風力發電機

作為一種價格低廉、運行可靠、無溫室氣體排放的新型發電系統，

風力發電系統的安裝容量正在以每年超過30%的增長率在**范圍擁有日益廣泛的應用，已經形成一個年產值超過五十億美元的性產業。但是用于邊遠地區獨立供電的小型風力發電系統還需要克服很多技術上的難點才能得以廣泛的應用。隨著我國對“三農”投入力度加大，經濟持續快速發展，廣大農、牧、漁民對改善生活環境，提高生活質量，解決生活用電的迫切要求，采用小型風力發電系統為局部負載提供電力，不僅可以減少一次性巨額投資，還可以免除火力發電系統的溫室氣體排放，改善環境和農村地區的能源結構，有益于可持續性發展。

風力發電機是將風能轉換為機械功、并帶動發電機運轉來發電的。廣義地說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發動機。風力發電利用的是自然能源。相對柴油發電要好的多。但是若應急來用的話，還是不如柴油發電機。風力發電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。

運行管理：

風力發電機組的控制系統是采用工業微處理器進行控制，

一般都由多個CPU并列運行，其自身的抗干擾能力強，并且通過通信線路與計算機相連，可進行遠程控制，這大大降低了運行的工作量。所以風機的運行工作就是進行遠程故障排除和運行數據統計分析及故障原因分析。

遠程故障排除：

風機的大部分故障都可以進行遠程復位控制和自動復位控制。風機的運行和電網質量好壞是息息相關的，為了進行雙向保護，風機設置了多重保護故障，如電網電壓高、低，電網頻率高、低等，這些故障是可自動復位的。由于風能的不可控制性，所以過風速的極限值也可自動復位。還有溫度的限定值也可自動復位，如發電機溫度高，齒輪箱溫度高、低，環境溫度低等。風機的過負荷故障也是可自動復位的。

除了自動復位的故障以外，其它可遠程復位控制故障引起的原因有以下幾種：

1、風機控制器誤報故障；

2、各檢測傳感器誤動作；

3、控制器認為風機運行不可靠。

運行數據統計分析：

對風電場設備在運行中發生的情況進行詳細的統計分析是風電場管理的一項重要內容。通過運行數據的統計分析，可對運行維護工作進行考核量化，也可對風電場的設計，風資源的評估，設備選型提供有效的理論依據。

每個月的發電量統計報表，是運行工作的重要內容之一，其真實可靠性直接和經濟效益掛鉤。其主要內容有：風機的月發電量，場用電量，風機的設備正常工作時間，故障時間，標準利用小時，電網停電，故障時間等。

風機的功率曲線數據統計與分析，可對風機在提高出力和提高風能利用率上提供實踐依據。通過對風況數據的統計和分析，掌握各型風機隨季節變化的出力規律，并以此可制定合理的定期維護工作時間表，以減少風資源的浪費。

小型風力發電機：

風力發電機組是將風能轉化為電能的機械。從能量轉換的角度看，風力發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換為機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換為電能。

小型風力發電系統結構一般由風輪、發電機、尾舵和電氣控制部分等構成。

常規的小型風力發電機組多由感應發電機或永磁同步發電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成。在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。風輪的輪轂固定在發電機軸上，風輪的轉動驅動了發電機軸的旋轉，帶動永磁三相發電機發出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發電機發出的電流和電壓也隨著變化。發出的電經過控制器的整流，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。

風力發電機根據應用場合的不同又分為并網型和離網型風力機。離網型風力發電機亦稱獨立運行風力機，是應用在無電網地區的風力機，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，解決一個村落的供電系統，也可以是幾十到幾百W的小型風力發電機組以解決一家一戶的供電。

由于風能的隨機性，發電機所發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，無法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩定、高質量的電能和滿足交流負載用電，需要在發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。

小型風力發電系統作為農村能源的組成部分，它的推廣應用對于改善用電結構，特別是邊遠山區的、生活用能，推動生態環境建設諸領域的發展將發揮積極作用，因此具有廣闊的市場前景。風能具有隨機性和不確定性，風力發電系統是一個復雜系統。簡化小型風力發電系統的結構、降低成本、提高可靠性及實現系統優化運行，對于小型風力風力發電系統的推廣具有非常重要意義。

風力發電機維護：

風力發電機是集電氣、機械、空氣動力學等各學科于一體的綜合產品，

發電機（圖16）

各部分緊密聯系，息息相關。風力機維護的好壞直接影響到發電量的多少和經濟效益的高低；風力機本身性能的好壞，也要通過維護檢修來保持，維護工作及時有效可以發現故障隱患，減少故障的發生，提高風機效率。

風機維護可分為定期檢修和日常排故維護兩種方式。

1、風機的定期檢修維護

定期的維護保養可以讓設備保持**期的狀態，并延長風機的使用壽命。定期檢修維護工作的主要內容有：風機聯接件之間的螺栓力矩檢查（包括電氣連接），各傳動部件之間的潤滑和各項功能測試。

風機在正常運行中時，各聯接部件的螺栓長期運行在各種振動的合力當中，極易使其松動，為了不使其在松動后導致局部螺栓受力不均被剪切，**定期對其進行螺栓力矩的檢查。在環境溫度低于-5℃時，應使其力矩下降到額定力矩的80%進行緊固，并在溫度高于-5℃后進行復查。一般對螺栓的緊固檢查都安排在無風或風小的夏季，以避開風機的高出力季節。

風機的潤滑系統主要有稀油潤滑（或稱礦物油潤滑）和干油

發電機（圖17）

潤滑（或稱潤滑脂潤滑）兩種方式。風機的齒輪箱和偏航減速齒輪箱采用的是稀油潤滑方式，其維護方法是補加和采樣化驗，若化驗結果表明該潤滑油已無法再使用，則進行更換。干油潤滑部件有發電機軸承，偏航軸承，偏航齒等。這些部件由于運行溫度較高，極易變質，導致軸承磨損，定期維護時，**每次都對其進行補加。另外，發電機軸承的補加劑量一定要按要求數量加入，不可過多，防止太多后擠入電機繞組，使電機燒壞。

定期維護的功能測試主要有過速測試，緊急停機測試，液壓系統各元件定值測試，振動開關測試，扭纜開關測試。還可以對控制器的極限定值進行一些常規測試。

定期維護除以上三大項以外，還要檢查液壓油位，各傳感器有無損壞，傳感器的電源是否可靠工作，閘片及閘盤的磨損情況等方面。

2、日常排故維護

風機在運行當中，也會出現一些故障**到現場去處理。

首先要仔細觀察風機內的**平臺和梯子是否牢固，有無連接螺栓松動，

發電機（圖18）

控制柜內有無糊味，電纜線有無位移，夾板是否松動，扭纜傳感器拉環是否磨損破裂，偏航齒的潤滑是否干枯變質，偏航齒輪箱、液壓油及齒輪箱油位是否正常，液壓站的表計壓力是否正常，轉動部件與旋轉部件之間有無磨損，各油管接頭有無滲漏，齒輪油及液壓油的濾清器的指示是否在正常位置等。

**是聽，聽一下控制柜里是否有放電的聲音，有聲音就可能是有接線端子松動，或接觸不良，須仔細檢查，聽偏航時的聲音是否正常，有無干磨的聲響，聽發電機軸承有無異響，聽齒輪箱有無異響，聽閘盤與閘墊之間有無異響，聽葉片的切風聲音是否正常。

第三，清理干凈自己的工作現場，并將液壓站各元件及管接頭擦凈，以便于今后觀察有無泄漏。

水力發電機

水利發電機是將水的動能和重力勢能轉換為機械功的動力機械（如：中國的三峽）。在發電這一塊**的要數核能發電，不過相對核能污染較大。所以中國廣泛還是用煤炭發電。中國煤炭資源吃緊，煤炭價格一直在漲，這也是為什么會有電荒的出現的主要原因。

同步發電機

作發電機運行的同步電機。是一種*常用的交流發電機。在現代電力工業中，它廣泛用于水力發電、火力發電、核能發電以及柴油機發電。由于同步發電機一般采用直流勵磁，當其單機獨立運行時，通過調節勵磁電流，能方便地調節發電機的電壓。若并入電網運行，因電壓由電網決定，不能改變，此時調節勵磁電流的結果是調節了電機的功率因數和無功功率。

同步發電機的定子、轉子結構與同步電機相同，一般采用三相形式，只在某些小型同步發電機中電樞繞組采用單相。

高速同步發電機：

因大多數發電機與原動機同軸聯動，火電廠都用高速汽輪機作原動機，所以汽輪發電機通常用高轉速的2極電機，其轉速達3000轉/分（在電網頻率為60赫時，為3600轉/分）。核電站多用4極電機，轉速為1500轉/分（當電網頻率為60赫時，為1800轉/分）。為適應高速、高功率要求，高速同步發電機在結構上一是采用隱極式轉子，二是設置專門的冷卻系統。

隱極式轉子：外表呈圓柱形，在圓柱表面開槽以安放直流勵磁繞組，并用金屬槽楔固緊，使電機具有均勻的氣隙。由于高速旋轉時巨大的離心力，要求轉子有很高的機械強度。隱極式轉子一般由高強度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開口形，以便安裝勵磁繞組。在每一個極距內約有1/3部分不開槽，形成大齒；其余部分的齒較窄，稱做小齒。大齒中心即為轉子磁極的中心。有時大齒也開一些較小的通風槽，但不嵌放繞組；有時還在嵌線槽底部銑出窄而淺的小槽作為通風槽。隱極式轉子在轉子本體軸向兩端還裝有金屬的護環和中心環。護環是由高強度合金制成的厚壁圓筒，用以保護勵磁繞組端部不至被巨大的離心力甩出；中心環用以防止繞組端部的軸向移動，并支撐護環。此外，為了把勵磁電流通入勵磁繞組，在電機軸上還裝有集電環和電刷。

冷卻系統：由于電機中能量損耗和電機的體積成正比，它的量級與電機線度量級的三次方成比例，而電機散熱面的量級只是電機線度量級的二次方。因此，當電機尺寸增大時（受材料限制，增大電機容量就得加大其尺寸），電機每單位表面上需要散發的熱量就會增加，電機的溫升將會提高。在高速汽輪發電機中，離心力將使轉子表面和轉子中心孔表面產生巨大的切向應力，轉子直徑越大，這種應力也越大。因此，在鍛件材料允許的應力極限范圍內，2極汽輪發電機的轉子本體直徑不能超過1250毫米。大型汽輪發電機要增大單機容量，只有靠增加轉子本體的長度（即用細長的轉子）和提高電磁負荷來解決。轉子長度可達8米，已接近極限。要繼續提高單機容量，只能是提高電機的電磁負荷。這使大型汽輪發電機的發熱和冷卻問題變得特別突出。對于50000千瓦以下的汽輪發電機，多采用閉路空氣冷卻系統，用電機內的風扇吹拂發熱部件降溫。對于容量為5～60萬千瓦的發電機，廣泛使用氫冷。氫氣（純度99%）的散熱性能比空氣好，用它來取代空氣不僅散熱效果好，而且可使電機的通風摩擦損耗大為降低，從而能顯著提高發電機的效率。但是，采用氫冷**有防爆和防漏措施，這使電機結構更為復雜，也增加了電極材料的消耗和成本。此外，還可采用液體介質冷卻，例如水的相對冷卻能力為空氣的50倍，帶走同樣的熱量，所需水的流量比空氣小得多。因此，在線圈里采用一部分空心導線，導線中通水冷卻，就可以大大降低電機溫升，延緩絕緣老化，增長電機壽命。

低速同步發電機：

多數由較低速度的水輪機或柴油機驅動。電機磁極數由4極到60極，甚至更多。對應的轉速為1500～100轉/分及以下。由于轉速較低，一般都采用對材料和制造工藝要求較低的凸極式轉子。

凸極式轉子的每個磁極常由1～2毫米厚的鋼板疊成，用鉚釘裝成整體，磁極上套有勵磁繞組。勵磁繞組通常用扁銅線繞制而成。磁極的極靴上還常裝有阻尼繞組。它是一個由極靴阻尼槽中的裸銅條和焊在兩端的銅環形成的一個短接回路。磁極固定在轉子磁軛上，磁軛由鑄鋼鑄成。凸極式轉子可分為臥式和立式兩類。大多數同步電動機、同步調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發電機，都采用臥式結構；低速、大容量水輪發電機則采用立式結構。

臥式同步電機的轉子主要由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環和轉軸等組成。其定子結構與異步電機相似。立式結構**用推力軸承承擔機組轉動部分的重力和水向下的壓力。大容量水輪發電機中，此力可高達四、五十兆牛（約相當于四、五千噸物體的重力），所以這種推力軸承的結構復雜，加工工藝和安裝要求都很高。按照推力軸承的安放位置，立式水輪發電機分為懸吊式和傘式兩種。懸吊式的推力軸承放在上機架的上部或中部，在轉速較高、轉子直徑與鐵心長度的比值較小時，機械上運行較穩定。傘式的推力軸承放在轉子下部的下機架上或水輪機頂蓋上。負重機架是尺寸較小的下機架，可節約大量鋼材，并能降低從機座基礎算起的發電機和廠房高度。

同步發電機的并聯運行 同步發電機絕大多數是并聯運行，并網發電的。各并聯運行的同步發電機**頻率、電壓的大小和相位都保持一致。否則，并聯合閘的瞬間，各發電機之間會產生內部環流，引起擾動，嚴重時甚至會使發電機遭受破壞。但是，兩臺發電機在投入并聯運行以前，一般說來它們的頻率與電壓的大小和相位是不會完全相同的。為了使同步發電機能投入并聯運行，首先**有一個同步并列的過程。同步并列的方法可分為準同步和自同步兩種。同步發電機在投入并聯運行以后，各機負載的分配決定于發電機的轉速特性。通過調節原動機的調速器，改變發電機組的轉速特性，即可改變各發電機的負載分配，控制各發電機的發電功率。而通過調節各發電機的勵磁電流，可以改變各發電機無功功率分配和調節電網的電壓。

永磁同步風力發電機：

永磁同步風力發電機由于機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優點成為繼雙饋感應風電機組之后的又一重要風力發電機型受到廣泛關注，并逐漸開始投入使用。永磁同步風力發電系統基本結構如圖1所示，它主要由風力機、永磁同步發動機、變頻器和變壓器組成。

永磁同步風力發電的基本原理，就是利用風力帶動風力機葉片旋轉，拖動永磁同步發電機的轉子旋轉，實現發電。永磁同步風力發電系統和籠型變速恒頻風力發電系統類似，只是所采用的發電機為永磁式發電機，轉子為永磁式結構，不需外部提供勵磁電源，提高了效率。它的變頻恒速控制是在定子回路中實現的，把永磁同步發電機的變頻的交流電通過變頻器轉變為電網同頻的交流電，實現風力發電的并網，因此變頻器的容量與系統的額定容量相同。

在過去的幾十年里，由于永磁材料性能和電力電子裝置的改善，永磁同步發電機已變得越來越具吸引力了。采用永磁同步發電機的風力發電系統具有以下特點：

1、永磁同步發電機系統不需要勵磁裝置，具有重量輕、效率高、功率因數高、可靠性好等優點；

2、變速運行范圍寬，即可超同步運行也可以亞同步運行；

3、轉子無勵磁繞組，磁極結構簡單、變頻器容量小，可以做成多極電機；

4、同步轉速降低，使風輪機和永磁發電機可直接耦合，省去了風力發電系統中的齒輪增速箱，減小了發電機的維護工作并降低噪聲，使直驅永磁風力發電機系統。

適用場合：

1、在電力設施匱乏、交通不便、缺乏常規燃料，但風力資源豐富的地區，可以解決部分用電問題，如為高速公路照明設備提供電源等；

2、在單機容量比較小的風場，永磁同步發電系統能夠有效并網發電；

3、為農村、牧區、邊防哨所、氣象臺站等偏遠、負載較輕的用戶，提供交流或直流電源。

交流發電機

在日常生活中，用交流發電機來供用電設備使用時，常發生用電設備不能正常工作的情況,其原因是發電機輸出的交流電不夠穩定，這時候需要電力穩壓器來穩定電壓，也就是日常生活中常用到的交流穩壓電源，交流穩壓電源能使發電機的輸出電壓精度穩定到用電設備正常工作所允許的范圍。

交流發電機構造

交流發電機的構造稍顯復雜。但是不論它是單相還是三相，都是由下列幾個主要部分組成：

⑴激磁部分：包括激磁機和磁場部分。

⑵電樞部分。

⑶機殼部分：包括裝置備部分的鐵架和機座。

異步發電機

異步發電機又稱“感應發電機”。利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場與轉子繞組中感應電流相互作用的一種交流發電機。其轉子的轉向和旋轉磁場的轉向相同，但轉速略高于旋轉磁場的同步轉速。常用作小功率水輪發電機。

交流勵磁發電機由于轉子方采用交流電壓勵磁，使其具有靈活的運行方式，在解決電站持續工頻過電壓、變速恒頻發電、抽水蓄能電站電動-發電機組的調速等問題方面有著傳統同步發電機無法比擬的優越性。交流勵磁發電機主要的運行方式有以下三種：

1） 運行于變速恒頻方式；

2） 運行于無功大范圍調節的方式；

3） 運行于發電-電動方式。

隨著電力系統輸電電壓的提高，線路的增長，當線路的傳輸功率低于自然功率時，線路和電站將出現持續的工頻過電壓.為改善系統的運行特性，不少技術先進的***，在6"世紀A"年代初開始研究異步發電機在大電力系統中的應用問題，并認為大系統采用異步發電機后，可提高系統的穩定性，可靠性和運行的經濟性.

異步發電機由于維護方便，穩定性好，常用作并網運行的小功率水輪發電機。當用原動機將異步電機的轉子順著磁場旋轉方向拖動，并使其轉速超過同步轉速時，電機就進入發電機運行，并把原動機輸入的機械能轉變成電能送至電網。這時電機的勵磁電流取自電網。

異步發電機也可以并聯電容，靠本身剩磁自行勵磁，獨立發電（見圖），這時發電機的電壓與頻率由電容值、原動機轉速和負載大小等因素決定。當負載改變，一般要相應地調節并聯的電容值，以維持電壓穩定。由于異步電機并聯電容時，不需外加勵磁電源就可獨立發電，故在負荷比較穩定的場合，有可取之處。例如可用作農村簡易電站的照明電源或作為備用電源等。

測速發電機

測速發電機是一種測量轉速的微型發電機，他把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比。

測速發電機的分類：測速發電機分為直流測速發電機和交流測速發電機兩大類。

直流測速發電機：直流測速發電機本質上是一種微型直流發電機，按定子磁極的勵磁方式分為電磁式和永磁式。直流測速發電機的工作原理與一般直流發電機相同。

交流測速發電機：交流異步測速發電機的轉子結構有籠型的，也有杯型的，在控制系統中多用空心杯轉子異步測速發電機。空心杯轉子異步測速發電機定子上有兩個在空間上相互差90°電角度的繞組，一為勵磁繞組，另一為輸出繞組。

交流異步測速發電機的誤差主要有：

非線性誤差：由于直軸磁通變化使測速發電機產生非線性誤差；

剩余電壓：實際運行中，轉子靜止時，測速發電機輸出一個較小的電壓；

相位誤差：由于勵磁繞組的漏抗、空心杯轉子的漏抗使輸出電壓與勵磁電壓的相位不同。

交流同步測速發電機分為：永磁式、感應式和脈沖式。

柴油發電機

柴油發電機組是一種獨立的發電設備，系指以柴油等為燃料，以柴油機為原動機帶動發電機發電的動力機械。整套機組一般由柴油機、發電機、控制箱、燃油箱、起動和控制用蓄電瓶、保護裝置、應急柜等部件組成。整體可以固定在基礎上，定位使用，亦可裝在拖車上，供移動使用。 柴油發電機組屬非連續運行發電設備，若連續運行超過12h，其輸出功率將低于額定功率約90%。