風力直流發(fā)電機原理圖：24v直流發(fā)電機原理接線圖

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風力直流發(fā)電機原理圖：風力發(fā)電原理結(jié)構(gòu)圖

　　風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風力發(fā)電機組由兩大部分組成：其一是風力機，它的功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

　　小型風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。它一般由風輪、發(fā)電機、尾舵和電氣控制部分等構(gòu)成。常規(guī)的小型風力發(fā)電機組多由感應(yīng)發(fā)電機或永磁同步發(fā)電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成。在風的吹動下，風輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。風輪的輪轂固定在發(fā)電機軸上，風輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動了發(fā)電機軸的旋轉(zhuǎn)，帶動永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220V的交流電，供給用戶的家用電器。

　　風力發(fā)電機根據(jù)應(yīng)用場合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風力機。離網(wǎng)型風力發(fā)電機亦稱獨立運行風力機，是應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)的風力機，一般功率較小。獨立運行風力機一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風力機發(fā)電系統(tǒng)。這種獨立運行系統(tǒng)可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個村落的供電系統(tǒng)，也可以是幾十到幾百W的小型風力發(fā)電機組以解決一家一戶的供電

　　獨立運行小型風力發(fā)電系統(tǒng)

　　3 小型風力發(fā)電機的電力變換裝置

　　由于風能的隨機性，發(fā)電機所發(fā)出電能的頻率和電壓都是不穩(wěn)定的，以及蓄電池只能存儲直流電能，無法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負載用電，需要在發(fā)電機和負載之間加入電力變換裝置，這種電力變換裝置主要由整流器、逆變器、控制器、蓄電池等組成。

　　3.1 整流器

　　整流器的主要功能是對風力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風電支路中整流器的另外一個重要的功能是，在外界風速過小或者基本沒風的情況下，風力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導通方向只能是由風力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風力發(fā)電機的反向供電。

　　獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，有風輪驅(qū)動的交流發(fā)電機，需要配以適當?shù)恼髌鳎拍軐π铍姵爻潆?。根?jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種?？煽卣髌髦饕獞?yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。

　　3.2 逆變器

　　逆變器是在電力變換過程中經(jīng)常使用到的一種電力電子裝置，它的主要作用就是將蓄電池存儲的或由整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d所能使用的交流電。目前獨立運行小型風電系統(tǒng)的逆變器多數(shù)為電壓型單相橋式逆變器。在風力發(fā)電中所使用的逆變器要求具有較高的效率，特別是輕載時的效率要高，這是因為風電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運行在輕載狀態(tài)。另外，由于輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態(tài)改變而變動較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內(nèi)正常工作，而且要保證輸出電壓的穩(wěn)定。

　　過去風力機的控制器和逆變器是分開的，現(xiàn)在多數(shù)廠家都采用控制器和逆變器一體化的方案?？刂破鲗l(fā)電機發(fā)出的交流電整流后，充入蓄電池組。逆變器將蓄電池組輸出的直流電轉(zhuǎn)換成220V交流電，并提供給用電器。

　　逆變器按輸人方式分為兩種：

　?。?）直流輸入型：逆變器輸入端直接與電瓶連接的產(chǎn)品；

　　（2）交流輸入型：逆變器輸入端與風力發(fā)電機組的發(fā)電機交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。

　　逆變器的保護功能有：

　　（1）過充保護：當風速持續(xù)較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過額定電壓1.25倍時，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。

　?。?）過放保護：當風速長期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時，逆變器停止工作，不再向外供電。當風速再增高，蓄電池組電壓恢復到額定電壓的1.1倍時，逆變器自動恢復工作、向外供電。

　　3.3 蓄電池

　　在獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當風力較強或負荷減小時，可以將來自風力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當風力較弱、無風或用電負荷增大時，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風力發(fā)電機所發(fā)電能的不足，達到維持向負荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。

　　蓄電池主要有普通蓄電池、堿性鎘鎳蓄電池以及閥控式密封鉛酸蓄電池三類。普通鉛酸蓄電池由于具有使用壽命短、效率低、維護復雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被閥控式密封鉛酸蓄電池所淘汰。閥控式密封鉛酸蓄電池整體采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長，正常運行時無須對電解液進行檢測和調(diào)酸加水，又稱為免維護蓄電池，目前已被廣泛地應(yīng)用到郵電通信、船舶交通、應(yīng)急照明等許多領(lǐng)域。堿性鎘鎳蓄電池的特點是體積小、放電倍率高、運行維護簡單、壽命長，但由于它單體電壓低、易漏電、造價高且容易對環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，現(xiàn)主要應(yīng)用在電動工具及各種便攜式電子裝置上。

　　目前在大多數(shù)風電系統(tǒng)或太陽能光伏系統(tǒng)中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風電系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對閥控式密封鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導致蓄電池的崩潰。在大多數(shù)的風電系統(tǒng)中，都是由CPU來監(jiān)測并控制蓄電池的充放電過程，較多采用分階段法來優(yōu)化充電過程。因為分階段充電過程符合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，能很好地保護蓄電池，延長其使用壽命。

　　4 最大輸出功率調(diào)節(jié)方式

　　在風力發(fā)電中，由于風速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。風速的變化使風力機輸出機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動而使電能質(zhì)量下降，使風力發(fā)電機的輸出電能質(zhì)量穩(wěn)定成為風力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。所以改善風力發(fā)電技術(shù)，提高風力發(fā)電機組的效率，對于最充分地利用風能資源有著十分重要的意義。

　　根據(jù)風力發(fā)電供電方式的不同將功率輸出定性地分為兩類：調(diào)節(jié)機械功率，在風力機控制回路加調(diào)節(jié)裝置使風力機輸出機械功率穩(wěn)定；調(diào)節(jié)電功率，在發(fā)電機的控制部分加入反饋，使用快速響應(yīng)的控制器和優(yōu)化控制策略來控制發(fā)電機輸出功率。

　　4.1 定漿距失速調(diào)節(jié)

　　失速調(diào)節(jié)方式是指漿葉本身所具有的失速特性，當風速高于額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使?jié){葉的表面產(chǎn)生渦流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲。小型風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制擾動法失速調(diào)節(jié)一般用于恒速運行的風力發(fā)電機中。

　　4.2 變漿距調(diào)節(jié)

　　為了提高風能轉(zhuǎn)換效率和保證風力機輸出功率平穩(wěn)，可以通過漿距調(diào)節(jié)使風力機適應(yīng)風速的變化，達到最優(yōu)的功率輸出。變漿距風力發(fā)電機組不完全依靠葉片的氣動特性，而主要是依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來調(diào)節(jié)風能的轉(zhuǎn)換效率。在靜止時節(jié)距角為90°，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生力矩，整個槳葉相當于一塊阻尼板。當達到啟動風速時，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動，氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開始轉(zhuǎn)動。在額定風速以下時，葉片的攻角處于0°附近，此時葉片角度受控制精度的影響，變化范圍很小，可等同于定漿矩風機。在額定風速以上時，變漿距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機的功率在允許范圍之內(nèi)。變漿距風力機啟動風速比較低，這對增加發(fā)電量幾乎沒有什么意義，停機時對傳動機構(gòu)沖擊小，風力機正常工作時主要采用功率控制。

　　4.3 主動失速調(diào)節(jié)

　　這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風速時，采用變漿距調(diào)節(jié)，可達到更高的氣動效率；當風機達到額定功率后，風機按照變漿距調(diào)節(jié)時風機調(diào)節(jié)漿距相反的方向改變漿距，這種調(diào)節(jié)將引起葉片攻角的變化，從而導致更深層次的失速，可使功率輸出更加平滑。這種調(diào)節(jié)方式綜合前兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點，類似變漿距調(diào)節(jié)，但不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，錦工時，整個機組受到的沖擊也較小。

風力直流發(fā)電機原理圖：風力發(fā)電機工作原理及原理圖

　　現(xiàn)代變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)距(風輪轉(zhuǎn)動慣量),通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng).如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電.

　　最簡單的風力發(fā)電機可由葉輪和發(fā)電機兩部分構(gòu)成,立在一定高度的塔干上,這是小型離網(wǎng)風機. 最初的風力發(fā)電機發(fā)出的電能隨風變化時有時無,電壓和頻率不穩(wěn)定,沒有實際應(yīng)用價值.為了解決這些問題,現(xiàn)代風機增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等.

　　齒輪箱可以將很低的風輪轉(zhuǎn)速(1500千瓦的風機通常為12-22轉(zhuǎn)/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速(發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速通常為1500轉(zhuǎn)/分).同時也使得發(fā)電機易于控制,實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出.偏航系統(tǒng)可以使風輪掃掠面積總是垂直于主風向.要知道,1500千瓦的風機機艙總重50多噸,葉輪30噸,使這樣一個系統(tǒng)隨時對準主風向也有相當?shù)募夹g(shù)難度.

　　風機是有許多轉(zhuǎn)動部件的,機艙在水平面旋轉(zhuǎn),隨時偏航對準風向;風輪沿水平軸旋轉(zhuǎn),以便產(chǎn)生動力扭距.對變槳矩風機,組成風輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn),以便適應(yīng)不同的風況而變槳距.在停機時,葉片要順槳,以便形成阻尼剎車.

　　早期采用液壓系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)葉片槳矩(同時作為阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用),現(xiàn)在電變距系統(tǒng)逐步取代液壓變距.

　　就1500千瓦風機而言,一般在4米/秒左右的風速自動啟動,在13米/秒左右發(fā)出額定功率.然后,隨著風速的增加,一直控制在額定功率附近發(fā)電,直到風速達到25米/秒時自動停機.

　　現(xiàn)代風機的設(shè)計極限風速為60-70米/秒,也就是說在這么大的風速下風機也不會立即破壞.理論上的12級颶風,其風速范圍也僅為32.7-36.9米/秒.

　　風機的控制系統(tǒng)要根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制,在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行,自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng);同時*齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度,液壓系統(tǒng)的油壓,對出現(xiàn)的任何異常進行報警,必要時自動停機,屬于無人值守獨立發(fā)電系統(tǒng)單元.

　　一種新型的風力發(fā)電機原理圖

風力直流發(fā)電機原理圖：風力發(fā)電機工作原理示意圖

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　　熱心網(wǎng)友：風力發(fā)電機=將風能-》機械能（葉片的轉(zhuǎn)動，齒輪箱變速）-》電能（發(fā)電機）目前大型風機高度在60-120米（中國最高的80米）?主流機型是變速恒頻，即轉(zhuǎn)子勵磁可以控制。葉片的轉(zhuǎn)速+轉(zhuǎn)子勵磁的轉(zhuǎn)速=發(fā)出的交流電的頻率。故當風速變化時，控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)子的勵磁頻率發(fā)生變化，所以發(fā)出來的交流電的頻率不變。這種風力機具體電路是：電網(wǎng)的電通給變頻器，變頻器將電網(wǎng)電變成高壓直流電，在控制系統(tǒng)的控制下，將直流電變?yōu)樗桀l率的交流電，供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子。定子發(fā)出來的電經(jīng)過主開關(guān)（同步開關(guān)）供給變壓器（連接電網(wǎng)）并傳輸。還有定漿距風力機（老式）：葉片失速調(diào)節(jié)，葉片轉(zhuǎn)速不隨風速改變，故不需要變頻器亦能發(fā)出恒定頻率的電?但效率低。目前的研究方向是變速變頻：即葉片隨風速發(fā)生變化，發(fā)電機出來的交流電頻率也變化。風電由于風的不確定性（風速變化），主要難點是解決風速變化所引起的發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化帶來的電的頻率的變化。

　　熱心網(wǎng)友：現(xiàn)代變速雙饋風力發(fā)電機的工作原理就是通過葉輪將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械轉(zhuǎn)距(風輪轉(zhuǎn)動慣量),通過主軸傳動鏈,經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速后,通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網(wǎng).如果超過發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài),通過變流器向電網(wǎng)饋電. 最簡單的風力發(fā)電機可由葉輪和發(fā)電機兩部分構(gòu)成,立在一定高度的塔干上,這是小型離網(wǎng)風機. 最初的風力發(fā)電機發(fā)出的電能隨風變化時有時無,電壓和頻率不穩(wěn)定,沒有實際應(yīng)用價值.為了解決這些問題,現(xiàn)代風機增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等. 齒輪箱可以將很低的風輪轉(zhuǎn)速(1500千瓦的風機通常為12-22轉(zhuǎn)/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速(發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速通常為1500轉(zhuǎn)/分).同時也使得發(fā)電機易于控制,實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出.偏航系統(tǒng)可以使風輪掃掠面積總是垂直于主風向.要知道,1500千瓦的風機機艙總重50多噸,葉輪30噸,使這樣一個系統(tǒng)隨時對準主風向也有相當?shù)募夹g(shù)難度. 風機是有許多轉(zhuǎn)動部件的,機艙在水平面旋轉(zhuǎn),隨時偏航對準風向;風輪沿水平軸旋轉(zhuǎn),以便產(chǎn)生動力扭距.對變槳矩風機,組成風輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn),以便適應(yīng)不同的風況而變槳距.在停機時,葉片要順槳,以便形成阻尼剎車. 早期采用液壓系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)葉片槳矩(同時作為阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用),現(xiàn)在電變距系統(tǒng)逐步取代液壓變距. 就1500千瓦風機而言,一般在4米/秒左右的風速自動啟動,在13米/秒左右發(fā)出額定功率.然后,隨著風速的增加,一直控制在額定功率附近發(fā)電,直到風速達到25米/秒時自動停機. 現(xiàn)代風機的設(shè)計極限風速為60-70米/秒,也就是說在這么大的風速下風機也不會立即破壞.理論上的12級颶風,其風速范圍也僅為32.7-36.9米/秒. 風機的控制系統(tǒng)要根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制,在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行,自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng);同時*齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度,液壓系統(tǒng)的油壓,對出現(xiàn)的任何異常進行報警,必要時自動停機,屬于無人值守獨立發(fā)電系統(tǒng)單元.

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