Ｑ！ Ｑ：垫 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 工业技术 四级变速风力发电技术分析研究 王绎 （中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院 云南昆明 ６ ５００５１） 摘要：随着人类社会的发展，地球上的常规能源正面临着枯竭的危险。发展利用风能等可再生能源已成为我目长期的能源战略，随之对 风力发电技术的要求也越来越高。本文通过论述风力发电和四衄变速风力发电的工作原理，指出四级变速风力发电的计算方法，证明四 叛变速风力发电技术是一项能源利用率较高．操作简单可靠的风力发电技术。 关键词：四级变速 多级变速 风力发电 变速恒频 中图分类号：ＴＭ７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１２）０７（ｂ）一００６５－－０２ 早期的风能的利用率较低，我国风力 发电机由四部分组成：机头、转体、尾翼、叶 航电机的控制回路的处理器的处理带动风 发电技术领域对风能的利用率仅为可利用 轮叶片。（如图１）塔架起支撑作用，机头有变 风能的０．１％。随着经济的发展和科技的进 桨系统、轮毂、发电机组成，尾翼主要有测 步，对风能的利用率要求也越来越高，随着 风系统和偏航电机组成，叶轮叶片用来接 风力发电技术的改革创新，多级变速风力 收风力，转体使机头能够保持灵活地转动。 发电技术随之产生。风力是一种变化性强、 其中变桨系统的所有部件都安装在轮毂 无法人工调节的清洁能源，多级变速风力 上，发电机正常运行时所有部件都随轮毂 发电技术是一项全新的技术，能够保证风 以一定的速度旋转。 力发电机在多种风速下均能实现风能的最 风力发电机遵循这样一个工作流程： 大利用。 首先，叶轮叶片用来接收风力，风机的叶片 通过变桨轴承与轮毂相连，变桨系统通过 １风力发电的工作原理（如图１） 控制叶片的角度来控制风轮的转速，并通 风力发电的工作原理利用风力带动风 过机头发电机将风能转换为电能；其次，尾 车的叶片旋转，再通过变速机将叶片旋转 翼能使叶片始终对着风吹来的方向，测风 的速度进行提升，从而实现风力发电。风力 系统将测得的风向传到偏航电机，通过偏 图１ 风力发电机示意图 图２ 四级变速风力发电原理示意图 ６４ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 轮偏航对风，再次，机头发电机转子因其永 磁性，通过定子绕组切割磁力线产生电能。 ２四级变速风力发电技术的原理（如图２） 四级变速风力发电技术是多级变速风 力发电技术的一种，发电机主要由两台发 电机（小功率的发电机１和大功率的发电机 ２）、控制系统和变速机组成。（如图２所示）其 技术原理如下：大功率的发电机２的定子绕 组与电网相连，向电网输送频率为ｆｔ的工频 电流，转子绕组经由控制系统与小功率的 发电机１的定子绕组相连。当风吹向叶轮 时，通过变速机提速将叶轮的速度提高，通 过发电机组将风能转换为电能，从而实现 发电。 大功率的发电机２只有在风速较大时 才会运行，它具有强大的“合频”功能，能 够将转子绕组的电流频率和转子的旋转 频率相加，最终得出频率相加后的电流。 小功率的发电机１功率一般为发电机２的 １／４，当风速较小时，变速机只带动发电机 １运行，这时发电机２自动断开与变速机的 连接，直接由发电机１将输出的电流发送 到电网；当风速较大时，两台发电机都能 进行发电工作，发电机ｌ输出的电流会经 控制系统发送到发电机２的转子绕组上进 行“合频”，最终输出“合频”后的电流；这 样就能延长发电机２的使用期限，又能提 高发电机的使用效率。 控制系统主要作用是保持输出电流 频率的恒定，关系到风力发电的效率和 质量。它主要由传感器、安全保护单元、 监控单元、并网控制单元等组成。在风力 发电过程中，控制系统要进行监测发电 机１输向发电机２的电流频率，合并发电 机１和发电机２的电流频率，保护发电机 组的安全。 变速机有别于传统的增速机，它既能 够起到增速的作用，也能够进行变速，可以 根据风速大小改变输出的转速，并且是齿 轮设计，转速较低，不易磨损，能够减少润 滑的费用。 ３四级变速风力发电频率的计算方法 在图２中的两台发电机，发电机２定子 绕组输出的电流频率、发电机ｌ定子绕组输 Ｑ： Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 工业技术 表１ 不通风速条件下的发电方式 发电机１的功率约为发电机２的１／４。具体 如表ｌ所示。 由表１可知（忽略电机滑差率），在风速 ８．２５ｍ／ｓ及１ｌｍ／ｓ处，２个发电机利用“合 频”功能联合发电，发电机１的输出频率接 入发电机２的转子电路 在具体应用中，不 同级别的风速对应不同的发电方式，风速 为７ｍ／ｓ以下时用第１种方式，风速为７ｍ／ｓ￣０ ９．５ｍ／ｓ时用第２种方式，风速为９．５ｍ／ｓ到 １３ｍ／ｓ时用第３种方式，风速在１３ｍ／ｓ以上时 用第４种方式。 ５结语 四级变速风力发电技术是一种新型的 出的电流频率以及电机转子的机械旋转频 ４四级变速风力发电的实例 风力发电技术，它是多级变速风力发展技 率应符合以下关系： 设工作风速为从５．５ｍ／ｓ到１６．５ｍ／ｓ， 术的具体运用。它利用“变速恒频”技术，通 ｆｌ＝Ｐ】Ｘｆｎ】 在启动风速５．５ｍ／ｓ处叶轮转速为１ＯＯｒｐｍ 过“合频”功能和多台发电机的组合，提高 ｆｔ＝ｐ２ Ｘｆｎ２＋Ｐｌ Ｘｆｎ１ （１） 时，叶轮当量叶尖速比为４，此时风能利用 了发电机的利用率，有效地提高了风能的 式中，ｆ表示发电机２定子绕组输出的 率最大。要实现工作风速范围内若干风速 利用率，降低了风能发电所花费的成本，更 电流频率，与电网频率相同，Ｐ１表示发电机２ 点５．５ｍ／ｓ、８．２５ｍ／ｓ、１ｌｍ／ｓ、】６．５ｍ／ｓ（共 加经济和可靠，从而为我国风力发电事业 的极对数；，ｎ 表示发电机２的转子机械旋转 ４档风速，故称为四级变速）仍达到最大风 做出一定贡献。 频率；Ｐ 表示发电机ｌ的极对数ｌ‘，表示发电 能利用率，可按（１）设计机械增速比和发 机１的转子机械旋转频率。 电机极对数，对应的叶轮转速分别为 参考文献 由上述公式可知，增加电机极对数， １ＯＯｒｐｍ、１５０ｒｐｍ、２００ｒｐｍ、３００ｒｐｍ，叶轮工 【ｌ】李滨波，段向阳．风力发电机原理及风 可降低转子机械旋转频率，降低转子转 作频率为叶轮转速的１／６０。为降低成本， 力发电技术［Ｊ】．湖北电力，２００７（６）． 速，延长设备所使用的期限，也就降低了 提高系统变速自动化程度，叶轮到发电机 【２】陈忠维，胡晓珍，徐献忠，顾平灿．多级变 维修所带来的费用。通过控制Ｐ，，‘ ，Ｐ，， ２设计为１级机械变速，速比为５ｌ叶轮到发 速风力发电技术［Ｊ】＿可再生能源，２００８（６）． 这四个参数，可以使发电机在风速变化 电机１设计为ｌ级机械变速，速比为２．５ｌ发 ［３】魏毅立，韩素贤，时盛志．风力发电系统 时输出恒定频率的电流，保证发电电流的 电机为双速发电机，发电机２的极对数分 中组合风速的建模及仿真ｆＪ】．可再生能 稳定性。 别为６和２，发电机１的极对数分别为４和２， 源，２Ｏ１０（２）． （上接６３页） 管道、喷嘴畅通。喷嘴清理前，检修人员会 护，保证ｐＨ计、密度计显示准确、可靠。 度略有下降，会有石膏在很短时间内大量 同运行人员进行注水试验（启动一台浆液 产生并析出，产生硬垢。 循环泵，观察喷嘴喷浆情况），摸清喷嘴污 ６结语 ４．３．３浆液浓度 堵的清况，以便有针对性地实施清理工作。 造成喷嘴堵塞的原因很多，该案中造 运行中，应合理控制浆液浓度，如果浆 （２）系统停运后，排出吸收塔浆液，注入 成喷嘴堵塞的原因主要是设计过程中各处 液浓度过大，会造成大量沉淀的出现，加剧 清水，启动全部浆液循环泵，对母管、支管、 压力不同、石灰石粒径过大、ＰＨ值控制过 叶轮的磨损。因我厂脱水时，未设计旋流 喷嘴进行大流量冲洗，减少循环泵停运过 高，造成支管、喷嘴堵塞，同时堵塞部分喷 器，因此必须保持浆液在较高的浓度下运 程中沉积在管道和喷嘴中的杂物积垢；启 嘴处形成烟气走廊，造成效率下降，喷嘴堵 行，一般情况下浆液的浓度控制在２８％～ 动一台泵进行注水试验，进行喷嘴清理前 塞后，造成浆液母管和支管压力升高，未堵 ３Ｏ％之间。 的喷嘴喷水情况检查工作。 塞喷嘴向上喷起的高度增加，造成除雾器 喷嘴堵塞后，在不喷浆液的喷嘴空间形 （３）定期检查球磨机和旋流子，保证制 堵塞，减少了除雾器面积，造成烟气流速增 成“烟气走廊”，未经处理的烟气直接进入除 浆系统球磨机、旋流子的完好，以制备出粒 大，烟气携带浆液增多，造成ＧＧＨ堵塞。 雾器、ＧＧＨ，与处理后的烟气混合，造成脱硫 度合格的浆液，提高脱硫效果，并节省石灰 效率下降・同时当大面积喷嘴堵塞后，造成 石的用量。同时化验人员每周测定一次石 参考文献 浆液母管和支管压力升高，未堵塞喷嘴压力 灰石浆液细度。 【ｌ】刘光兵，刘伟京．粉煤灰对脱硫用石灰 升高后，向上喷起的高度增加，因为上层喷 （４）因煤的含硫量过高，将增加电厂脱 石溶解特性的影响研究ｆＪ】．环境科技 嘴和除雾器相距７０００ｍｍ，部分浆液直接喷 硫系统的运行成本，因此，采购外购煤时， ２００９（２）． 到除雾器上，造成除雾器堵塞。除雾器堵塞 煤的含硫量应作为考虑价格的因素之一。 ［２】曾国华，杨华，马斌，王力．湿法烟气脱 后，减少了除雾器面积，造成烟气流速增大， （５）浆液管道改造。为减轻位于母管末 硫系统的安全性和优化． 烟气携带浆液增多，造成ＧＧＨ堵塞。 端的支管的污堵，在适当时机对最后边的 【３】赖羽，屈小华．重庆发电烟气脱硫装置 支管进行改造。 吸收塔浆液的氧化效果问题及改进措 ５对策 （６）合理控制浆液运行ＰＨ值、浆液浓 施［Ｊ】．热力发电，２００２（２）：３９－４１，４６． （１）加强脱硫塔浆液管道和喷嘴的清理 度，一般浆液浓度控制在２８％～３Ｏ％，ｐＨ值 【４】朱冶利．石灰石一石膏湿法脱硫技术中 工作。 控制在５．４±０．２，同时尽量吸收液ｐＨ值的 的问题【Ｊ】．四川电力技术． 每次大修、小修时对浆液母管、支管及 剧烈变化 【５１林永明，韦志高．湿法石灰石／石灰一石 喷嘴进行全面清理，确保在两次检修期间 （７）加强对脱硫系统ｐＨ计、密度计的维 膏脱硫技术应用综述【Ｊ】．广西电力工程． 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ６５