风电机组的雷电防护
2011-10-14 15:25:00 | 来源：本站 | 浏览：28 次 | 评论：0 条 | 点击收藏风力是最环保清洁的能源，所以风电机组得到广泛应用。风力机额定功率迅速的增加使风塔的高度和体积增加，同时由于风力机安置在孤立或高海拔地区，风场风机的雷击损坏是不可避免的。因此研究风电机组叶片以及电力和控制设备的防雷极其重要。本文探讨风电机组的综合防护方法，以为风电和防雷行业抛砖引玉。
关键词：风电机组；雷害；防雷
引言
我国的风电场从年平均雷电日较少的新疆和内蒙开始发展，当初是450kW级以下的风力机，因此雷害并不突出。目前MW级的大功率风电机成为风场的主机型，大功率风电机的风塔高度已经超过120m，是风场中最高大的构筑物，在风电机组的20年寿命期内，总会遭遇到几次雷电直击。今后我国将大力发展2.5MW级以上的风电机组，风电机组还将设置在苏北沿海、华南，甚至设置海上风场。因此风电机组的雷害问题引起了风电行业从业人员的重视。风电机组的防雷被提到风电研发人员的议事日程。
国际电工委员会IEC第88工作委员会（IEC TC 88）在编制风电机组系列标准IEC 61400时，编制了一个技术报告（TR），作为IEC 61400系列标准的24部分于2002年6月出版。该标准已经由我国风标委等同采用上报为国家标准。当时IEC是想为这个相对年经的工业提供雷电和防雷知识。该标准提供了一些风力机雷害的背景资料，也提供了最实用的防雷指导。在几年的实践中证明了该技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。近年来，全世界清洁能源发展势头越来越猛，风电产业迅速向大功率风力机发展，并且更加繁荣和更加成熟，风场向外海设置，使雷害的问题比2002年以前更加复杂和突出。因此IEC第88工作委员会正在制定一个作为风电机组防雷标准的文件供风电行业人员使用。将IEC 61400由技术报告（TR）升级为技术标准（TS）。
1 风电机组的雷害
2006年，IEC的TC81发布了系列标准IEC 62305 《雷电防护》。它主要是建筑物及建筑物内的电气电子设备的防雷规则，对于风电机组，其基本原则可以采用，但具体的防护方法则需要根据风机和风场的特点确定，这也是IEC第88工作委员会第24项目组编制新的风电机组防雷的原因。
IEC第88工作委员会第24项目组认为，风电机组的雷害是其它建筑物不曾有的，因为：——风电机组是高度超过150m的高大构筑物；
——风电机组常常布置在非常容易受到雷击的场地；
——风电机组的许多暴露部件，如叶片和机舱盖往往由不能承受直击雷或传导直击雷电流的复合材料制成；
——叶片和机舱是转动的；
——雷电流必须通过风力机的结构传导到大地，因此，实际上大部分雷电流将流经或靠近所有的风力机部件。
——风电场中的风电机组往往位于接地条件不好的区域。
直击雷可以使风轮叶片遭到损毁。雷电电磁脉冲等非直接雷击可以使发电机、变压器、变频器等电气设备和控制、通信、SCADA等电子系统等灾难性损坏。也有极个别的轮毂、齿轮箱、液压系统、偏航系统和传动系统及机械制动器等遭到雷击损坏。在2008到2009
年期间，我国的风机雷害也开始显现，笔者在风场，亲眼看见了风机叶片，变频器以及控制、通信、SCADA等电子系统受雷害造成经济损失的情景。
按照雷害次数统计，控制系统、传感器、通信、SCADA等弱电部件的雷害概率较大，这是因为这些弱电器件的耐过电压和过电流的能力较弱，雷电电磁脉冲—即雷电感应过电压会使其损坏，但由于维修方便，直接和间接经济损失与风轮叶片比较不算很大。风轮叶片在直击雷袭击的时可能会损毁，直击雷概率较小，风轮叶片遭到直击雷袭击的概率更小，但叶片一旦遭到雷击，损坏就会比较严重，叶片维修和恢复都很费事，离岸和在边远地区设置的风机，运输物资极其困难，维修人员的开销很大，同时风电场停止运行的收入损失也是巨大的。因此，风轮叶片的雷害造成的直接和间接经济损失都是巨大的，所以叶片的雷害最引人关注。
根据雷电机理，雷云在风场上空时，风力机容易形成上行雷，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量可以高达300C，风力机高度增加上行雷造成的风力机雷害也增加，当风塔高度超过100m时上行雷击的概率大大升高。据统计，高度超过60m的建筑物往往会发生侧击，即有一部分雷电击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。风力机是高于60m的构筑物，所以侧击概率比建筑物大很多，并造成严重损害。还有，风电机组都设置在风力强大的地区，例如海岸、丘陵、山脊等荒郊野地，而这些地区正是雷电多发区，风电机组设置在高于周围地区的制高点，并且远离其它高大物体，因此它更加能吸引雷电。
叶片雷击损毁严重的一个主要原因是现代大型风力机的叶片用不能传导雷电流的复合材料制成，例如玻璃纤维增强塑料或木材层压板，我国现在开始用竹纤维层压板。在叶片未加防护时，一旦被雷电击中就会造成损坏。因此，必须对这类叶片采取防雷措施。
风电机组还是不断旋转运动的机械，于是又出现了一个特殊问题——雷击的风险出现在旋转叶片上多处，并且不止一个叶片遭到雷击。我们知道雷击的连续性，即一次闪电包含有几个不连续的雷击，一次闪电的持续时间达到1s。这一时间足以使多个叶片暴露在雷击中
（例如一个3叶片的风力机以20rpm的速度旋转，那么每叶片的运动速度就为120°/s）。雷电流通过整个风力机构筑物入地，包括桨距轴承、轮毂和主轴轴承、齿轮、发动机轴承、底座、偏航轴承和塔架。雷电流流经齿轮和轴承可使其损坏，特别是在滚轮和滚道之间以及齿轮与轮齿间有润滑层时。
机舱外壳都是用玻璃纤维增强塑料或碳纤维合成材料做成，也有遭到雷击的可能，它们也应当采取防直接雷击措施。风力机在设计时一定要考虑叶片、机舱的直击雷防护和发电机、变压器、变频器等电气设备和控制、通信、SCADA等敏感电子设备的雷电电磁脉冲防护。
2 叶片的防雷
风机的叶片几何结构复杂，雷电来时，叶片完全暴露在直击雷下，它的防雷比其它构筑物复杂。
沿着同一电离路径的整个放电过程称为闪电，其持续时间可以达到１s以上。云中先导与风机迎面先导汇合形成完整的雷击。风场叶片上发生的上行雷为多，其原因就是地面突出物有先导向上发展，成为雷闪的主流。图1说明风机叶片产生向上先导与云中先导汇合形成对风机叶片雷击的示例。雷击叶片后，雷电流将从雷击点通过叶片—轮毂—机舱—风塔—塔基—接地系统入地。雷电流流经叶片，可以产生热效应和机械效应，流经机舱和风塔时，强大的雷电流诱发的雷电电磁脉冲可以对电气系统和电子设备造成危害。
雷电击中风电机组的入侵点称为雷击点，一般，雷闪打在叶片的接闪器（receptor）处，图2 是雷击叶片的照片，雷电流由雷击点流入风电机组，这时，造成的典型损坏是：（1）叶片表面复合材料开裂和灰化，以及雷击点的金属部件烧毁或熔化（开裂是机械损坏、灰化则是热效应的结果）。
（2）雷电在叶片内部形成电弧（这时，风力机叶片的损坏最为严重，空气中的电弧会存在于叶片内的空洞和叶片表面，这种属于电气损坏）。
（3）另一种损坏是雷电流传到复合材料层之间时，因为层间有些潮气，内部电弧加热潮气引起压力冲击使叶片爆裂或使叶片表面沿着前后缘和叶片承载梁处撕裂损坏（小至叶片表面发生裂纹，大到叶片完全碎裂）。有时，压力波会通过轮毂从受雷击的叶片传到其它的叶片上而引起损坏（热效应和机械损坏）。
（4）在叶尖雷击点和导体部件之间常会形成内部电弧。
有叶尖刹车的叶片的损坏常局限在叶尖部分，而叶片主体保持完好。当叶片主体内部形成电弧时，常可看见有叶尖刹车的叶片主体的损坏。在控制叶尖刹车的钢丝没有足够的截面积将雷电流从轴尖传递到轮毂时，经常会发生叶片主体损坏的情况。对于有副翼的叶片来说，叶片就会完全毁坏。
因此，导致风力机叶片严重损坏的原因是叶片内部的雷电弧周围形成了压力冲击波。当雷电弧在叶片外表面形成或当传递雷电流的金属部件的截面积足够大时，风力机叶片的损坏会比较小。
下面有两个例子，一个是美国Texas南风场雷害，一个是日本北海道某风场冬雷雷害。
美国Texas南风场内风力机输出功率1.5MW，发电机叶片由玻璃纤维增强复合材料构成。叶片内部采用硬质聚氨酯泡沫塑料包裹在玻璃纤维上形成加强横梁，并采用多层有绝对强度的聚氨酯/玻璃纤维作为内部层，耐应力的效果相当好。该地雷闪密度为每年每平方公里5至6个，2006到2008年3年中，该场5%的风力机叶片被雷击损坏，2008年年4月6日雷电将155号机的4608号叶片完全击坏（叶片解体，导流线截断），美国国家雷电监测网报道雷击时刻（08：36′38″）记录的该地雷电电流为10kA。比较起来，这次雷击雷电流不算大，但叶片的损坏相对却十分严重。美国国家雷电研究所（National Lightning Safety Institute —NLSI），2008年6月对该例的研究认为，导雷线未达到设计水平，叶片内部的空气和水气在大雷电流流过时气化和膨胀产生机械力，是这次叶片损毁的主要原因。在研究中发现，该厂叶片叶尖有一个“接闪器”。雷击接闪器后，大电流进入叶片，由于瞬时雷电流达到10kA，雷电流从接闪器进入后沿“导雷线”入地网，瞬时电流产生了25000℃以上的高温，使得“导雷线”熔断，同时将叶片内残存的水汽加热，水汽急剧膨胀使叶片爆裂。
日本北海道某风场在2006年12月6日一次冬雷时，一台1000kW风机测得的雷电电荷为739C，但风机未被击坏。这台风机在叶片上部装有碟形接闪器，导流线可以传导上百千安的电流而无机械损坏。松下公司在2006年做了叶片大电流室内试验。将模拟雷电流加到长度为29.5m的叶片，叶片上部装有几个碟形接闪器和棒型接闪器。试验中发现，施加正冲击电压时，接闪器的接闪率为100%，施加负冲击电压时，接闪器的接闪率也有70%，其余的电流直接流向引下线。松下也做过有接闪器和无接闪器的对比试验，叶片无接闪器时，施加负冲击电压，叶片截雷58%,机舱截雷42%。
由此可知，风机叶片是风机中最暴露的部分，必须加以防护。对叶片的保护是否足够，应当看其设计和安置叶片接闪器系统后能有效的截获雷电，以及导流系统能疏导100kA以上的雷电流（我国西北雷害较少的地区可以不这样考虑）。
关于叶片的防雷应当采取以下措施：
（1）.叶片应当导电：雷击时，叶片接受并将大电流导入大地，否则强大的雷电流将会损毁叶片。若叶片中含有导电的部分，则导电部件可能将雷击电流引导到轴心，以防止叶片内部产生弧光放电。导电的部件可以为叶片的外框或叶面。在德国、丹麦、日本、美国的一项广泛的研究表明，带有内置导体的叶片可以大大降低叶片结构严重损坏的可能性。
（2）叶片有多个接闪器：研究说明，安装有内置防雷系统的长条形叶片容易受到雷电的袭击，雷击点不一定是安装在叶尖的接闪器。因此需要安装多个接闪器，这样比在叶尖设置单个接闪器更容易截获雷电，为叶片提供更优良的保护。短于30m的叶片在每一片叶尖上至少应安装一个接闪器。长于30m的风叶，应安装多个接闪器，接闪器可以是碟形和柱形。
3 风机其它部件的防雷和综合接地系统
（1）机舱和其它构件：
风力机机舱和其它构件（如轮毂、塔架）的防雷，应当有接闪能力，尽可能使用大的金属构件作接闪器。还要将金属构件做等电位连接，将雷电流传导到接地系统。机舱上气象仪表、航空灯等的避雷针、引下线以及搭接线的尺寸要满足IEC62305-3的要求。
总之，机舱和其它构件的防雷可以直接采用IEC62305系列标准所描述的方法。风力机应当划分为若干防雷区LPZ，设计人员应当计算雷电风险水平，并根据等电位搭接、电磁屏蔽和采用SPD等设计防雷系统。
（2）机械驱动系统和偏航系统
机械驱动系统的防雷非常重要，因为风力机的驱动系统有巨大的转动轴承、传动轴、齿轮、液压和电气执行系统，在雷电击中叶片时，它们都处于雷电流的径路上，巨大的雷电流
可以使其受到机械损坏。机械驱动系统的所有部件都要经受住雷电流或运动部件间的雷电弧而不受损害，例如，轴承和执行机构用滑动接触器或火花间隙进行防护。这些部件设计成可以将雷电流从被保护部件上转移或减少雷电流流经部件的数值，直到该雷电流小到部件可以承受的水平。
（3）电气系统、电子系统
风力机的电气系统、电子系统应当经受住由于雷电产生的雷电电磁脉冲（LEMP）而不损坏。雷害统计显示，大多数雷害与风机的电气系统、电子系统有关。电气系统、电子系统的LEMP的防护措施（LPMS）应能消除或避免这些系统的雷害。应当采用IEC62305-4的防护区的综合防护概念采取接地、搭接、电磁屏蔽和合理布线、安装能量协调一致的SPD 等措施。
（4）综合接地系统
风塔地基应当有一个接地系统，该系统是风机叶片遭直击雷后的雷电流通道，也是其他系统SPD的接地点。各风塔间的接地系统应当相互连接构成综合接地系统，各风塔间的地线也是电缆的接地保护线。国外经验证明，综合接地系统的防雷效果比独立的风塔接地系统好很多。
4 结束语
雷害对风电机组的负面影响越来越受到风电行业的重视，可以预见，在风电机组容量增大和机身高度增加，控制系统大量采用耐过电压过电流能力极低而工作效率极高的微电子设备后，大容量机组雷害的严重性将会日益突出，造成的间接经济损失也将也来越大。尤其将来离岸设置风电机组时，雷害的问题会更加突出。应当对风电机组实施综合防护的措施以有效减少雷害。所谓“综合防护”首先要提高风力机自身的抗雷电能力，叶片及雷电流入地路径中的所有部件（包括桨距轴承、轮毂和主轴轴承、齿轮、发动机轴承、底座、偏航轴承和塔架）应能通畅的将雷电流导入大地儿自身完好无损。对于低压电气系统和电子系统以及高压电力系统必须装置“合适的”、“能量配合”的浪涌保护设备。风场要有与相关建筑物、构筑物和风场设备、传输电缆连为一体的综合接地系统。
我国清洁能源发展正处于上升时期，风力发电和光伏发电都将面临如何有效的防止雷害的问题。国外的风电场业主和风电机组制造商已经认识到与专业防雷公司或科研机构、试验机构合作研究防雷措施的必要性，IEC第88技术委员会就吸收了专业防雷公司参加其中的工作。我国是个雷暴分布复杂和多雷暴的国家，风机防雷将是必然课题。目前，成都兴业雷安电子技术公司等我国大防雷器生产厂家已经有专门部门从事清洁能源系统防雷研究，其生产的电源和微电子设备用SPD已经出口到欧美和亚非各国，有较高的性价比。相信，风电
机组制造商和运营商和专业防雷公司或科研机构、试验机构精诚合作，必然将风电机组防雷工作做好，使我国的风电机组能够全天候的工作。
第7章风力发电机组用发电机 7.1 概述 1、风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程。 2、并网型风力发电机组常用的发电机有异步发电机、双馈异步发电机、永磁或电励磁同步发电机。 3、异步发电机按转子结构分有鼠笼式异步发电机和绕线式异步发电机。 4、鼠笼式发电机主要用于定桨距风电机组。 5、按正弦曲线规律变化的电流（或电势）就叫正弦交流电。 6、感应电势的频率决定于同步电机的转速和极对数，熟悉公式P176，额定功率因数公式、额定输出功率公式、同步转数计算公式。 7、什么是同步转数：我国规定，交流电的频率为50Hz，因此同步发电机的转速n和电网频率f之间具有严格的关系。当电网频率一定时，同步发电机的转速为一恒定值。为了保证发电机发出恒定频率的交流电，在原动机上都装有机械或电子调速器，实现转速稳定。要使得发电机供给电网50Hz的电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如，2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有以同步转速运转，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称由来。 8、同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 9、获得励磁电流的方法称为励磁方式。分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源，另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。 10、发电机的主要参数 额定容量S N (VA，kVA,MVA等)或额定功率P N (W,kW,MW等)－指电机输出功率的保证值。 额定功率P N －在额定运行条件下，发电机能发出的最大功率，单位kW。 额定电压U N －在额定运行条件下，电机定子三相线电压值，单位为V或kV。 额定电流I N －额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位为A或kA。 功率因数－额定运行情况下，有功功率和视在功率的比值。 额定频率f－额定运行情况下输出交流电的频率。 额定转速n N －额定运行时转子的转速，单位为r/min。 相数m－即发电机的相绕组数。常用的是三相交流同步发电机。 11、电机工作时内部会产生损耗，包括铁耗、铜耗、机械耗、杂散损耗，所有上述损耗均以热量的形式通过冷却介质散发。 12、电机的铁耗主要是定子铁芯损耗，铁芯损耗包括基本铁耗和旋转铁耗两部分。 13、铜耗是电流流经定转子绕组时，由于绕组具有一定电阻所引起的损耗。 14、电机转子转动时，存在轴承摩擦及风阻等阻力转矩，此阻力转矩消耗功率称为机械损耗。 15、双馈异步发电机工作原理：通常所讲的双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。虽然属于异步机的范畴，但是由于其有独立的励磁绕组，可以像同步电机一样施加励磁，调节功率因数，所以又称为交流励磁电机。双馈电机结构和基本工作原理与一般异步发电机相同，不同的是双馈电机的转子绕组由双馈 变频器控制，由输出电压为E f 的独立交流励磁电源S f 供电，提供的有功功率用作转子铜耗； 提供的无功功率用于建立磁场，并在电机定子感应出电压。转子三相电流由转子感应电势E2与E1共同产生。双馈变频器采用矢量控制，通过调节转子三相电流的频率、幅值、相位、相序，有功、无功分量完全解耦，使定子侧感应出恒定频率的三相交流电，还可以灵活控制双馈异步发电机输出超前或滞后的无功功率，改善电网功率因数，稳定电网电压等。 16、与同步电机相比，双馈电机励磁可调量有三个：一个是与同步电机一样，可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。 17、通过改变励磁频率，可调节转速。这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。
1,风力发电机按叶片分类。 按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。 （1）水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点；叶片旋转空间大，转速高。适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。 （2）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于；发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单。垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。 按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机。 凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，不易调整平衡。还很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂。因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。对于轴心不对称的奇数片扇叶，这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样的叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理。所以绝大多数风扇都是三片叶的。三片叶有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损。降低维修成本。 按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。 上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。 而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。 2,按照风力发电机的输出容量可将风力发电机分为小型，中型，大型，兆瓦级系列。 （1）小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。 （2）中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。 （3）大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。 （4）兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。 3,按功率调节方式分类。可分为定桨距时速调节型，变桨距型，主动失速型和 独立变桨型风力发电机。 （1）定桨距失速型风机；桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
风机叶片的原理、结构和运行维护 潘东浩 第一章风机叶片报涉及的原理 第一节风力机获得的能量 一.气流的动能 1 2 i 3 E= 2 mv =2 p Sv 式中m——气体的质量 S——风轮的扫风面积，单位为m2 v 气体的速度，单位是m/s p ------空气密度，单位是kg/m3 E 气体的动能，单位是W 风力机实际获得的轴功率 P=2 p sJc p 式中P----- 风力机实际获得的轴功率，单位为W； p ------空气密度，单位为kg/m3; S ----- 风轮的扫风面积，单位为m2; v ----- 上游风速，单位为m/s. C p ---------- 风能利用系数 三.风机从风能中获得的能量是有限的，风机的理论最大效率
n Q 0.593 即为贝兹（Betz）理论的极限值。 第二节叶片的受力分析 一.作用在桨叶上的气动力 上图是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导速
度情况下的受力分析。在叶片局部剖面上，W是来流速度V和局部线速度U的矢量和。速度W在叶片局部剖面上产生升力dL和阻力dD，通过把dL和dD分解到平行和垂直风轮旋转平面上，即为风轮的轴向推力dFn和旋转切向力dFt。轴向推力作用在风力发电机组塔架上，旋转切向力产生有用的旋转力矩，驱动风轮转动。 上图中的几何关系式如下： W =V U ①=0 + a dFn=dDs in ① +dLcos ① dFt=dLs in ①-dDcos ① dM=rdFt=r（dLsin ①-dDcos①） 其中，①为相对速度W与局部线速度U （旋转平面）的夹角，称为倾斜角；0为弦线和局部 线速度U （旋转平面）的夹角，称为安装角或节距角; a为弦线和相对速度W的夹 角，称为攻角。 ?桨叶角度的调整（安装角）对功率的影响。（定桨距） 改变桨叶节距角的设定会影响额定功率的输出，根据定桨距风力机的特点，应当尽量提高低 风速时的功率系数和考虑高风速时的失速性能。定桨距风力发电机组 在额定风速以下运行时，在低风速区，不同的节距角所对应的功率曲线几乎是重合的。但在 高风速区，节距角的变化，对其最大输出功率（额定功率点）的影响是十分明显的。事实 上，调整桨叶的节距角，只是改变了桨叶对气流的失速点。根据实验结果，节距角越小，气 流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。这就是定桨距风力机可以在不同的空气密 度下调整桨叶安装角的根据。 不同安装角的功率曲线如下图所示： 750KW国产桨叶各安装角实际功率Illi线对比图 ! --------- ——B ----------------! *pitchy—00 P itch=-3. 00 pitcta-L T5 pi 75 ―*—pitch=-Q. 00 * 1 -------- piteh=l.00——= ---------------- i
本文数据为2009年统计数据，但现在看来仍不失为一篇很好的科普文章，仅供大家参考。 摘要：风电机组选型在风电项目开发过程中至关重要，项目有盈利可能是进行选型的前提。本文回顾了我国风电电价发展历程，给出了收益率、电价与风资源的定量关系；研究了风电机组等级与GL型式认证的相关问题；澄清了一些对可利用率、可靠性的混淆认识；论证了国内风电机组理论功率曲线偏高问题。 1．前言 如今，风电发展已跨越初期示范阶段，进入大规模产业化时代，追求利润最大化成为投资的主要目的。决定风电项目盈利水平的要素包括风资源状况、电网接入状况、上网电价、机组选型和运维水平等。项目核准后，前三项基本已成定局，机组选型的重要性显而易见。据《2009年中国风电机组制造商竞争态势与投资分析研究报告》分析，截止到2008年10月1日，中国境内的风电机组整机生产商已经达到76家目前，其中真正有产品推出的内资与合资企业共10多家，加上几家在中国市场表现积极的外资企业，总数在20左右。而每个厂家还有不同等级、不同轮毂高度、不同容量、不同应用环境的多种机型，如何从中抉择出高安全性、高性价比的机组，成为风电投资必须面对的问题。 2.机组选型的前提 进行机组选型的前提是项目有盈利的可能。众所周知，电价越高风，风资源越好，项目的盈利水平就越高，先来看电价。 1）我国风电电价发展历程 我国风电并网电价的形成大体经历了四个不同的历史阶段： 1）发展初期，机组多由国外资金援助，竞争上网，电价很低，每千瓦时约0.3元； 2）1994年起，电力部全额收购风电上网电量，差价全网均摊，各地由价格主管部门审批，致使风电价格参差不齐，低的与火电相当，高的每千瓦时超过1元； 3）2002年开始，招标电价和审批电价并存，特许权招标项目的招标由国家发改委牵头组织，电价区间趋于稳定； 4）2009年，国家发改委下发《关于完善风力发电上网电价政策的通知》，《通知》按风能资源状况和工程建设条件，将全国分为四类风能资源区，并制定相应的风电标杆上网电价，见表1，今后新建陆上风电项目统一执行。这对风电的投资预期起到很好的引导作用，消除了不确定性，增强了可持续性，有利于竞争格局的稳定，标志着我国风电上网电价机制基本成熟。 表1各风能资源区风电标杆电价
哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
关于叶片防雷及接地的避免措施和检查方法整理如下，希望有所帮助。 一、目前叶片雷击基本为：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解叶片内部气体高温膨胀， 压力上升造成爆裂破坏（更有叶片内存在水分而产生高温气体，爆裂）。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体而导致叶片损害。经过统计：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。根据以上叙述，叶片防雷设计一般在叶尖装有接闪器捕捉雷电，再通过敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片。 二、按IEC61400-24标准的推荐值，叶片防雷击铜质电缆导线截面积最小为50平方毫米。如果为高发区， 可适当增加铜质电缆导线截面积。 三、我集团近期刚出的一个检查标准： 1、叶片吊装前，逐片检查叶片疏水孔通畅。 2、叶片吊装前，逐片检查叶片表面是否存在损伤。 3、叶片吊装前，应逐片检查叶片防雷引下线连接是否完好、防雷引下线截面是否损伤，检测叶片接闪器到叶片根部法兰之间的直流电阻，并做好检测记录。若叶片接闪器到叶片根部法兰之间的直流电阻值
高于20 mΩ，应仔细检查防雷引下线各连接点联接是否存在问题。 叶片接闪器到叶片根部法兰之间直流电阻测量采用直流微欧计、双臂电桥或直流电阻测试仪（仪器分辨率不低于 1 mΩ），采用四端子法测量，检查叶片叶尖及叶片上全部接闪点与叶片根部法兰之间直流电阻，每点应测三次取平均值。 4、机组吊装前后，应检查变桨轴承、主轴承、偏航轴承上的泄雷装置（碳刷、滑环、放电间隙 等）的完好性，并确认塔筒跨接线连接可靠。 表1 防雷检查及测试验收清单
高等教育自学考试毕业设计（论文） 风力发电机设计题目 级机电一体化工程09专业班级 姓名高级工程师指导教师姓名、职称
所属助学单位 2011年 4月1 日 目录 1 绪论………………………………………………………………………………… 1 1.1 风力发电机简介 (1) 1.2 风力发电机的发展史简介 (1) 1.3 我国现阶段风电技术发展状况 (2) 1.4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 (2) 2 风力发电机结构设计……………………………………………………………… 3 2.1 单一风力发电机组成 (3) 2.2 叶片数目 (3) 2.3 机舱 (4) 2.4 转子叶片 (5) 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 (5) 3.1联轴器的型号及主要参数 (5) 3.2 初步估计回转体危险轴颈的大小 (5) 3.3 叶片扫描半径单元叶尖速比 (6) 4 风轮桨叶的结构设计……………………………………………………………… 6 4.1桨叶轴复位斜板设计 (6) 4.2托架的基本结构设计 (6) 5 风力发电机的其他元件的设计 (6) 5.1 刹车装置的设计 (6) 6 风力发电机在设计中的3个关键技术问题 (7) 6.1空气动力学问题 (7) 6.2结构动力学问题 (7) 6.3控制技术问题 (7)
7 风力发电机的分类………………………………………………………………… 7 8 风力发电机的选取标准 (8) 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求………………………………………… 8 9.1风力发电机对风能技术要求 (8) 9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 (9) 9.3风力电动机技术之间的能量转换 (10) 10 风力发电机在现实中的使用范例 (10) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 摘要 随着世界工业化进程不断加快，能源消耗不断增加，全球工业有害物质排放量与日俱增，造成了能源短缺和恶性疾病的多发，致使能源和环境成为当今世界两大问题。因此，风力发电的研究显得尤为重要。 我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置，这造成风电场无功补偿的投资很大。文章结合实例，通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算，提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡，风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据，对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场，应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量，降低无功补偿的投资。 关键词：风力发电、风电场、无功补偿、电压波动
课程设计(综合实验)报告( 2012 – 2013 年度第二学期) 名称：《风力发电机组设计与制造》 课程设计报告 院系：可再生能源学院 班级：风能xxxxx班 学号： xxxxxxxxxxxx 学生姓名： xxxxxx 指导教师：田德、王永 设计周数： 2 成绩： 日期：20xx年 x月x日
目录 任务书 (4) 一设计内容 (4) 二目的与任务 (4) 三主要内容 (4) 四进度计划 (7) 五设计（实验）成果要求 (7) 六考核方式 (8) 总体参数设计 (8) 一额定功率 (8) 二设计寿命 (8) 三额定风速、切入风速、切除风速 (8) 四重要几何尺寸 (8) 1风轮直径和扫掠面积 (8) 2轮毂高度 (8) 五总质量 (9) 六发电机额定转速和转速范围 (9) 七叶片数B (9) 八功率曲线和C T曲线 (9) 1功率曲线 (9) 2C T曲线 (10) 九确定攻角Α，升力系数C L，叶尖速比Λ，风能利用系数C P (10) 十风轮转速 (12) 十一其他 (12) 十二风电机组等级选取 (12) 叶片气动优化设计 (13) 一优化过程 (13) 二叶片优化结果 (14) 主要部件载荷计算 (14) 一叶片载荷计算 (15) 1作用在叶片上的离心力F C (15) 2作用在叶片上的风压力F V (15)
3作用在叶片上的气动力矩 (16) 4作用在叶片上的陀螺力矩M K (16) 二主轴载荷计算 (16) 三塔架载荷计算 (17) 1暴风工况风轮气动推力计算 (17) 2塔架的强度设计（考虑塔架高度折减系数的强度计算） (18) 主要部件功率 (20) 一发电机 (20) 二变流器 (21) 三齿轮箱 (21) 四联轴器 (21) 五偏航 (22) 风电机组布局 (22) 设计总结 (24) 参考文献 (25) (25)
风力发电机原理及结构 风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和发电机两大部分。空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。 1、风机基本结构特征 风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。 （1）风轮 风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。 风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。 1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而
不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。 目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。 2）轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。 轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。 轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等，风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。 轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂（柔性轮毂
宁夏关于成立风电叶片生产制造公司 可行性分析报告 规划设计/投资分析/实施方案
报告摘要说明 风力发电行业主要由上游原材料生产、中游零部件制造和风力机组制造、以及下游风电场运营和电网运营等环节构成。风力发电机主要由叶轮、机舱、塔筒三部分构成。由于风电场招标时塔筒一般单独招标，风力机组 此时即指叶轮和机舱两部分。 xxx实业发展公司由xxx有限责任公司（以下简称“A公司”）与xxx集团（以下简称“B公司”）共同出资成立，其中：A公司出资410.0万元，占公司股份76%；B公司出资130.0万元，占公司股份24%。 xxx实业发展公司以风电叶片产业为核心，依托A公司的渠道资源 和B公司的行业经验，xxx实业发展公司将快速形成行业竞争力，通过 3-5年的发展，成为区域内行业龙头，带动并促进全行业的发展。 xxx实业发展公司计划总投资12239.85万元，其中：固定资产投 资10808.63万元，占总投资的88.31%；流动资金1431.22万元，占总投资的11.69%。 根据规划，xxx实业发展公司正常经营年份可实现营业收入13527.00万元，总成本费用10387.39万元，税金及附加206.07万元，利润总额3139.61万元，利税总额3778.73万元，税后净利润2354.71万元，纳税总额1424.02万元，投资利润率25.65%，投资利税率
30.87%，投资回报率19.24%，全部投资回收期6.70年，提供就业职位187个。 风电作为可再生资源，节能环保，是未来能源的重要发展方向。风电的应用推广，经济性和市场化是重要影响因素。
第一章总论 一、拟筹建公司基本信息 （一）公司名称 xxx实业发展公司（待定，以工商登记信息为准） （二）注册资金 公司注册资金：540.0万元人民币。 （三）股权结构 xxx实业发展公司由xxx有限责任公司（以下简称“A公司”）与xxx集团（以下简称“B公司”）共同出资成立，其中：A公司出资410.0万元，占公司股份76%；B公司出资130.0万元，占公司股份24%。 （四）法人代表 段xx （五）注册地址 xx产业示范基地（以工商登记信息为准） 宁夏回族自治区，简称宁，是中国5个自治区之一，首府银川。位于中国西北内陆地区，界于北纬35°14'-39°14'，东经104°17'-109°39'之间，东邻陕西，西、北接内蒙古，南连甘肃，宁夏回族自治区总面积
第一节风电机组结构 1．外部条件 根据最大抗风能力和工作环境的恶劣程度，按强度变化的程度对风电机组进行分级。根据IEC61400设计标准，共分为4级。 一类风场I：参考风速为50m/s，年平均风速为10m/s，50年一遇极限风速为70m/s，一年一遇极限风速为s； 二类风场II：参考风速为s，年平均风速为s，50年一遇极限风速为s，一年一遇极限风速为s； 三类风场III：参考风速为s，年平均风速为s，50年一遇极限风速为s，一年一遇极限风速为s； 四类风场IV：低于三类风场风速，属低风速区，鲜有商业风电场开发。 对电网的要求：电压波动为额定值±10%，频率波动为额定值±5%。2．机械结构 总体描述 整机是建立在钢结构底座上，该结构应具有很大的强韧度，底部由坚固底法兰组成，风电机组所有的主要部件都连接于其上。 发电机固定位置与机舱轴线偏离,以使得风电机组在满载运行时，整机质心与塔架和基础中心相一致。 偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连
接，并安装在塔架上，整个机舱底部对叶轮转子到塔架造成的动力负载和疲劳负荷有很强的吸收作用。 机舱座上覆盖有机舱罩，材料是玻璃钢，具有轻质高强的特点，有效地密封，以防止外界侵蚀，如雨、潮湿、盐雾、风砂等。产品生产采用多种工艺，包括：滚涂、轻质RTM、真空灌注等，机舱罩主体部分设置PVC泡沫夹层，以增加强度。内层设置消音海绵，以降低主机噪声。 机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；同时，在机舱内还安装有加热器，使得风电机组在冬季寒冷的环境下，机舱内保持在10℃以上的温度。 载荷情况 - 启动：从任一静止位置或空转状态到发电过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 发电：风电机组处于运行状态，有电负荷。 - 正常关机：从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 紧急关机：突发事件（如故障、电网波动等），引起的停机。 - 停机：停机后的风电机组叶轮处于静止状态，采用极端风况对其进行设计。 - 运输/安装/维护：整体装配结构便于运输，安装、维护易于实施。 叶片
1．总体设计 一、气动布局方案 包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。 二、整机总体布置方案 包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。 三、整机总体结构方案 包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明。 四、各部件和系统的方案 应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。五、整机重量计算、重量分配和重心定位 包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。 六、配套附件 整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。 2．总体参数 在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。 一、风轮叶片数B 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即λ＝4-7 左右，叶片数一般取2—3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能
风力发电机的组成部件及其功用 风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。下面将以水平轴升力型风力发电机为主介绍它的各主要组成部件及其工作情况。图3-3-4和3-3-5是小型和中大型风力发电机的结构示意图。 图3-3-4 小型风力发电机示意图 1—风轮2—发电机3—回转体4—调速机构5—调向机构6—手刹车机构7—塔架8—蓄电池9—控制/逆变器 图3-3-5 中大型风力发电机示意图 1—风轮；2—变速箱；3—发电机；4—机舱；5—塔架。 1 风轮 风轮是风力机最重要的部件，它是风力机区别于其它动力机的主要标志。其作用是捕捉和吸收风能，并将风能转变成机械能，由风轮轴将能量送给传动装置。
风轮一般由叶片（也称桨叶）、叶柄、轮毂及风轮轴等组成（见图3-3-6）。叶片横截面形状基本类型有3种（见图第二节的图3-2-3）：平板型、弧板型和流线型。风力发电机的叶片横截面的形状，接近于流线型；而风力提水机的叶片多采用弧板型，也有采用平板型的。图3-3-7所示为风力发电机叶片（横截面）的几种结构。 图3-3-6 风轮 1.叶片 2.叶柄 3.轮毂 4.风轮轴 图3-3-7 叶片结构 （a）、(b)—木制叶版剖面； (c)、(d)—钢纵梁玻璃纤维蒙片剖面； (e) —铝合金等弦长挤压成型叶片；(f)—玻璃钢叶片。 木制叶片（图中的a与b）常用于微、小型风力发电机上；而中、大型风力发电机的叶片常从图中的（c）→（f）选用。用铝合金挤压成型的叶片（图中之e），基于容易制造角度考虑，从叶根到叶尖一般是制成等弦长的。叶片的材质在不
风电机组发电机规程 1 发电机概述 VEM 1550KW-690V-50Hz发电机 发电机是把旋转的机械能转换为电能。在风机中采用的是双馈式感应发电机。发电机的定子直接连接到三相电源上，而转子通过变频器与三相电源相连。 发电机的转速范围是1000到2016rpm，同步转速是1500rpm。转子电压频率和转子电流与转速差（实际和发电机的转速）相对应。这个差值称为转差率，通常以同步转速的百分比的形式给出。发电机的定子电压等于电网电压。转子电压与转差频率成正比。当发电机以同步转速转动时，转差率为零。 2安全须知 2.1 注意事项 首次维护应在风机动态调试完毕且正常运行7—10天后进行；以后间隔按照此章要求进行！ 在发电机安装和试运行前，请仔细阅读此运行和维护手册。 小心妥善保管该运行和维护手册。 只有严格遵守该手册的规定，索赔才有保障。 小心保存日志。
合格人员 合格人员指能够依照相关操作规程或者产品上的标示，进行产品的安装、装配、调试和运行，并具有相关资格的人员，例如： 1）按照标准的安全需求，接受相关培训、指导或授权，操作开关的分断、电气线路和设备接地与标识。 2）按照标准的安全需求，在安全设备的维护和使用方面接受过相关的培训和指导。 3）急救训练。 危险标识 危险警告 小心 小心注意危险 表示如果没有采取相应的预防措施，会导致死亡、重大的人身伤害或财产损失。 警告 表示如果没有采取相应的预防措施，可能导致死亡、重大的人身伤害或财产损失。 小心 带三角的警告标志表示如果没有采取相应的预防措施可能导致轻微的人身伤害。 小心 不带三角的警告标志表示如果没有采取相应的预防措施可能导致财产损失。 注意 表示如果没有遵守相关指示，可能导致不期望的结果和情形。
风机叶片得原理、结构与运行维护 潘东浩 第一章风机叶片报涉及得原理 第一节风力机获得得能量 一．气流得动能 E=ｍｖ2=ρＳv3 式中m—--———气体得质量 S-—－—－-—风轮得扫风面积,单位为m2 v-－—-－－—气体得速度,单位就是m/s ρ－--－--空气密度,单位就是kｇ/m3 Ｅ—-———－—-—-气体得动能,单位就是W 二、风力机实际获得得轴功率 Ｐ=ρＳv3C p 式中P-－—－--－—风力机实际获得得轴功率,单位为W; ρ-———-—空气密度,单位为kｇ/m３; S————-—－-风轮得扫风面积,单位为m２; ｖ－－---－——上游风速,单位为m/s、 Ｃp -—－-－-—－—风能利用系数 三。风机从风能中获得得能量就是有限得,风机得理论最大效率 η≈0。5９3 即为贝兹(Bｅtz)理论得极限值。 第二节叶片得受力分析 一。作用在桨叶上得气动力 上图就是风轮叶片剖面叶素不考虑诱导 速度情况下得受力分析。在叶片局部剖面 上,W就是来流速度V与局部线速度U得矢量 与。速度W在叶片局部剖面上产生升力dL 与阻力ｄＤ,通过把ｄL与dD分解到平行与垂直风轮旋转平面上,即为风轮得轴向推力dFｎ与旋转切向力dFt。轴向推力作用在风力发电机组塔架上,旋转切向力产生有用得旋转力矩,驱动风轮转动。 上图中得几何关系式如下: Φ＝θ＋α
dFn=dDsinΦ+dLcosΦ dＦt＝ｄLｓiｎΦ-dDｃosΦ dM=rdFt=ｒ(dＬsｉnΦ-ｄDcosΦ) 其中,Φ为相对速度W与局部线速度Ｕ(旋转平面)得夹角,称为倾斜角; θ为弦线与局部线速度U(旋转平面)得夹角,称为安装角或节距角; α为弦线与相对速度W得夹角,称为攻角。 二。桨叶角度得调整(安装角)对功率得影响。(定桨距) 改变桨叶节距角得设定会影响额定功率得输出,根据定桨距风力机得特点,应当尽量提高低风速时得功率系数与考虑高风速时得失速性能、定桨距风力发电机组在额定风速以下运行时,在低风速区,不同得节距角所对应得功率曲线几乎就是重合得。但在高风速区,节距角得变化,对其最大输出功率(额定功率点)得影响就是十分明显得。事实上,调整桨叶得节距角,只就是改变了桨叶对气流得失速点。根据实验结果,节距角越小,气流对桨叶得失速点越高,其最大输出功率也越高。这就就是定桨距风力机可以在不同得空气密度下调整桨叶安装角得根据、 不同安装角得功率曲线如下图所示: 第三节 叶片得基本概念 １、叶片长度:叶片径向方向上得最大长度,如图１所示。 图1 叶片长度 2、叶片面积
5 风电机组选型、布置及风电场发电量估算 5.1 风电机组选型 5.1.1 单机容量范围及方案的拟定 5.1.1.1 风电机组发电机类型的确定 风电场机型选择应考虑适合风电场场址的风资源条件，有利于提高风电场的发电效益。随着国内外风力发电设备制造技术日趋成熟，针对不同区域风资源条件，各风机设备制造厂家已经开发出不同结构型式、不同控制调节方式的风力发电机组可供选择。按照IEC61400-1标准（风电机组设计要求），风电场机组按50年一遇极大风速可分为I、II、III三个标准等级，每个等级按15m/s风速区间的湍流强度可分为A、B、C三个标准等级，为特殊风况和外部条件设计的为S级。因此，根据怀宁风电场场址的地形、交通运输情况、风资源条件和风况特征，结合国内外商品化风电机组的制造水平、技术成熟程度以及风电机组本地化率的要求，进行风电场机组型式选择。 风力发电机组选型应考虑的几种因素 (1) 风电机组应满足一定的安全等级要求 表5.1.1.1-1 IEC61400-1各等级WTGS基本参数 上表中各数据应用于轮毂高度，其中V ref为10min平均参考风速，A 表示较高湍流特性，B表示中等湍流特性，C表示较低湍流特性，Iref为湍流强度15m/s时的特性。在轮毂高度处，15m/s风速区间的湍流强度值不大于0.12，极大风速为28.2m/s。根据国际电工协会IEC61400-1(2005)标准判定本风电场工程70~90m轮毂高度适宜选择IECⅢC及以上等级的风力发电机组。
(2) 风轮输出功率控制方式 风轮输出功率控制方式分为失速调节和变桨距调节两种。两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。从目前市场情况看，采用变桨距调节方式的风电机组居多。 (3) 风电机组的运行方式 风电机组的运行方式分为变速运行与恒速运行。恒速运行的风力机的好处是控制简单，可靠性好。缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力发电机组经常工作在风能利用系数(Cp)较低的点上，风能得不到充分利用。变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极永磁同步发电机。变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度的利用风能，提高风力发电机组的运行效率。 (4) 发电机的类型 目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网，而直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。 还有一种介于二者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机，是直驱式和传统型风力发电机的混合，但是该类产品还不是很成熟，因此本工程不推荐。 双馈式：交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。目前，世界各国正在针对这些缺点改进机组或研制新型机组，如无刷双馈机组。 永磁直驱风电机组，就是取消了昂贵而又沉重的增速齿轮箱，风轮轴直接和发电机轴直接相连，转子的转速随来流风速的变化而改变，其交流
摘要 自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。 风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。 本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。 关键词：风能；风力发电机；叶片；轮毂；齿轮箱
Abstract Natural wind speed and direction of change is random, wind characteristics of uncertainty, how to make wind turbine output power stability, wind power technology is an important subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the wind, such as the use of variable speed control technology, can make use of wind round the moment of inertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the wave's power, and power factor deterioration. Use of wind energy in the development of key technical issues involved in wind energy technology is one of a number of integrated technical disciplines. Moreover, the wind turbine is usually different from the mechanical system characteristics: a strong power source is not random and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importation, fatigue load than Rotating Machinery usually several times. Based on the wind turbine design, leaves, the wheel design, level of rotating the design, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-renewable resources Consumption, reduce the environmental pollution. Key words: wind power；wind power generators；blade；wheel；Gearbox