论风力发电及风力机械特性

论风力发电及风力机械特性

唐福全

（福建省福能新能源有限责任公司福建省莆田市351100）

摘要：全球经济增长对能源需求日渐强烈，我国作为人口大国和工业大国，能源短缺的矛盾日益尖锐。在石油市场的竞争已经消耗了很多在中国的人力资源和物质资源，我国也付出了巨大的代价来保证石油供应的稳定性。为了缓解能源供应短缺，中国要增加可再生能源。可再生能源占能源消费的比重也在增加。风力发电作为清洁能源的重要组成部分，具有巨大的发展潜力，是未来国家能源环境的一项重要技术。本文对风力发电和夏普机械的特点进行了简单的探讨，以实现对风机的精确控制，提高风能资源的利用率。

关键词：风力发电；风力机；可再生能源

前言：除可再生能源的优点外，风力发电具有清洁、无污染的特点，与火力发电、核电相比，风力发电不污染。在几十年的经济建设中，我们犯了许多错误。对环境的无节制的使用和破坏导致了大自然的报复。霾、沙尘暴等是最直接的例子。从地理学的研究来看，中国处于南亚热带季风气候，大部分地区终年刮着大风，但中国幅员辽阔，有大面积的丘陵和平原，提供了一个广阔的风力发电的空间。无论是从能源的角度，还是从环境保护的角度，还是地理优势来看，是在中国大力推动风力发电建设的一个明智的选择。

1、风力发电发展简史

风力发电的想法最初是在丹麦的国家付诸实践，瑞典和苏联在上世纪30年代。采用转子技术研制的小型发电厂，广泛应用于沙漠和农村地区，因为风力发电的成本有许多低功率。在接下来的几十年里，研究人员尝试了越来越多的动力风车。到1978年底，美国开发的风力发电机组已达到200千瓦。

风能是机械能转化为电能的基本原理。在风力中，风车旋转以获得动能驱动发电机发电。在目前的技术水平上，每秒三米的速度就能发电。

风力发电技术的分布仍由西方主导，而风力发电在芬兰和丹麦的比例是相当大的。风力发电也广泛应用于中国的国家电网西部。

从成本上讲，每秒四米的风速适合发电。由于特殊的地理位置，中国的风能资源十分丰富，而且在很多地方，风速达三米每秒。在东北、西北、西南高原等地，每年的1/3都是大风天。在这些地方，风力发电的发展是非常有前途的。

2、风力发电机简介

风力涡轮机是将风能转化为机械功的动力机械。机械动力驱动转子旋转，最终输出交流电源设备。广义上说，风能也是太阳能，因此也被称为风力发电机。它是一种以太阳为热源，大气为工作介质的热发电装置。一般来说，3级风具有利用价值。

风力发电的原理与传统风车相似。风速带动叶轮旋转，收集风能，通过增速机加速叶轮的旋转，从而实现发电。但单纯依靠发电机不能完成发电，而是一个完整的运行系统。

目前，投入运行的并网发电机可分为定速和变速两大类。发电机的安装一般分为笼型异步发电机、双馈发电机绕组式和同步发电机。风力机的结构包括发动机室、转子叶片、轴心、低速轴、变速箱、高速轴及其机械制动器、发电机、偏航装置、电子控制器、液压系统、冷却元件和尾舵。不同风力发电机的结构是不同的。本文主要研究双馈感应发电机和直驱永磁发电机。

3、双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。它主要由两部分组成：电机本体和冷却系统。定子、转子和轴承系统构成电机本体，冷却系统分为水冷、风冷。

所谓的双馈意味着有两个能量流通道。双端馈电，即转子和定子均参与励磁，既能发电，又能与电网进行能量交换。变频调速在双馈电机中有很大的重要性。变频器主要用于变频调速技术，改变交流电机工作电压的频率和幅值。在双馈感应发电机中，定子绕组直接与电网相连，蜿蜒穿过逆变并网的转子，从判断现频率比和在同一时间的电压变化，逆变器输出电压的控制可以改变电机的频率和磁通保持，满足电网用电负荷的要求。

在双馈感应发电机中，变频器是重要的组成部分。它主要由五部分组成：器件侧变流器、直流电压中间电路、栅极侧变流器、IGBT模块和控制电子单元。其工作原理是利用功率半导体器件将工频电源转换为另一频率功率控制装置。风力发电机的主要用途是交-直-交变频器。首先，通过整流器将变换器转换为DC，逆变器将直流变为交变电压和电压的交流电。IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块在逆变整流过程中起着重要的作用，虽然它是开关，它是电路开、关的关键环节。一对齿轮的正确啮合条件等于两齿轮的模数和压力角。在实际操作过程中，齿轮啮合不可避免地存在误差，容易产生摩擦噪声。因此，有必要定期检查齿轮箱润滑油是否供应充足。

在实际运行中发现，双馈异步风力发电机由于采用高速电动机，体积小、重量轻、效率低、价格低，但由于齿轮箱结构复杂，容易造成疲劳损伤。

4、风力发电系统结构组成。

风力发电原理不复杂，结构很清晰。叶轮由自然风驱动，风能转化为机械能。通过逐步传递，发电机转动轴将机械能转换为电能，然后通过一系列整流装置转换功率和参数，进入国家电网。小型发电设备可通过蓄电池储存电能，通过变电站设备将其转化为直流电，直接为直流设备供电，或通过逆变器将其转换为交流电，并提供电力设备交流。详细的结构分析如下所示。

5、风力发电机械特性

（1）风速模型。自然风的变化是复杂的，平均风功率由数学模型叠加而成。

自然风中存在随机波动，这就需要在平均风速的基础上叠加直接分量。

（2）叶尖速比。测量风轮速度的参数。这是不连续的圆周速度与风速的比值。

根据贝兹理论，风机的能量在自然风中是有限的，能量转换导致风速的降低。在空气质量密度、风轮半径和风速不变的情况下，风能捕获轮的单位时间与利用系数成正比。在固定风速下，风力机数量的变化将导致风能利用率的变化。

通过先前的研究，我们知道速度对能量捕获效率产生影响。

（3）输出功率特性。所有机器都有运行效率问题。风力发电的启动需要一定的时间来克服内部阻力。起动转矩的大小取决于发电机的内阻。因此，发电机开始需要一个最小风速，当自然风强度小于最小风力时，风力发电机就不能工作。在风力发电厂建设之前，必须调查当地风能资源的类型和性质，根据当地风速和切割风速确定合适的发电机模型，使其正常工作。

（4）风力发电机直流电机仿真方案。风力发电机组的输出功率与风力发电机的转速和风速有关。在确定转速和风速的条件下，计算出输出功率和机械转矩。风力机和电动机的功率特性非常相似。根据风力机的数学模型计算出风力机的输出功率，并将其作为直流电机的控制指令进行控制。

6、风力发电控制策略

智能风力发电系统能够在风力发电机无法捕捉足够的负荷和电池能量的情况下，自动跟踪最大功率和调整叶尖速度比。目前，最大功率跟踪的方法主要有风速自动控制和风机转速反馈。

风速的自动跟踪是使用速度测量装置测量自然风速，根据风力机的最佳负荷曲线计算实际输出功率与给定的功率之间的差值，并调节电流大小，从而达到输出的风力发电功率的调节。

风机转速反馈是将发电机输出功率与自然风速的关系转化为发电机输出功率与发电机转速之间的关系，简化了结构，使其更加简单、可靠、稳定。

7、结束语

风力发电以其清洁和可再生的优点而受到重视。但由于风力发电技术生产效率低、投资高，随着风电技术的成熟，风力发电技术得到了广泛的推广。本文简要阐述了风力发电的发展和风力机的特点。利用风机的特点提高风电效率是一种比较先进和成熟的方法。值得在理论上广泛应用和在实践中深入研究。

参考文献：

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