风力发电机概述43页PPT

德国北方风电项目
德国北方风电项目是全球最大的陆上风电项目之一，位于德国北部沿海地区。该项目由多个风电场组成，总装机 容量超过400兆瓦，每年可提供约1.2太瓦时的清洁能源。该项目采用先进的涡轮发电机技术，提高了能源转换效 率和可靠性。
中国风力发电项目介绍
甘肃酒泉风电基地
甘肃酒泉风电基地是中国最大的风电基地之一，位于甘肃省酒泉市。该基地总装机容量超过1000兆 瓦，拥有数千台风力发电机组，覆盖面积超过200平方公里。该基地的建设推动了当地经济发展和清 洁能源产业的发展。
风能资源的分布不均，主要集中在沿海地区、草原地区和部分山 区，其他地区的风能资源相对较少。
对土地资源的需求
建设风电场需要占用大量的土地资源，可能会对当地生态环境造成 一定影响。
对电网的依赖
风能具有不稳定性，因此需要依赖电网进行调节和平衡，对电网的 运行管理提出了更高的要求。
02
风力发电技术
风力发电机组
01
02
03
04
风力发电机组是风力发电的核 心设备，包括风轮、发电机、
塔筒等部分。
风轮将风能转化为机械能，通 过传动系统传递给发电机，最
终转化为电能。
风力发电机组有水平轴和垂直 轴两种类型，其中水平轴风力
发电机组应用更为广泛。
风力发电机组的功率和转速受 风速影响，需要进行调速和限
幅控制。
风力发电控制系统
清洁环保
风力发电是一种清洁能源，不会 排放有害气体和废弃物，对环境 友好。
风力发电的优势与局限性
节能高效
随着技术的不断进步，风力发电机组的效率和可靠性不断提高，能够满足大规 模能源需求。
地理分布广泛
风能分布广泛，尤其在沿海地区和内陆高原地区，具有较大的开发潜力。

市场推广
通过宣传和教育，提高公 众对风力发电的认识和接 受度，促进市场需求增长。
竞争环境
建立公平的市场竞争机制， 打破行业垄断，吸引更多 企业参与风力发电项目的 投资和建设。
技术瓶颈与解决方案
风能利用率
提高风能利用率，降低风能成本， 是当前面临的主要技术瓶颈之一。 通过研发更高效的风力发电机组 和优化风电场布局，可以提高风
能利用率。
储能技术
发展储能技术，解决风能发电的 间歇性问题。例如，利用电池、 抽水蓄能、压缩空气储能等技术， 实现风电场的有功无功调节和调
峰填谷。
输电技术
加强智能电网建设和特高压输电 技术的研究，提高风电并网和远
距离输送的能力，降低损耗。
环境保护与可持续发展
减少对环境的影响
合理规划风电场的位置和规模，避免对生态环境造成破坏。同时，加强风电设备 的噪声和视觉污染治理，降低对周边居民的影响。
海上风电发展
海上风电资源丰富，未来 将有更多的海上风电项目 建成并投入运营。
风力发电与其他可再生能源的结合
太阳能与风能结合
太阳能和风能在时间和地域上具有互补性，结合使用可提高可再 生能源的利用效率。
风能与水能结合
风能和水能在动力转换上具有协同效应，结合使用可实现能源的更 高效利用。
多种可再生能源的综合利用
风力发电的优势与局限性
优势
风能是一种可再生能源，利用风能发电有助于减少化石燃料的消耗和温室气体 排放；风能分布广泛，可利用风能资源丰富；风力发电技术成熟，经济效益逐 渐提高。
局限性
风能是一种间歇性能源，受天气和季节影响较大；风力发电机组占地面积较大， 对土地资源有一定需求；风力发电在建设、维护和拆除过程中可能对环境产生 一定影响。

小型风力发电机是一种用于家庭和小型商业 场所的小型风力发电机，具有灵活性和便携 性，但能量转换效率较低。
02
风力发电机结构概述
风轮叶片
01
叶片是风力发电机的核心部件之一，它的主要作用是将风能转化为机械能，进 而通过齿轮箱与主轴将机械能传递到发电机，最终将机械能转化为电能。
02
叶片的材料通常为玻璃纤维或碳纤维复合材料，具有轻质、高强度、耐腐蚀等 特点。
成部分。
风力发电机的技术发展趋势
大容量、高可靠性、长寿命、低噪音、低成本、易维护等特性 是风力发电机技术发展的趋势。
直驱式、半直驱式、双馈式等不同类型风力发电机组的技术特 点与优劣日益凸显。
海上风电技术逐渐成熟，为海上风电的大规模开发提供了技术 支持。
风力发电机的市场前景与发展趋势
全球风力发电市场规模持续扩大，海 上风电市场潜力巨大。
03
叶片的形状和尺寸会根据不同的风力发电机型号而有所不同，但通常都采用空 气动力学设计，以最大化捕风效率。
齿轮箱与主轴
齿轮箱是风力发电机中连接风轮叶片和发电机 的关键部件，它能够将风轮叶片的转速提升到 发电机所需的速度。
主轴是连接齿轮箱和发电机的轴，它能够将齿 轮箱传递的机械能传递到发电机。
齿轮箱和主轴通常采用高强度钢材制造，并经 过精密加工和热处理，以确保其高精度和长寿 命。
气动性能
叶片的气动性能与形状、材料和表面处理等有关 ，需要经过复杂的气动分析和优化。
强度与稳定性
叶片需要承受复杂的气动载荷和旋转离心力，因 此需要具备足够的强度和稳定性。
齿轮箱与主轴的工作原理
主轴设计
主轴是连接风轮叶片和发电机的重要部件，需要具备高强度、稳 定性和耐疲劳性能。

中航工业风力发电产业的发展思路
发挥集团优势，统一组织、统一规划、统一协调，举全集团之力，全 面进入风电产业。
以风电场的建设和运营为牵引、以风机和关键零部件的制造为核心， 形成全价值链发展风电产业的模式，打造专业化公司，形成集团风电 品牌。
从研发、市场、管理多方面入手，加强对风电装备配套单位综合能力 的建设，提高核心配套能力。具体依据以下几个发展原则：
142044 100
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2008年世界排名前十位的整机制造商
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二、中国风力发电发展状况
中国风能资源
本世纪初据中国气象科学研究院的初步测算在陆 地离地10m高度处，可开发储量为2.53亿kW；海上可 开发储量为7.5亿kW，总计约10亿kW。
2007年中国气象局风能太阳能研究中心提供的最 新测算数据，中国可开发利用风力资源约为：陆上8亿 千瓦，近海1.5亿千瓦。主要分布在东南沿海及附近岛 屿，内蒙古、新疆和甘肃河西走廊，以及华北和青藏 高原的部分地区。
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1.5 MW直驱型风电机组
首台样机已于2005年5月安 装投入试运行(国产化率40%)
2007年，1.5MW直驱型风机 已装官厅水库33台（其中有 3台用惠腾叶片）
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混合型风力发电机组
混合型风力发电机组采用单级齿轮 箱和中速发电机，是直驱型风力发电机 组和传统型风力发电机组的混合。混合 型风力发电机组也要采用全功率变流器。
• 在国有制造企业纷纷转向风电产业的同时，国外知名的风电 设备制造企业也看好中国的风电市场，纷纷在中国设立制造厂 • 丹麦的Vestas公司、美国GE能源集团、西班牙Gamesa公司印 度Suzlon公司独资建厂。 • 西班牙EHN集团、德国Nordex公司等采取合资建厂的方式。 • 国外品牌风电机组进入风电市场对于中国风电产业既是一种 促进，也是一种挑战，竞争的市场环境是对国内企业自身能力 的一种考验。

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水平轴风力
机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风 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
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112 垂直轴风力机
垂直轴风力机的风轮围绕一个垂直轴旋转, 其主要优点是可以接受来自任何方向的风, 因而当风向改变时,无需对风。由于不需要 调向装置,使它们的结构设计简化。
通过叶片的气流总是保持流线形式的，可保护桨叶。 三个叶片都有独立的刹车系统、控制灵活、安全。 功率调整变的简单
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风力发电机组内部结 构
变速风力发电机的优点
桨距调整更加便利 更高的动态速度控制和可变转差使风轮叶片的调节时间变成为可能 。这就使变桨系统工作次数减少。 噪音减少，速度的特定调节方式，使得减少噪音的发出成为可能。 机械元件的冲击载荷减少
全球市场份额(%)
12.5 12.4 9.2 8.5 7.2 6.7 6.5 6.4 5.9 3.4 18.5
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第二部分风力发电机的类型 和结构
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从能量转换的角度看, 风力发电机组由两大部分组成。 其一是风力机, 它的功能是将风能转换为机械能; 其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。
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风力机的结构组 成
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风力机的结构组 成
控制系统
主控制系统（变频控制系统） 变桨控制系统 偏航控制系统 温度、压力、振动的监控和报
警系统
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风力机的结构组成
其他厂家的风机结构
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风能转换的限制因素
风能的转换受到风速、风向、地形、气候等多种因素的 影响，需要合理选址和设计才能实现高效的风能转换。
风力发电机的工作流程
风车叶片旋转
当风吹过风车叶片时，叶片受到风的压力而 旋转。
发电机发电
传动系统
叶片的旋转通过传动系统传递到发电机转子 ，使转子转动。
发电机转子的转动产生电流，经过整流和变 压后输出电能。
噪音和视觉污染
大型风力发电机组在运行过程中会产生噪音，对周围居民 的生活产生影响，同时其庞大的结构和旋转的叶片也会对 景观造成一定程度的视觉污染。
维护和管理难度
风力发电机组通常安装在偏远地区，维护和管理难度较大 ，需要专业的技术和设备支持。
风力发电的未来发展
技术进步
随着科技的进步，风力发电机组的设计和制造技术将不断改进，提高 发电效率和降低成本。
家庭小型风力发电机
家庭小型风力发电机是一种适 合家庭和小型企业使用的风力
发电机。
家庭小型风力发电机通常采用 垂直轴或水平轴设计，利用小
型涡轮机产生电能。
家庭小型风力发电机具有较低 的安装和维护成本，能够满足 家庭和小型企业的电力需求。
家庭小型风力发电机的发电量 较小，通常用于补充电网供电 或为独立电力系统提供电力。
交通设施
在高速公路、铁路等交通设施中，可以利用 风能资源建设风力发电设施，为交通设施提 供辅助电力。
D
风力发电机的工作原理
02
风能转换原理
01
风能转换原理
风力发电机利用风的动力，通过风车叶片的旋转驱动发 电机转子的转动，从而将风能转换为电能。
02
风能的特点
风能是一种清洁、可再生的能源，具有分布广泛、能量 密度低、不稳定等特点。

c）切向式转子磁路结构 d）混合转子磁路结构
b）磁极凹入式
图13-5 径向磁通永磁风力发电机
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
13.风力发电机
二、直驱式永磁风力发电机——结构类型
图13-6 轴向磁通永磁风力发电机
图13-7 横向磁通永磁风力发电机
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
13.风力发电机
3）同步运行状态：此时n =ns, f2为零，转子中的电流为直流，电网与转子绕组之 间无功率交换，励磁变换器向转子提供直流励磁，此时可等效为同步发电机。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
13.风力发电机
三、双馈式异步风力发电机——基本方程
1.假定条件 2.基本方程
U 1 E1 I1(r1 jx1 )
3. 比较永磁风力发电机和双馈式异步发电机的结构差异。 4. 试分析直驱式永磁发电机中采用永磁材料所带来的问题。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
2
定速度，45段对应恒功率阶段。 0
1
ωs
并网阶段
恒功率阶段
4
5
3
ωn
ω
图13-20 双馈式异步发电机的运行区间
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
13.风力发电机
➢思考题
1. 低速运行对直驱式永磁风力发电机的设计提出了什么样 的要求？
2. 为什么双馈式异步发电系统变流器的体积、容量一般要 小于同功率等级直驱式风力发电系统变流器？
➢ 直驱式永磁风力发电机由定子 和转子两部分组成，定、转子 之间为气隙。
➢ 电机定子包括铁心和绕组，绕 组为三相对称绕组，各相绕组 轴线空间相差120角度。
➢ 电机转子包括转轴、转子轭和 永磁材料。

Coupling 联轴器
Electric Generator 发电机
Output Power
输出功率
Speed 速度
Controller 控制器
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装配一台风机 一台风机是由许多部分组成的？
塔架 机舱 变压器 叶轮 基础
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叶轮 叶轮被固定在大 的主轴上，大的 叶轮有三个吸收 风能的叶片，风 速足够大时就会 驱动叶轮旋转！
Cut-out or Furling
Velocity 截止或收叶速度
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Wind 风
Aero Turbine 航空涡轮机
Yaw Control
&
Pitch Control 偏航控制与变桨
控制
Wind Speed & Direction 风速与方向
Gearing 齿轮装置
Speed & Torque 速度与扭矩
使用水冷却时，冷水被导入一些隐藏 在发电机外壳里的管中。水冷却了发 电机加热了水本身。而散热器（如上 图）又利用周围环境的空气再将水冷 却。由此，水在冷却发电机的同时不 断的循环，温度却不会升高。
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叶轮 所有大型风机都有三个叶片 组成叶轮与主轴连接，而每 种风机的叶片长度都有所不 同。比如有一种风机叶片长 度为25-27米，而最大的风机 的叶片达到39米，这相当于 一懂13层的高楼！
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高速轴
发电机与齿轮箱是通过高速轴连 接的. 高速轴转动并不像主轴那样具有 很大的扭矩
这就是高速轴看起来很细的原因。 另一方面，高速轴转速很快， 达到了每分钟1500转
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机械刹车 一台风机有两套原理不同的刹车： 一套是叶尖刹车，另一套是机械 刹车。
机械刹车被安装在发电机与齿轮箱之间 的高速轴上，它仅仅被用在当叶尖刹车 失败需要紧急刹车时。当风机在停机检 修状态时，启动刹车装置以避免因风机 突然启动而产生的隐患。

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1.5MW机组具有较好的防尘和密封性能;
叶片、风轮罩和轮毂表面都喷涂高附着力、耐腐蚀防护层， 能够保证这些零部件在机组寿命期限内不受腐蚀破坏。同 时针对沙尘暴环境，防护层中添加了性能较好的耐磨剂， 使机组能够很好的抵御沙尘的冲刷。
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主要零部件简介（续）
6）主要零部件简介
由叶片和轮毂组成 是机组中最重要的部件：决定性能与成本 目前多数是上风式，三叶片；也有下风式，两叶片 叶片与轮毂的连接：固定式，可动式 叶片材料
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主要零部件简介（续）
由风力发电机中的旋转部分组成。主要包括低速轴、 齿轮箱和高速轴，以及支撑轴承、联轴器和机械刹车。
——海上风力机
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组合成多 种机型
海上机组
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风力发电机组功率曲线
1600 1400 1200 1000
800 600 400 200
0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
HEAG-HW77/1500标准功率曲线 (1.225kg/m3)
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三、风力发电机组基础知识
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1、概论
• 1.1 风力发电机简介 • 1.2 风力发电机设计总论 • 设计过程 • 风力发电机组机构形式 • 机组载荷
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1.1 风力发电机组简介
1）风力发电机 能量转化装置：风能 电能
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几点说明：
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利：风电的突出优点是环境效益好,不排放任何有害气体和 废弃物.风电场虽然占了大片土地,但是风电机组基础的使用 面积很小,不影响农田和牧场的正常生产.而且多风的地方往 往是荒滩或山地,建设风场的同时也开发了旅游资源.

提升风电并网性能
智能电网技术可以提升风电并网性能，解决风电间歇性问题，提高 电网稳定性。
促进能源互联网发展
智能电网与风力发电的融合发展可以促进能源互联网的发展，实现 能源的互联互通和优化配置。
绿色能源政策对风力发电的推动作用
政策支持力度加大
随着全球对气候变化和环境保护的重视程度不断提高，各 国政府纷纷出台绿色能源政策，加大对风力发电的支持力 度。
工作原理
性能参数
列出风力发电机组的主要性能参数， 如功率、效率、额定风速等，并解释 其含义和影响。
详细解释风力发电机组的工作原理， 包括风能捕获、能量转换和电能输出 等过程。
风力发电控制系统
01
02
03
控制策略
介绍风力发电系统的常用 控制策略，如最大功率跟 踪控制、恒速恒频控制等 。
控制系统组成
阐述风力发电控制系统的 基本组成，包括传感器、 控制器、执行器等。
提高风能利用率
高效能风电机组能够更好地捕捉风能，提高风能利用率，从而增 加发电量。
降低度电成本
高效能风电机组的发电效率更高，可以降低度电成本，使风电更 具竞争力。
保证风电稳定性
高可靠性风电机组可以保证风电的稳定性，减少设备故障和维护 成本。
智能电网与风力发电的融合发展
实现可再生能源的高效利用
智能电网技术可以实现可再生能源的高效利用，优化能源结构， 提高能源利用效率。
海上风力发电
定义
海上风力发电是指利用海洋上的风能资源建设大型风力发电设施 。
特点
海上风能资源丰富，风速稳定，发电量大，适合建设大型风电场。
案例
欧洲北海地区是全球最大的海上风力发电区域，其中英国、德国和 荷兰等国家在海上风电领域发展迅速。

发电机输出的电能经过整流和滤 波后，可以供给负载使用或并入 电网。
发电机通常采用交流发电机或直 流发电机，根据实际需求选择不 同的类型。
当风车旋转带动发电机转子旋转 时，发电机内部磁场发生变化， 产生感应电动势，从而输出电能 。
04
风力发电机的维护与保养
定期检查和维护
定期检查
风力发电机需要定期进行全面检 查，包括叶片、齿轮箱、发电机
齿轮箱是风力发电机中的重要组 成部分，用于将低速旋转的风车
转换为高速旋转的机械能。
齿轮箱通常由多级齿轮组成，通 过不同级数的齿轮传动，实现增
速作用。
齿轮箱的增速比决定了风车旋转 速度和发电机输出电流的频率， 是风力发电机性能的关键参数之
一。
发电机将机械能转换为电能
发电机是风力发电机中的核心部 件，用于将机械能转换为电能。
塔筒内部还安装有电缆和控制系 统等设备，以实现电能输出和控
制功能。
其他部件
其他部件包括偏航系统、冷却系统、润滑系统等辅助设备， 它们各自承担着不同的功能，以保证风力发电机的正常运行 。
偏航系统负责驱动风轮旋转，以适应不同的风向变化；冷却 系统负责将发电机和其他部件产生的热量散发出去；润滑系 统则负责为齿轮箱和其他需要润滑的部件提供润滑油。
设备安全
在维护和检修风力发电机时，需要确保设备的安全，避免因 操作不当导致设备损坏或人员伤亡。
05
风力发电机的未来发展
技术创新与改进
高效风轮设计
通过改进风轮叶片的形状、材料和结构，提高风能转换效率。
先进控制系统
采用先进的传感器和算法，实时监测和调整风力发电机的运行状态，提高发电效率和稳定性。
复合材料应用
降低成本和环境影响

分布式风电技术的应用
分布式风电技术的应用场景广泛，如农村、岛屿、城 市等地区。在实践中，分布式风电技术的应用已经取 得了一定的成果。例如，在丹麦等国家，分布式风电 已经成为主要的供电方式之一；在国内，也有越来越 多的企业和个人开始利用分布式风电技术实现自给自 足的供电方式。分布式风电技术的应用有助于提高能 源利用效率和降低碳排放量，为推动可持续发展做出 了积极贡献。
靠性，维护成本相对较低。
02
垂直轴风力发电机
垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机不同，其风轮轴与地面垂直，利
用风向旋转风轮叶片发电。垂直轴风力发电机具有较广的风能利用率范
围，尤其适合在低风速地区使用。
03
大型和小型风力发电机
根据功率大小，风力发电机可分为大型和小型两类。大型风力发电机通
常用于并网发电，而小型风力发电机则适用于家庭、小型商业和离网应
Part
02
风力发电机系统组成
风力发电机组的主要部件
风轮
捕获风能并将其转换为机械能的 主要部件，包括叶片和轮毂。
塔筒
支撑整个风力发电机组，包括风 轮、齿轮箱和发电机，使其能够 捕获风能。
齿轮箱
将风轮的低转速提升到发电机所 需的高转速，以驱动发电机产生 电能。
发电机
将风轮捕获的机械能转换为电能 ，通过磁场和导线的相对运动产 生电流。
维修更换
对损坏或磨损严重的部件进行 维修或更换，保证系统性能。
备件管理
建立备件管理制度，储备必要 的备件，确保维护保养工作的
顺利进行。
风力发电机系统的故障诊断与处理
故障识别
通过监控系统或其他手段，及时发现风力发电机 系统的异常情况。
故障诊断
采用专业的诊断工具和方法，对故障进行准确定 位和性质判断。

偏航驱动装置偏航驱动电动机一般选用转速较高体积小的电动机但由于偏航驱动所要求的输出转速又很低多采用多级行星轮系传动以实现大速比紧凑型传动的要求以满足偏航动作要偏航驱动电机偏航驱动电机偏航减速器偏航减速器21偏航制动装置风机机械液压系统对偏航刹车的控制偏航系统未工作时刹车片全部抱闸机舱不转动
1
目录
1
主轴起支承轮毂及叶片，传递扭矩到增 速器的作用，主轴轴承主要承受径向力， 其性能的好坏不仅对传递效率有影响， 而且也决定了主传动链的维护成本，所 以要求具有良好的调心性能、抗振性能
11
和运转平稳性。
风电机组齿轮箱
齿轮箱是风电机组传动系统中的主要部
件，需要承受来自风轮的载荷，同时要
承受齿轮传动过程产生的各种载荷。需
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雷电保护装置
雷电保护爪主要由三部分组成，按照安装顺序从上到下 依次是垫片压板，碳纤维刷和集电爪。
31
雷电保护装置
雷电保护装置在变桨装 置中的具体位置见右图， 在大齿圈下方偏左一个 螺 栓 孔 的 位 置 装安第装位一置 个 工保作护原理爪，然后120度等分 安装另外两个雷电保护 爪。 雷电保护装置可以有效的将作用在轮毂和叶片上的电流通过集电爪导到地面，
偏航驱动部件一般由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安
装在主机架上。
偏航驱动电机
根据传动比要求，偏航减速器通常需 要采用3-4级行星轮传动方案，继承了行星 齿轮传动平稳的优点。
偏航驱动电动 机一般选用转 速较高体积小 的电动机但由 于偏航驱动所
偏航减速器 21
偏航系统相关部件
偏航制动装置
最此后外风还机需采要用一机个械冗刹余车限 系位统开使关叶（轮用停于止95转°动限。

整流器 转子励磁绕组 定子三相绕组
励磁调节器
蓄电池组
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图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图
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（4）电容自励式异步发电机
电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电
容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路
示意图如下图所示。
A B
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双馈异步发电机工作原理：
异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当
发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频
率关系可表示为：
f1
p n 60
f2
式中
f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速；
风力等级与风速的关系： N 0.1 0.824N 1.505
式中 VN——N级风的平均风速(m/s)； N——风的级数。
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4、风能
（1） 风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动
能。
E 0.5 3
表达式为：
（2） 风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。
SSW S
SSE
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2、风速
由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以 风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。
3、风力
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象， 按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级， 从静风到飓风共分为13个等级。