风力发电机原理及风力发电技术

董成威

辽宁龙源新能源发展有限公司      辽宁省沈阳市    110013

摘要：风能作为一种清洁能源，在我国有一定的发展基础。随着能源结构的不断调整，风力发电将具有广阔的发展前景。风力发电正在世界上形成一股热潮，因其燃料来源于大自然，无需人力就可获取，并且不会产生辐射或空气污染。风力发电使用自然能源，比火电、核电等发电更绿色、环保。

关键词：风力发电；原理；技术

随着时代的不断发展，清洁能源技术不断提升，在众多清洁能源中，风能作为一种可持续发展的可再生能源，取之不尽，用之不竭，而且具有广阔的发展空间，是迄今为止世界上最有发展潜力的清洁能源之一。当前，风力发电机原理与风力发电技术是清洁能源行业的一项重要研究课题。

一、风力发电现状

风力发电是能源开发企业的重点开发项目。经过多年的发展，风力发电取得了良好的效果。当前，风力发电技术发展现状较良好。近年来，风力发电技术的单机容量不断增加，能满足更多场合的发电需求。同时，风力发电技术需投入较高的成本，在日常运营中风力发电运营成本较少。此外，随着能源公司的不断发展和壮大，风力发电在整个发电行业中占有比例也随之增大。

从技术发展角度发现，在我国目前的市场经济环境下，风电企业已从最初的单纯引进阶段到国外技术经革新本土化后应用，最后到自主创新阶段，已有基本的技术积累。特别是兆瓦级机组在国内市场的普及，标志着我国自主研发能力进入了一个新阶段。目前，我国风电机组企业已基本占领国内市场，并积极向国际市场挺进，然而，包括主轴在内的高科技含量部件仍大规模依赖进口。

二、风力发电机工作原理

风力发电机是一种将风能转化为机械能，将机械能转化为电能的电力设备。它是以太阳为热源，大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电使用自然能源。风力发电原理是利用风力带动风车叶片旋转，然后通过增速机提高旋转速度，推动发电机发电。根据目前的风力发电机技术，风速约为每秒三公尺，然后就可发电。风力发电正在成为世界上的一股热潮，因风力发电无燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

由于风力发电机风量不稳定，所以其输出为13～25V变化的交流电，经充电器整流，再对蓄电瓶充电，以便将风力发电机产生的电能转换为化学能。然后使用带保护电路的逆变电源，将电瓶中的化学能转换为交流220V市电，以确保稳定使用。机械连接和功率传递：水平轴风机桨叶通过齿轮箱和高速轴连接万能弹性联轴节，将转矩传递到发电机传动轴，该联轴节应根据良好的吸收阻尼及震动特性，吸收适量的径向、轴向、一定角度偏移，该联轴器能防止机械装置过载。另一种是不通过齿轮箱直接连接到电机上的直驱风机桨叶的风机电机类型。

三、风力发电的特点和相关技术

1、特点。风力发电的主要特点在于风能是一种可再生的清洁能源，不消耗任何不可再生能源，能在一定程度上改善环境问题，这是任何火力发电都无法比拟的优势。随着科技的不断发展及创新，许多高新技术被广泛应用于风力发电。因此，风力发电的效率及质量得到了极大的提高。目前，我国大中型风力发电机组已从20世纪80年代的50%提升到98%的高度，高于任何火电机组的可靠性及寿命。迄今为止，根据国内外风力发电技术的发展，风力单位的千瓦成本及单位电能价格都远低于传统火电，其成本低很多，所以其比常规发电方式更具市场竞争力。

2、相关技术。迄今为止，最常用的风力发电技术是矢量控制技术和模糊控制技术。其中，矢量控制技术主要用于通过矢量控制算法计算及控制定子相位值、电流频率等矢量参数，从而将风力发电中的直流转换为交流。与前者相比，模糊控制技术是迄今为止风力发电技术中较为先进的智能控制技术。事实上，模糊控制是利用计算机软件模拟人脑的思维模式，判断风向及风力变化经验等各种因素，获取信息，然后对获得的结果进行精确及完善，采用最可靠数据，已被广泛应用于风能资源丰富的地区。

四、风力发电机的分类

风力发电机分为三种类型：恒速风力发电机机、有限变速风力发电机、变速风力发电机。其中，恒速风力发电机采用笼型异步发电机原理，笼型异步发电机只能在较窄的额定转速范围内运行。笼型异步发电机系统结构简单、成本低、可靠性好，非常适合风力发电，在风力发电初期，主要使用笼型异步发电机，但笼型异步发电机的缺点也很明显，笼型异步发电机运转时的输入风功率不能太大或太小，若转速超过一定范围，则发电机不稳定。风速的波动意味着风力机的气动转矩也随之波动，但发动机的转速不变，风力机与发动机之间的轴承和齿轮箱将受到机械摩擦、疲劳应力影响，从而降低轴承及齿轮的使用寿命。此外，风力机的速度无法调节，在外部风力较大时无法使用，从而降低了其使用效率。有限变速风力发电机采用绕线式异步发电机工作，绕线式异步发电机转子外接一个可变电阻，以调节发电机转差率，从而实现有限变速运行，有效提高输出功率，同时，绕线式异步发电机采用变桨距调节和转子电流控制，能大幅提高性能和输出功率稳定性。然而，缺点是外接电阻消耗大量能量，从而大幅降低了电机功率。变速风力发电机可分为三种类型：有刷双馈异步发电机、电励磁同步发电机、永磁同步发电机。

双馈异步发电机是根据变速恒频控制在转子电路中实现，由于转子回路功率是由转速运行范围决定的转差功率，因此能减轻变频器重量及体积。然而，双馈发电机系统具有多级齿轮箱及电刷，会相互摩擦，产生噪声并影响部件的使用寿命。当电网故障时，定子及转子电流会突然加大，为保护变频器，将增加风力机的负荷。电励磁同步发电机通过调节逆变装置改变系统输出的有用、无用功率，由于电励磁同步发电机不使用齿轮，系统的效率及可靠性大幅提高。同时，它具有低噪声、电网电压闪变小等优点，但系统成本高，功率变换器损耗较大。永磁同步发电机具有上述两种发电机的优点，但发电机体积较大，且成本较高。永磁同步发电机采用直接驱动永磁发电机传动系统，简单高效，虽然成本高，但有很多优点，因而永磁同步发电机将成为未来风力发电机的主流。

五、风力发电技术的发展趋势

近年来，由于国家的重视和政府的扶持，我国风力发电技术发展迅速，许多地区建立了完善的风力发电场，在建设过程中，采用了新叶片技术、新发力风电机、新电力电子技术等智能优化风力发电系统，提高了风力发电系统的可靠性及恶劣环境下的安全性。

在研究过程中发现，一些巨型机使用延长叶片会增加运输及安装成本。因此，分段式叶片技术应运而生，很好地解决了运输及安装问题。同时，采用强化碳纤维提高叶片刚度，玻璃钢及热塑等混合纱丝制造叶片，缩短了叶片生产时间。无刷交流双馈异步电机、开关磁阻发电机、高压发电机的使用也降低了成本，提高了可靠性，方便了设备的维修养护，研发新型风力发电机仍是当前的一项重要任务。新型大功率变化器的研究与应用势在必行，与两电平变换器相比，多电平变换器大幅降低了功率器件的开关损耗，并提高了转换效率。同时，新型储能技术正日益引起人们的关注，在维持电网频率稳定方面发挥着重要作用。

尽管我国在风力发电技术研究方面取得了一些成就，但与一些欧洲国家相比，这方面仍存在差距。国外对风电机组及风电场的短长期发电预测进行了大量研究，取得了显著进步，我国应借鉴欧洲国家风能功率预测推广风电大规模利用的成功经验，大力开展相关研究，提高预测技术水平。

总之，能源问题是一个世界性难题，直接影响着社会发展和时代进步。为解决环境能源危机，我国加强了能源结构调整，进一步开发清洁能源。风能作为一种可再生能源，具有清洁、高效等一系列优点，所以近年来风力发电技术发展迅速。

参考文献：

[1]赵英庆.风力发电机原理及风力发电技术[J].科技资讯，2015，13(25):25-26.