風(fēng)力直流發(fā)電機原理圖：24v直流發(fā)電機原理接線(xiàn)圖

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風(fēng)力直流發(fā)電機原理圖：風(fēng)力發(fā)電原理結構圖

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

　　小型風(fēng)力發(fā)電系統結構如圖所示。它一般由風(fēng)輪、發(fā)電機、尾舵和電氣控制部分等構成。常規的小型風(fēng)力發(fā)電機組多由感應發(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(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉動(dòng)起來(lái)，使空氣動(dòng)力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。風(fēng)輪的輪轂固定在發(fā)電機軸上，風(fēng)輪的轉動(dòng)驅動(dòng)了發(fā)電機軸的旋轉，帶動(dòng)永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風(fēng)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(zhù)變化。發(fā)出的電經(jīng)過(guò)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(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過(guò)逆變器后變成了220V的交流電，供給用戶(hù)的家用電器。

　　風(fēng)力發(fā)電機根據應用場(chǎng)合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)力機。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機亦稱(chēng)獨立運行風(fēng)力機，是應用在無(wú)電網(wǎng)地區的風(fēng)力機，一般功率較小。獨立運行風(fēng)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(fēng)力機發(fā)電系統。這種獨立運行系統可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個(gè)村落的供電系統，也可以是幾十到幾百W的小型風(fēng)力發(fā)電機組以解決一家一戶(hù)的供電

　　獨立運行小型風(fēng)力發(fā)電系統

　　3 小型風(fēng)力發(fā)電機的電力變換裝置

　　由于風(fēng)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定的，以及蓄電池只能存儲直流電能，無(wú)法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩定、高質(zhì)量的電能和滿(mǎn)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(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流電經(jīng)過(guò)控制器再對蓄電池進(jìn)行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風(fēng)電支路中整流器的另外一個(gè)重要的功能是，在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的情況下，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機的反向供電。

　　獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統中，有風(fēng)輪驅動(dòng)的交流發(fā)電機，需要配以適當的整流器，才能對蓄電池充電。根據風(fēng)力發(fā)電系統的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種?？煽卣髌髦饕獞迷诠β瘦^大的系統中，可以減小電感過(guò)大帶來(lái)的體積大、損耗大等缺點(diǎn)；不可控整流器主要應用于小功率系統中。

　　3.2 逆變器

　　逆變器是在電力變換過(guò)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變?yōu)樨撦d所能使用的交流電。目前獨立運行小型風(fēng)電系統的逆變器多數為電壓型單相橋式逆變器。在風(fēng)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(shí)的效率要高，這是因為風(fēng)電發(fā)電系統經(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(dòng)較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內正常工作，而且要保證輸出電壓的穩定。

　　過(guò)去風(fēng)力機的控制器和逆變器是分開(kāi)的，現在多數廠(chǎng)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；

　?。?）交流輸入型：逆變器輸入端與風(fēng)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：

　?。?）過(guò)充保護：當風(fēng)速持續較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過(guò)額定電壓1.25倍時(shí)，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。

　?。?）過(guò)放保護：當風(fēng)速長(cháng)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(shí)，逆變器停止工作，不再向外供電。當風(fēng)速再增高，蓄電池組電壓恢復到額定電壓的1.1倍時(shí)，逆變器自動(dòng)恢復工作、向外供電。

　　3.3 蓄電池

　　在獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當風(fēng)力較強或負荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)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(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或用電負荷增大時(shí)，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電能的不足，達到維持向負荷持續穩定供電的作用。

　　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(lèi)。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(wèn)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構，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現象，使用安全可靠、壽命長(cháng)，正常運行時(shí)無(wú)須對電解液進(jìn)行檢測和調酸加水，又稱(chēng)為免維護蓄電池，目前已被廣泛地應用到郵電通信、船舶交通、應急照明等許多領(lǐng)域。堿性鎘鎳蓄電池的特點(diǎn)是體積小、放電倍率高、運行維護簡(jiǎn)單、壽命長(cháng)，但由于它單體電壓低、易漏電、造價(jià)高且容易對環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，現主要應用在電動(dòng)工具及各種便攜式電子裝置上。

　　目前在大多數風(fēng)電系統或太陽(yáng)能光伏系統中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風(fēng)電系統壽命的關(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。在大多數的風(fēng)電系統中，都是由CPU來(lái)監測并控制蓄電池的充放電過(guò)程，較多采用分階段法來(lái)優(yōu)化充電過(guò)程。因為分階段充電過(guò)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(cháng)其使用壽命。

　　4 最大輸出功率調節方式

　　在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。風(fēng)速的變化使風(fēng)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(dòng)而使電能質(zhì)量下降，使風(fēng)力發(fā)電機的輸出電能質(zhì)量穩定成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問(wèn)題。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機組的效率，對于最充分地利用風(fēng)能資源有著(zhù)十分重要的意義。

　　根據風(fēng)力發(fā)電供電方式的不同將功率輸出定性地分為兩類(lèi)：調節機械功率，在風(fēng)力機控制回路加調節裝置使風(fēng)力機輸出機械功率穩定；調節電功率，在發(fā)電機的控制部分加入反饋，使用快速響應的控制器和優(yōu)化控制策略來(lái)控制發(fā)電機輸出功率。

　　4.1 定漿距失速調節

　　失速調節方式是指漿葉本身所具有的失速特性，當風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流的攻角增大到失速條件，使漿葉的表面產(chǎn)生渦流，降低葉片氣動(dòng)效率，影響能量捕獲。小型風(fēng)力發(fā)電系統最大功率控制擾動(dòng)法失速調節一般用于恒速運行的風(fēng)力發(fā)電機中。

　　4.2 變漿距調節

　　為了提高風(fēng)能轉換效率和保證風(fēng)力機輸出功率平穩，可以通過(guò)漿距調節使風(fēng)力機適應風(fēng)速的變化，達到最優(yōu)的功率輸出。變漿距風(fēng)力發(fā)電機組不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，而主要是依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來(lái)調節風(fēng)能的轉換效率。在靜止時(shí)節距角為90°，這時(shí)氣流對槳葉不產(chǎn)生力矩，整個(gè)槳葉相當于一塊阻尼板。當達到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉動(dòng)，氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開(kāi)始轉動(dòng)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片的攻角處于0°附近，此時(shí)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(fēng)機。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變漿距機構發(fā)揮作用，調整葉片攻角，保證發(fā)電機的功率在允許范圍之內。變漿距風(fēng)力機啟動(dòng)風(fēng)速比較低，這對增加發(fā)電量幾乎沒(méi)有什么意義，停機時(shí)對傳動(dòng)機構沖擊小，風(fēng)力機正常工作時(shí)主要采用功率控制。

　　4.3 主動(dòng)失速調節

　　這種調節方式是前兩種功率調節方式的組合。在低風(fēng)速時(shí)，采用變漿距調節，可達到更高的氣動(dòng)效率；當風(fēng)機達到額定功率后，風(fēng)機按照變漿距調節時(shí)風(fēng)機調節漿距相反的方向改變漿距，這種調節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。這種調節方式綜合前兩種調節方式的優(yōu)點(diǎn)，類(lèi)似變漿距調節，但不需要很靈敏的調節速度，錦工時(shí)，整個(gè)機組受到的沖擊也較小。

風(fēng)力直流發(fā)電機原理圖：風(fēng)力發(fā)電機工作原理及原理圖

　　現代變速雙饋風(fēng)力發(fā)電機的工作原理就是通過(guò)葉輪將風(fēng)能轉變?yōu)闄C械轉距(風(fēng)輪轉動(dòng)慣量),通過(guò)主軸傳動(dòng)鏈,經(jīng)過(guò)齒輪箱增速到異步發(fā)電機的轉速后,通過(guò)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(guò)發(fā)電機同步轉速,轉子也處于發(fā)電狀態(tài),通過(guò)變流器向電網(wǎng)饋電.

　　最簡(jiǎn)單的風(fēng)力發(fā)電機可由葉輪和發(fā)電機兩部分構成,立在一定高度的塔干上,這是小型離網(wǎng)風(fēng)機. 最初的風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能隨風(fēng)變化時(shí)有時(shí)無(wú),電壓和頻率不穩定,沒(méi)有實(shí)際應用價(jià)值.為了解決這些問(wèn)題,現代風(fēng)機增加了齒輪箱、偏航系統、液壓系統、剎車(chē)系統和控制系統等.

　　齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉速(1500千瓦的風(fēng)機通常為12-22轉/分)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉速(發(fā)電機同步轉速通常為1500轉/分).同時(shí)也使得發(fā)電機易于控制,實(shí)現穩定的頻率和電壓輸出.偏航系統可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向.要知道,1500千瓦的風(fēng)機機艙總重50多噸,葉輪30噸,使這樣一個(gè)系統隨時(shí)對準主風(fēng)向也有相當的技術(shù)難度.

　　風(fēng)機是有許多轉動(dòng)部件的,機艙在水平面旋轉,隨時(shí)偏航對準風(fēng)向;風(fēng)輪沿水平軸旋轉,以便產(chǎn)生動(dòng)力扭距.對變槳矩風(fēng)機,組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉,以便適應不同的風(fēng)況而變槳距.在停機時(shí),葉片要順槳,以便形成阻尼剎車(chē).

　　早期采用液壓系統用于調節葉片槳矩(同時(shí)作為阻尼、停機、剎車(chē)等狀態(tài)下使用),現在電變距系統逐步取代液壓變距.

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

　　現代風(fēng)機的設計極限風(fēng)速為60-70米/秒,也就是說(shuō)在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機也不會(huì )立即破壞.理論上的12級颶風(fēng),其風(fēng)速范圍也僅為32.7-36.9米/秒.

　　風(fēng)機的控制系統要根據風(fēng)速、風(fēng)向對系統加以控制,在穩定的電壓和頻率下運行,自動(dòng)地并網(wǎng)和脫網(wǎng);同時(shí)*齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度,液壓系統的油壓,對出現的任何異常進(jìn)行報警,必要時(shí)自動(dòng)停機,屬于無(wú)人值守獨立發(fā)電系統單元.

　　一種新型的風(fēng)力發(fā)電機原理圖

風(fēng)力直流發(fā)電機原理圖：風(fēng)力發(fā)電機工作原理示意圖

　　熱心網(wǎng)友：

　　熱心網(wǎng)友：風(fēng)力發(fā)電機=將風(fēng)能-》機械能（葉片的轉動(dòng)，齒輪箱變速）-》電能（發(fā)電機）目前大型風(fēng)機高度在60-120米（中國最高的80米）?主流機型是變速恒頻，即轉子勵磁可以控制。葉片的轉速+轉子勵磁的轉速=發(fā)出的交流電的頻率。故當風(fēng)速變化時(shí)，控制系統控制轉子的勵磁頻率發(fā)生變化，所以發(fā)出來(lái)的交流電的頻率不變。這種風(fēng)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)電機轉子。定子發(fā)出來(lái)的電經(jīng)過(guò)主開(kāi)關(guān)（同步開(kāi)關(guān)）供給變壓器（連接電網(wǎng)）并傳輸。還有定漿距風(fēng)力機（老式）：葉片失速調節，葉片轉速不隨風(fēng)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(fēng)速發(fā)生變化，發(fā)電機出來(lái)的交流電頻率也變化。風(fēng)電由于風(fēng)的不確定性（風(fēng)速變化），主要難點(diǎn)是解決風(fēng)速變化所引起的發(fā)電機轉速變化帶來(lái)的電的頻率的變化。

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