用大量的永磁材料,对永磁材料的性能稳定性要求高。
第二部分恒速恒频风力发电系统
并网型恒速恒频风力发电系统是上世纪80年代和90年代初的经典的风力发电系统,具有结构与控制简单、性能可靠的优点。恒速恒频风力发电系统采用同步发电机或感应发电机,不论风速如何变化,保持风力机转速不变(通常为同步速)从而实现发电频率恒定。在这种风力发电系统中,风力机采用定桨距失速控制或主动失速控制,叶尖速比不可能总保持在最佳值,也不能实现风能最大利用率,风力机常常运行于低效状态。
恒速恒频系统是一种刚性机电耦合系统。当风速发生突变时,风机的叶片承受较大的扭应力和风力摩擦,为保持机械转速恒定,风能还将通过叶片在风机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生很大的机械应力,增加了这些部件的疲劳损坏程