作者：王春、班淑珍 主编 韩俊峰 副主编
出版社：化学工业出版社
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风力发电机组控制技术及仿真试读：
前言
风能是一种清洁、实用、经济和环境友好的可再生能源，与其他可再生能源一起，可以为人类发展提供可持续的能源基础。在未来能源系统中，风电具有重要的战略地位。
全球已经进入从化石能源向可再生能源转变的时期，这次转型的最大动机是环境。国家能源发展的战略方向重要标志之一就是要加强可再生能源在能源消费中的比重，固守化石能源的发展模式是没有出路的。风能发电越来越受到各国的重视。按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万～3000万千瓦。2014年，全国风电产业继续保持强劲增长势头，全年风电新增装机容量1981万千瓦，新增装机容量创历史新高，累计并网装机容量达到9637万千瓦，占全部发电装机容量的7％，占全球风电装机的27％。2014年风电上网电量1534亿千瓦时，占全部发电量的2.78％。风电设备制造能力持续增强，技术水平显著提升。全国新增风电设备吊装容量2335万千瓦，同比增长45％，全国风电设备累计吊装容量达到1.15亿千瓦，同比增长25.5％。风机单机功率显著提升，2MW机型市场占有率同比增长9％。风电机组可靠性持续提高，平均可利用率达到97％以上。
随着风电行业的不断发展，人才缺口巨大，许多高职高专开设了新能源专业，但是没有合适的教材，作者通过企业调研与对风电专业的教学经验，编写了《风力发电机控制技术及仿真》。本教材可以作为职业院校以及各类风电技术培训班的教学用书，也可以作为风电场、风电主机或配套企业管理人员、技术人员以及风电爱好者的自学读物。
本教材主要介绍了用于风力发电机组设备以及电气系统基本原理和控制方面的知识。全书共分八章，包括风力发电原理与结构、变桨系统、制动系统、液压系统、偏航系统、风力发电机组控制系统、风力发电机组变频并网技术的基本工作原理与控制。
本书的特点是采用现代技术和方法，坚持理论与实际相结合，体现风力发电机组工作原理及控制内容的系统性、完整性、先进性，突出了现代风力发电机组机型的典型控制方式。
本教材第一、三、四章由包头职业技术学院王春编写，第二章由包头轻工职业技术学院班淑珍编写，第五、七章由包头职业技术学院韩俊峰编写，第六、八章由包头职业技术学院王爱编写，参加编写的人员还有张美荣、李瑜、仇联君、贾晨露。
由于作者水平有限，加之书中很多章节为探索性讨论，不足之处在所难免，请各位专家和广大读者不吝指正。编者2015年11月第1章概述1.1 风能的利用
人类利用风能的历史可以追溯到公元前。我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水、灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。宋代更是我国应用风车的全盛时代，当时流行的垂直轴风车，一直沿用至今。在国外，公元前2世纪，古波斯人就利用垂直轴风车碾米。11世纪风车在中东已获得广泛的应用。13世纪风车传至欧洲，14世纪已成为欧洲不可缺少的原动机。在荷兰，风车先用于莱茵河三角洲湖地和低湿地的汲水，后又用于榨油和锯木。直到蒸汽机的出现，欧洲风车数目才急剧下降。
数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿、交通不便的边远山区、地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。即使在发达国家，风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。美国早在1974年就开始实行联邦风能计划，并于20世纪80年代成功开发了100kW、200kW、2000kW、2500kW、6200kW、7200kW等6种风力机组。目前美国已成为世界上风力机装机容量最多的国家。
瑞典、荷兰、英国、丹麦、德国、日本、西班牙等国家也根据各自的情况制定了相应的风力发电计划。如丹麦在1978年即建成了日德兰风力发电站，装机容量2000kW，三片风叶的扫掠直径为54m，混凝土塔高58m。德国早在1980年，在易北河口建成了一座风力电站，装机容量为3000kW。英国的英伦三岛濒临海洋，风能十分丰富，政府对风能开发也十分重视，到1990年风力发电已占英国总发电量的2％。在日本，1991年10月轻津海峡青森县的日本最大的风力发电站投入运行，5台风力发电机可为700户家庭提供电力。
风能的利用主要是以风能作动力和风力发电两种形式，其中又以风力发电为主。以风能作动力，就是利用风来直接带动各种机械装置，如风力泵水、风帆助航等。1.1.1 风帆助航
最早的利用方式是“风帆行舟”，利用风力使船只在海面上航行。哥伦布、麦哲伦以及中国的郑和等的远洋航行使用的船只都是帆船，古老的风帆助航业得到了发展。在现代，随着电子计算机和自动化技术的发展，用计算机自动控制风帆的操纵及风帆与动力装置的优化配合已经成为现实，为风帆船的发展提供了有力的支持。20世纪80年代，日本建造的“新爱德丸”风帆油船是世界上第一艘实现非人工操帆的风帆船，该船投入营运以来，取得了节省燃料费50％的目标。我国近年来所研制的风帆船，也已取得了初步的成果。1.1.2 风车提水
利用风车提水可以治理山丘区坡耕地和解决人畜饮水问题，既经济、又环保。我国现有耕地18亿亩，灌溉面积仅为耕地面积的一半左右，因为干旱缺水等原因，60％的耕地属中低产田。中低产田的现状都是靠天吃饭，风调雨顺则好，一遇到连旱则大幅欠收或绝收。利用当地丰富的风力资源，用风力提水设备将井里或低洼地的水提升到田里，既不用油又不用电，政府一次性投资，百姓终身收益，可谓一举两得。1.1.3 风力发电
近百年来，荷兰、西班牙和希腊等国的乡村居民都会利用风车来发电。但是利用风车做风力发电既不稳定也不可靠，所以，当其他有效动力资源一出现，风车的地位随即被取代了。
近年来，由于传统燃料价格上涨，导致工程师们尝试发展其他更好的方法利用风力。风力虽不很稳定，但是比其他动力资源要来得便利，因为风向自由、清洁、不会产生有毒的废物，不会产生不良的副作用等。而且风可以推陈出新、供应不断，这是由于太阳照射局部的地球表面，使大气压力因地球表面的温差而异，已知空气因压力差而流动；所以只要有太阳的照射，风就会不断地吹。
现代风力机使得持续稳定地利用风能成为可能。
在电力不足的地区，为节省柴油机发电的燃料，可以采用风力发电与柴油机发电互补，组成风-柴互补发电系统。
风力发电场（简称风电场），是将多台大型并网式的风力发电机安装在风能资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电。风力发电机就像种庄稼一样排列在地面上，故形象地称为“风力田”。风力发电场于20世纪80年代初在美国的加利福尼亚州兴起，目前世界上最大的风电场是洛杉矶附近的特哈查比风电场，装机4容量超过50×10kW，年发电量为14亿千瓦时，约占世界风力发电总量的23％。1.2 风能开发的意义1.2.1 能源危机（1）能源简介
近几千年来，人类为满足自身的欲望，不停地对地球索取自然能源。地球的能源大体可分为两种，一种是可再生的能源，在被消耗之后的一段时间后，能源能够再生和恢复；另外有的一种能源是不可再生能源，这些能源是在地球的几十亿年历程中积累而生成的能源，被消耗之后，在现有的条件和时间之内，能源不会再被恢复，一旦被消耗完了，就不会再有了。
人类数量的过快增长和人类文明的发展，使得人们对自然资源的需求越来越大，目前人类对地球资源的消耗速度远远超过地球的承受能力，所以地球的环境正在日益恶化，地球上的资源也正在日趋枯竭。不但是不可再生资源日趋枯竭，就连可再生资源也因为过度开发和开发不当，失去了原有的再生能力。
现在主要能源是煤、石油、天然气，还有核能、风能、太阳能、地热能等新能源。
然而煤、石油、天然气这些传统能源的发展历史和前景却不容乐观。
石油被喻为现代工业的血液，在大规模开采和运用石油不到100年的时间里，石油极大地推动了现代文明的发展。然而以目前的开采速度和石油储量来计算，估计最多还可供开采不到50年。因为石油是一种不可再生的稀缺能源，而现代社会和现代工业一刻都离不开石油，为了争夺石油这一重要而稀缺的能源，世界上发生了三次石油危机，分别发生在1973年、1979年和1990年。而每一次石油危机的发生，都伴随着剧烈的政治变动或者是爆发战争。例如前些年爆发的阿富汗战争和伊拉克战争都和争夺石油不无关系。
煤可以说是人类开发利用历史最长的化石能源，煤的使用为人类社会的发展作出了不可磨灭的贡献，日常生活一刻都离不开（包括衣食住行）。但是煤炭被普遍认为是一种对地球不清洁的能源，因为煤的使用会排放大量的二氧化碳等温室气体，产生严重温室效应，而温室效应对地球的危害已经引起了人们的广泛关注，它会带来一些严重恶果，如海平面上升；气候反常，海洋风暴增多；燃煤产生大量的二氧化硫释放到空气中会形成酸雨，酸雨的危害是多方面的，包括对人体健康、生态系统和建筑设施都有直接和潜在的危害。所以人们正在努力减少对煤的利用。
我国天然气可采储量仅占世界总量的1.0％～1.5％。我国人均天然气占有量仅约为世界平均值的1/10。我国天然气资源分布极不平衡，西部盛产天然气，而需求大的地区却在东南沿海，于是建造超长达4000km的输气管线，进入经济发达的上海和广东地区。长输管线本身就有输送能耗，另外还有安全和监管风险等问题。
现在，除积极发展节能产业外，开发新能源，是人类目前解决能源危机的唯一出路。现在人们开发了很多的新能源，包括太阳能、风能、地热能、核能、天然气、潮汐能等，而且在新能源领域激烈的竞争和争夺早已经开始了。（2）中国的能源问题
中国的能源局面尤为严峻。如果按照2020年的能源需求预测量估算，中国煤炭、石油和天然气的资源保证程度，分别为30年、5年和10年。显然，中国迫切需要寻找可替代能源，发展新能源和可再生能源。中国也正努力地发展核能、太阳能、风能等新能源。
尽管中国各地普遍认同以风能、太阳能光伏为代表的新能源发电基地，但行业内一个较为保守的数据是：风力发电成本是传统发电成本的2倍，光伏发电成本则是传统发电成本的10倍。这也决定了风能、太阳能光伏产业无法摆脱依靠国家政策扶持才能生存的命运。
中国现在的发电状况是：核电约占1％，水电约占21％，火电约占78％，其他（包括风电）估计不到0.1％。计划2020年核电达到20％，水电20％，火电仍然会高达将近60％。
核电的优势非常明显。仅仅1kg铀235全部裂变放出的能量，就相当于2700t标准煤燃烧放出的能量。核电站一年产生的二氧化碳仅是同等规模燃煤电站排放量的1.6％，核电站不排放二氧化硫、氮氧化物和烟尘。随着科学技术的不断进步，核电成本优势日益突出。目前，法国核电成本是煤电成本的0.57倍，美国在1962年就已经低于煤电成本。与风电、水电等其他清洁能源相比，核电同时又具有容量大和基本不受天气等外因影响的优点，能够在环境影响的情况下稳定供应大量电力。
不断发展的科学技术也让核电站更加安全可靠，人们也逐渐认识到核电是切实可行和能大规模发展的商用替代能源。目前，我国的核电发展无论是从建设规模，还是技术利用都处于全球处于领先地位，已成为世界上少数几个拥有完整核工业体系的国家之一。到2020年，我国核电运行装机容量有望达到7000万千瓦。
综合来看，新能源又被统称为替代能源、清洁能源或绿色能源，其核心是针对传统能源（主要指化石能源）及能源利用方式的先进性和替代性，它具有清洁、分布广及高效等特点，强调的是可持续性利用。新的能源体系也是人类社会实现可持续发展、走向低碳或绿色经济的重要前提和必不可少的一环，其含义不仅包括能源转型、技术变革，还有发展观念等的转变。1.2.2 环境污染
随着全球经济的发展，人们的生活质量越来越高。然而在人们越来越奢侈的物质享受的背后，却是生态的失调、环境的恶化。到处可见的水污染、大气污染、固体污染、水土流失等一系列严峻的问题，正在威胁着人们的正常生活，同时也严重影响着经济的发展。（1）水污染
人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水受到污染。“水污染”的定义，即水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象称为水污染。
①地球上的水似乎取之不尽，其实就目前人类的使用情况来看，只有淡水才是主要的水资源，而且只有淡水中的一小部分能被人们使用。淡水是一种可以再生的资源，其再生性取决于地球的水循环。随着工业的发展、人口的增加，大量水体被污染；为抽取河水，许多国家在河流上游建造水坝，改变了水流情况，使水的循环、自净受到了严重的影响。水的污染有两类，一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。
②抽取地下水是缓解淡水不足的一个重要途径，但是过度抽取地下水会使地下水水位下降，导致地面沉降。
要解决水污染问题的根本途径还是在于要发动全球人民，增强保护水资源、节约用水意识；同时大力研制循环用水技术、海水淡化技术、污水净化技术等，并对排放污水或污染物质严重的企业、生活区进行合理监管和必要的惩罚，以增强人们保护水资源的意识。（2）大气污染
凡是能使空气质量变差的物质都是大气污染物。大气污染物已知的有100多种，有自然因素（如森林火灾、火山爆发等）和人为因素（如工业废气、生活燃煤、汽车尾气等）两种，并且以后者为主要因素，尤其是工业生产和交通运输所造成的。主要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。
①在干洁的大气中，痕量气体（含量在百万分之一以下的气体或气体组合）的组成是微不足道的。但是在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以致破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象，叫做大气污染。所谓干洁空气是指在自然状态下的大气（由混合气体、水气和杂质组成）除去水气和杂质的空气，其主要成分是氮气，占78.09％；氧气，占20.94％；氩，占0.93％；其他各种含量不到0.1％的微量气体（如氖、氦、二氧化碳、氪）。
大气污染对气候的影响很大，大气污染排放的污染物对局部地区和全球气候都会产生一定影响，尤其对全球气候的影响，从长远的观点看，这种影响将是很严重的。大气中二氧化碳的含量增加：燃料中含有各种复杂的成分，在燃烧后产生各种有害物质，即使不含杂质的燃料达到完全燃烧，也要产生水和二氧化碳，正因为燃料燃烧使大气中的二氧化碳浓度不断增加，破坏了自然界二氧化碳的平衡，以至可能引发“温室效应”，致使地球气温上升。所谓的“温室效应”是指，大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，破坏大气层与地面间红外线辐射正常关系，吸收地球释放出来的红外线辐射，就像“温室”一样，促使地球气温升高的气体称为“温室气体”。二氧化碳是数量最多的温室气体，约占大气总容量的0.03％，许多其他痕量气体也会产生温室效应，其中有的温室效应比二氧化碳还强。
②大气层的保护。许多环境问题是跨国界的，甚至是全球性的，如温室效应和臭氧层破坏等大气污染，需要世界各国的共同努力才能逐步解决。人们在20世纪70年代早期开始认识到氟氯烃可能对环境有害，并且开始寻找代替品。到了80年代中期，臭氧层破坏的证据已经日益清楚，采取共同行动的呼声也日益高涨。1987年，许多国家的代表汇集在加拿大第二大城市蒙特利尔，签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书》。这个协定书是对付世界环境公害的一个开创性的国际协定，目的是控制氟氯烃和其他破坏臭氧层的物质的消费量，保护地球的“外衣”，也保护人类自己。经过修正后的蒙特利尔协定书是一个有约束力的国际协定。
我国已加入了修正后的蒙特利尔协定书，并且制定了履行国际义务的国家行动方案，包括建立保护臭氧层组织管理机构，制定有关行业的管理规范，积极开展替代品和替代技术的研究，为企业的替代技术改造安排配套资金等。（3）固体污染
凡人类一切活动过程产生的，且对所有者已不再具有使用价值而被废弃的固态或半固态物质，通称为固体废物。
固体废物按来源大致可分为生活垃圾、一般工业固体废物和危险废物三种。此外，还有农业固体废物、建筑废料及弃土。固体废物如不加妥善收集、利用和处理处置，将会污染大气、水体和土壤，危害人体健康。
各类生产活动中产生的固体废物俗称废渣；生活活动中产生的固体废物则称为垃圾。
垃圾正成为困扰人类社会的一大问题，大量的生活和工业垃圾由于缺少处理系统而露天堆放，垃圾围城现象日益严重，成堆的垃圾臭气熏天，病菌滋生，有毒物质污染地表和地下水，严重危害人类的健康。这种现象若得不到遏制，人类将被自己生产的垃圾埋葬掉。
要解决固体废物的危害，唯有全体人民集体行动起来，充分利用资源，加强资源再利用，不随便抛弃固体物质。（4）水土流失
水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蚀、搬运和沉淀的整个过程。在自然状态下，纯粹由自然因素引起的地表侵蚀过程非常缓慢，常与土壤形成过程处于相对平衡状态。因此坡地还能保持完整。这种侵蚀称为自然侵蚀，也称为地质侵蚀。在人类活动影响下，特别是人类严重地破坏了坡地植被后，由自然因素引起的地表土壤破坏和土地物质的移动，流失过程加速，即发生水土流失。
水土流失是地表径流在坡地上运动造成的。导致水土流失的原因有自然原因和人为原因。自然原因主要是由地貌、气候、土壤（地面组成物质）、植被等因素造成的。人为原因主要指地表土壤加速破坏和移动的不合理的生产建设活动，以及其他人为活动，如战乱等。引发水土流失的生产建设活动主要有陡坡开荒、不合理的林木采伐、草原过度放牧、开矿、修路、采石等。水土流失防治措施的基本原则是：减少坡面径流量，减缓径流速度，提高土壤吸水能力和坡面抗冲能力，并尽可能抬高侵蚀基准面。在采取防治措施时，应从地表径流形成地段开始，沿径流运动路线，因地制宜，步步设防治理，实行预防和治理相结合，以预防为主；治坡与治沟相结合，以治坡为主，工程措施与生物措施相结合，以生物措施为主。只有采取各种措施综合治理和集中治理，持续治理，才能奏效。1.2.3 风能利用意义
风能是清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。在所有新能源、可再生能源利用技术中，风力发电是技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的方式。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着极其重要的意义。（1）能源供应问题
我国发展风电的必要性近期体现在以下几方面：
①满足能源供应；
②促进地区经济特别是西部地区的发展；
③改善中国以煤为主的能源结构；
④促进风机设备制造业的自主开发能力和参与国际市场竞争能力；
⑤减少温室气体排放。
着眼于全面协调可持续的科学发展，大力发展风电最现实最直接的意义在于以下4点。
①减少温室气体排放 火力发电的外部成本主要是由其燃烧化石燃料时释放的气体所造成的，首当其冲的就是气候变化的最大元凶——二氧化碳。
风力发电是当前既能获得能源又能减少二氧化碳排放的最佳途径。目前中国的电源结构中75％是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁能源比重刻不容缓。尤其在减少二氧化碳等温室气体排放、缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。
根据国家发展和改革委员会的规划，至2020年中国国内风电总装机容量将达到5000万千瓦，年发电量约为1000亿千瓦时以上，即每年能减少二氧化碳排放量为6000万吨以上，将在很大程度上有助于环境质量的改善。
②减少二氧化硫排放 据中国国家环保总局的统计，中国环境对导致酸雨的二氧化硫的最大容量是1200万～1400万吨，但如果按照目前对中国2020年能源前景的估测，中国届时将每年排放2800万吨二氧化硫，如不加以控制，无论对环境，还是对人民健康，这都将是一场灾难。显然发展风电可以在一定程度上减少这些有害气体的排放。
③提高能源利用效率，减轻社会负担 目前常规能源发电一般直接成本较低，电价低，但其社会成本包括运输、环境、资源等比风能发电高得多。建成一个10万千瓦规模的风力发电场所消耗的能量，风电场平均运行4个月多一点就可以完全补偿。如果风电场寿命按20年计算，则可以发出建设一个风电场所消耗的能量58.8倍的电力，这是一个相当大的能量效率值。可见，风力发电对于资源节约、环境保护的效益是十分显著的。
④满足电能供应 电能的应用极其广泛，可以说无时不有，无处不在。随着科学技术的不断发展，人们对电能的依赖性越来越强。然而随着资源日益枯竭，传统发电方式很难满足人们的用电需求，供需矛盾必将日趋尖锐。要解决这一矛盾，必须寻求新的电能来源，风力发电、太阳能发电等清洁可再生能源发电必将承担起这一历史重任。（2）风能利用的效益
风力发电已经被证明具有广泛的社会效益，这些效益除了环境效益以外，还有就业效益和脱贫致富等社会综合效益。
就业效益就是可以增加就业机会。任何一个新的工业都会为当地创造新的就业机会。例如内蒙古的辉腾锡勒风电场所在的县，财政收入的70％来自于风力发电。
总体来说，风电的环境和社会效益可以体现为：
①减少气候变化和其他环境污染；
②创造就业，促进经济增长和革新；
③能源供应多元化；
④提供能源安全，防止因获取自然资源而产生的冲突；
⑤通过增加能源获得减少贫困；
⑥提供对抗化石燃料价格上涨的工具；
⑦燃料免费、充足、永不耗竭。
风能安全、清洁，资源丰富取之不竭。不同于化石能源，风能是一种永久性的大量存在的本地资源，可以提供长期稳定的能源供应。它没有燃料风险，更没有燃料价格风险，而且风能的利用也不产生碳排放。思考题
1-1 风能是如何形成的？
1-2 风能利用有哪几种方式？风力发电发展经历了几个阶段？
1-3 传统能源的发展为什么不容乐观？
1-4 21世纪的最主要能源有哪些？各自特点有哪些？
1-5 温室效应的危害是什么？
1-6 风能发电的社会与经济效益如何？
1-7 风能利用的意义是什么？
1-8 当前世界上风能利用激增的原因是什么？第2章风力发电原理与结构2.1 风力发电技术2.1.1 风力发电
风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种特别好的发电方式。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向，从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动，以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递水平轴风机桨叶，通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴器相连，将转矩传递到发电机的传动轴，此联轴器应按具有很好的吸收阻尼和振动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶，不通过齿轮箱直接与电机相连的风机电机类型。2.1.2 风力发电机原理
风力机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以大气为工作介质的能量利用机械。风力发电利用的是自然能源，相对火电、核电等发电要更加绿色、环保。
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度（微风的程度）便可以开始发电。2.2 风力发电机结构
水平轴式风力发电装置主要由以下几部分组成：风轮、停车制动器、传动机构（增速箱）、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器等，如图2-1所示。图2-1 水平轴式风力发电装置结构简图1—轮毂；2—低速轴；3—行星齿轮增速箱；4—高速轴；5—发电机；6—外罩；7—调速器；8—桨叶片；9—调向机构；10—塔架；11—集电环；12—底架；13—刹车；14—偶合器2.2.1 风轮
风力机是一种流体涡轮机械，与别的流体涡轮机械（如燃气轮机、汽轮机）的主要区别是风轮。高速风力机的风轮叶片特别少，一般由2～3个叶片和轮毂组成。风轮叶片的功能与燃气轮机、汽轮机的叶片功能相同，是将风的动能转换为机械能并带动发电机发电。
风力机叶片都要装在轮毂上，通过轮毂与主轴连接，并将叶片力传到风力机驱动的对象（发电机、磨机或水车等）。同时轮毂也实现叶片桨距角控制，故需有足够的强度。有些风力机采用定桨距角叶片结构，可以简化结构、提高寿命和降低成本。（1）轮毂
轮毂可用铸钢或钢板焊接而成。铸钢的轮毂在加工前先要对铸件进行探伤，绝不允许存在夹渣、缩孔、砂眼、裂纹等缺陷，否则要重新浇铸。焊接的轮毂，焊缝必须经过超声波检查，并按桨叶可能承受的最大离心力载荷确定钢板的厚度。此外，还要考虑交变应力引起的焊缝疲劳。（2）桨叶与轮毂的连接
桨叶与轮毂的连接通常有刚性和柔性两种。小、微型风力机一般都采用桨叶轴与风轮旋转轴相垂直的刚性连接方式。下风向布置的中、大型风力机，为了增大叶尖与塔架之间的净距，桨叶轴与主轴之间的角度往往小于90°，而使风轮在旋转时形一个锥面。这种有“预锥角”的连接方式，不仅可以减少塔影效应的影响，而且在正常运行时，桨叶的弯曲应力还会明显地减少，这是由于气动推力所产生的弯矩与离心力的作用相互抵消的结果。只要锥角选择得当（理想状态tanγ=F-bF，见图2-2），其合成力矩可以为零，此时桨叶将只受拉应力的作用。c假如桨叶与轮毂是铰接的，亦即“预锥角”γ在旋转中是可变的，其补偿效果会更好一些。桨叶的“预锥角”一般取50°～90°。大型的风轮风力机桨叶与轮毂的连接有的还采用柔性的跷跷板式结构，这种结构使桨叶在其旋转面前后5°范围内可以自由地摆动，因而能有效地避开接近地面时风剪切的影响，其缺点是结构比较复杂。图2-2 有“预锥角”的风轮
实践证明，桨叶与轮毂连接所用的螺栓，不仅材质要好，而且还要用双耳止动垫圈将螺母锁定才能有效地防止松动。（3）桨叶轴的强度校核
作用于桨叶上的各种载荷中，桨叶轴所承受的应力是最大的，因此设计时必须进行强度校核。
在计算桨叶轴强度时，应考虑两种负荷情况。
①桨叶位于水平方向 这时桨叶轴主要承受重量力矩M、气动g力矩M、工作力矩M以及离心拉力F的作用，如图2-3所示。bpo图2-3 桨叶在水平位置示意图
危险断面D处的重量力矩（N·m）为M=G（R-l） （2-1）gbg式中 G——桨叶所受重力，N；b
R——桨叶重心到风轮中心的距离，m；g
l——桨叶轴危险断面到风轮中心的距离，m。
桨叶的气动力矩是气动推力所产生的弯矩，可用下式进行估算（N·m）式中 R——风轮半径，m；
F——桨叶所受的气动推力，N。b
桨叶的工作力矩为（N·m）式中 P——风力机的轴功率，kW；
n——风轮的转速，r/min。
桨叶的离心力为（N）2F=mRΩ （2-4）cbg式中 m——桨叶的质量，kg；b-1
Ω——风轮旋转角速度，s。2
桨叶轴在水平位置时危险断面的应力为（N/cm）3式中 W——桨叶轴危险断面的抗弯截面模数，cm；b2
A——桨叶轴危险断面的面积，cm。b
②桨叶轴位于垂直方向 旋转着的风力机，当风向突然改变时，它还将绕塔架中心回转而自动迎风。此时风力机的主要部件除受到正常的载荷M、M、G和F作用外，还承受因回转而产生的附加力矩-pbbc陀螺力矩的作用。桨叶轴的陀螺力矩为（N·m）M=2JΩωsinΩt （2-6）db2式中 J——桨叶的转动惯量，kg·m；b-1
ω——风轮绕塔架中心的回转角速度，s。
从式（2-6）不难看出：M随桨叶在空间的方位而变化（图2-4）。d当桨叶在水平位置时M=0，在垂直方向时达到最大值，此时dM=2JΩω （2-7）db图2-4 桨叶在空间的方位变化
M矢的方向垂直于自转角速度矢和进动角速度矢所组成的平d面，并力图使自转角速度矢沿最短的路径与进动角速度矢重合，亦即垂直于Ω和ω所组成的平面，并力图使Ω转向ω。2.2.2 调速器和限速装置
用调速器和限速装置实现风力机在不同风速时，转速恒定和不超过某一最高转速限值。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速器和限速装置有三类：偏航式，气动阻力式和变桨距角式。（1）偏航式
小型风力机的叶片一般固定在轮毂上，不能改变桨距角。为了避免在超过设计风速太多的强风时，风轮超速甚至吹毁叶片，常采用使整个风轮水平或垂直转角的办法，以便偏离风向，达到超速保护的目的。这种装置的关键，是把风轮轴设计成偏离轴心一个水平或垂直的距离，从而产生一个偏心距。相对的一侧安装一副弹簧，一端系在与风轮成一体的偏转体上，一端固定在机座底盘或尾杆上。预调弹簧力，使在设计风速内风轮偏转力矩小于或等于弹簧力矩。当风速超过设计风速时，风轮偏转力矩大于弹簧力矩，使风轮向偏心距一侧水平或垂直旋转，直到风轮受的力矩与弹簧力矩相平衡。在遇到强风时，可使风轮转到与风向相平行，以达到风轮停转。（2）气动阻力式
将减速板铰接在叶片端部，与弹簧相连。在正常情况下，减速板保持在与风轮轴同心的位置；当风轮超速时，减速板因所受的离心力对铰接轴的力矩，大于弹簧张力的力矩，从而绕轴转动成为扰流器，增加风轮阻力起到减速作用。风速降低后，它们又回到原来位置。利用空气动力制动的另一种结构，是将叶片端部（约为叶片总面积的1/10）设计成可绕径向轴转动的活动部件。正常运行时，叶尖与其他部分方向一致，正常做功。当风轮超速时，叶尖可绕控制轴转60°或90°，从而产生空气阻力，对风轮起制动作用。叶尖的旋转可利用螺旋槽和弹簧机构来完成，也可由伺服电动机驱动。（3）变桨距角式
采用变桨距角除可控制转速外，还可减小转子和驱动链中各部件的压力，并允许风力机在很大的风速下还能运行，因而应用相当广泛。在中、小型风力机中，采用离心调速方式比较普遍，利用桨叶或安装在风轮上的配重所受的离心力来进行控制。风轮转速增加时，旋转配重或桨叶的离心力随之增加并压缩弹簧，使叶片的桨距角改变，从而使受到的风力减小，以降低转速。当离心力等于弹簧张力时，即达到平衡位置。在大型风力机中，常采用电子控制的液压机构来控制叶片的桨距。例如，美国MOD20型风力发电机利用两个装在轮毂上的液压调节器来控制转动主齿轮，带动叶片根部的斜齿轮来进行桨距角调节；美国MOD21型风力发电机，则采用液压调节器推动连接叶片根部的连杆来转动叶片，这种叶片桨距角控制，还可改善风力机的启动特性、发电机联网前的速度调节（减少联网时的冲击电流）、按发电机额定功率来限制转子气动功率，以及在事故情况下（电网故障、转子超速、振动等）使风力发电机组安全停车等。2.2.3 调向装置
风力机可设计成顺风向和逆风向两种形式，一般大多为逆风向式。顺风向风力机的风轮能自然地对准风向，因此一般不需要进行调向控制（对大型的顺风向风力机，为减轻结构上的振动，往往也有采用对风控制系统的）。逆风向风力机则必须采用调向装置，常用的有以下几种。（1）尾舵调向
主要用于小型风力发电装置，如图2-5所示。它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊控制。尾舵面积A’与风轮扫掠面积A之间应符合下列关系：图2-5 尾舵调向原理1—尾杆；2—尾翼式中 e——为转向轴与风轮旋转平面间的距离；
l——为尾舵中心到转向轴的距离。
尾舵调向装置结构笨重，因此很少用于中型以上的风力机。（2）侧风轮调向
在机舱的侧面安装一个小风轮，其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使主风轮转到对准风向为止。（3）风向跟踪装置调向
对大型风力发电机组，一般采用电动机驱动的风向跟踪装置来调向。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。风向标对应每一个风向，都有一个相应的脉冲输出信号，通过偏航系统软件确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。如机舱在同一方向偏航超过3圈以上时，则扭缆保护装置动作，执行解缆。当回到中心位置时解缆停止。2.2.4 传动机构
风力发电机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、增速齿轮箱、联轴器和制动器等（图2-6）。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节，有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，就不需要低速传动轴。也有一些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接驱动发电机。图2-6 风力发电机传动机构1—风轮；2—低速传动轴；3—刹车盘；4—增速齿轮箱；5—高速传动轴；6—偶合器；7—发电机
风力机所采用的齿轮箱一般都是增速的，大致可以分为两类，即定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。“定轴线齿轮传动”结构简单，维护容易，造价低廉。“行星齿轮传动”具有传动比大、体积小、重量轻、承载能力大、工作平稳和在某些情况下效率高等优点，缺点是结构相对较复杂，造价较高。（1）主轴（低速轴）
①主轴与风轮的连接 风轮通过键把转矩传到主轴上。小、微型风力机一般采用单键，中、大型风力机可根据传递转矩的大小选用单键或双键。如采用双键，两个键的位置应错开180°。实践证明主轴与轮毂的连接部分最好要有1:10的锥度，亦即轴端最好呈圆锥形。这种结构不仅装配牢固、拆卸方便，而且还避免了圆柱形轴端应力集中的影响。锁定风轮用的轴端螺母，究竟采用右旋螺纹还是左旋螺纹，要视风轮的转向而定。如果顺风看风轮是顺时针旋转，则螺母要用左旋螺纹，反之要用右旋螺母，因为只有这样才能保证风力机在旋转中螺母越转越紧而不致松脱。为安全起见，螺母上最好还应有止动垫圈。
主轴的材料，小、微型风力机多采用45钢，而中、大型风力机可选用40Cr或其他高强度的合金钢，这两种材料都要经过调质处理。因为经调质处理后的钢材能获得强度、塑性、韧性三方面都较好的综合力学性能，所以设计时，在主轴加工图上必须注明这一技术要求。
主轴上的推力轴承应按风轮在运行中所承受的最大气动推力来选取。
②主轴的强度校核 根据国内外的实践经验，低速轴的直径通常取风轮直径的1％，亦即d=0.01D。若按这一标准设计，其强度一般是有保证的。作用在主轴上的主要负载有工作转矩M，风轮的陀螺p2力矩M，以及风轮所受的重力G。轴端所承受的合成应力为（N/cm）rr式中 M——风轮的陀螺力矩，N·m；r
G——风轮所受重力，N；r
M的大小与桨叶数B有关，当B=2时，r3
W——轴端抗弯截面模数，cm；a2
A——轴端截面积，cm。aM=2JΩω （2-10）rr当B≥3时，M=JΩω （2-11）rr2式中 J=BJ——风轮绕主轴的转动惯量，kg·m。rb
如用单键［图2-7（a）］图2-7 主轴的键槽
若用双键［图2-7（b）］式中 b——键槽宽度，cm；
t——键槽深度，cm。
倘若轴端呈圆锥形，其d为平均值。（2）增速器
与风力机匹配的增速器，不仅要体积小、重量轻、效率高、噪声小，而且还应载荷能力大，启动力矩小。鉴于这些要求，所以风力机增速器的选择至关重要。
实现增速的方法很多，最常用的有齿轮、皮带轮和链轮传动三种，现将其优缺点及使用范围分述如下。
①齿轮传动 齿轮传动由于基本上能满足增速器的上述要求，所以在风力机上获得了最广泛的应用。齿轮增速器通常有图2-8～图2-12所示的五种，比较分析如下。图2-8 二级圆柱齿轮增速器图2-9 同轴式齿轮增速器图2-10 NW型行星齿轮增速器图2-11 NGW型行星齿轮增速器图2-12 少齿差行星齿轮增速器
a.二级圆柱齿轮增速器（图2-8）和同轴式齿轮增速器（图2-9），加工工艺和装配结构均较简便，维护也比较简单。但体积大、结构笨重、效率也低，且二级圆柱增速器的载荷在齿宽上分布不均匀，输入与输出轴又不在一条直线上，安装、使用不很方便。同轴式中间轴承的润滑较困难，高速轴齿轮的能力未得到充分的发挥。作为风力发电用的增速器，尤其是功率较大时，这两种增速器显然有其不足之处。
b.少齿差行星齿轮增速器（图2-12），结构紧凑，体积小，重量轻，且由于它采用内啮合传动，综合曲率半径大，接触强度高，运转平稳，噪声也小。若采用短齿制，其弯曲强度较高，效率也较高。但少齿差传动结构和计算均较复杂，且行星架轴承受力大，寿命也短，输出机构的精度要求也比较高。此外，对风力发电机组而言，少齿差传动参数选择的范围较窄，不易找到较为理想的合理参数的结构。
c.NW型（图2-10）与NGW型（图2-11）行星齿轮增速器，同样具有少齿差传动的优点。与前几种增速器相比，NW型与NGW型可以增加浮动机构，从而使轮齿受载均匀。
综上所述，NW型与NGW型行星齿轮增速器用在风力发电上是较为合适的。
齿轮增速器的传动比可根据风轮与发电机的转速之比确定，而功率则要按风力机输出功率的1.2～1.5倍数考虑。
最后还应指出：选用齿轮增速器时，要注意其输入轴与输出轴的方向是一致还是相反，否则将造成被动，甚至不能使用。此外，如要求的传动比与标准值相差太大，最好委托齿轮专业厂制造，而不要擅自请一般工厂加工，因为非专业工厂生产的齿轮，往往达不到精度要求，而且热处理质量也不一定有保证，这一点需引起注意。
②皮带轮传动 皮带轮传动通常有三角皮带和同步齿形皮带两种。前者的主要优点是价格便宜，所以多用于传动比不很大的微型风力机上。它的致命缺点是长度会随气温的高低而伸缩，使用中要经常进行调整，否则不是打滑就是过紧。后者实质上是带齿的平皮带，它是以钢丝绳或合成纤维为强力层，以聚氨酯或氯丁胶为基体的皮带。同步齿形皮带的优点是传动准确、不会打滑，且可以在低速下传递动力。此外，它还具耐油、耐磨以及抗老化等性能。主要缺点是齿形加工复杂、安装要求严格，且成本较高。上海胶带厂目前已有8种模数（1.5、2、2.5、3、4、5、7、10）的产品出售。权衡同步齿形皮带的优缺点，把它作为小型风力机的传动装置还是可以的。
③链轮传动 链轮传动的优点是滑动少、效率高，且能在低速下使用，若用高速场合，通常会有振动与噪声。此外，还要解决链条的润滑、密封以及拉紧等问题，因而实用的价值不是很大，目前在风力机增速传动上已不多见了。
总之，风力机的增速机构究竟采用哪一种形式，要视具体情况而定。比如齿轮传动尽管优点很多，但其价格较高，所以直径2m以下的微型风力机最好尽量不要采用，否则将使塔架上方的重量增加，整机造价提高。此外，设计时还要牢牢记住：尽可能选用市场上能买到的标准产品，这样不仅价格要比非标准的便宜，而且一旦发生故障或超过使用年限需要更换部件时，由于备品容易采购，故检修期可以缩短，因而停机带来的损失相对也就小一些。（3）联轴器
传动装置中的联轴器最好选用尼龙柱销式。它不仅具备结构简单，制造容易，经久耐用和维护方便等优点，而且还有缓冲减振的功能，因此用在风力机上十分合适。尼龙柱销联轴器的设计业已标准化，可选用HL系列，柱销的材料应为尼龙6，其力学性能要符合规定。2.2.5 塔架
风力机的塔架除了要支撑风力机的重量外，还要承受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动特性有密切关系，特别对大、中型风力机的影响更大。塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的15％左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。
由于近年来风力发电机组容量已达到5MW，风轮直径达126m，塔架高度达100m。在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。2.2.6 附属设备
为了使风力机能正常地运转，塔架上方除风轮、传动装置、对风装置以及调速机构外，还应配备一些必不可少的附属部件，如机舱、机座、回转体以及制动装置等。本节将逐一进行讨论。（1）机舱
风力机长年累月在野外运转，不但要经受狂风暴雨的袭击，还时刻面临尘砂磨损和盐雾侵蚀的威胁。为了使塔架上方的主要设备及附属部件（桨叶及尾舵或舵轮除外）免受风砂、雨雪、冰雹以及盐雾的直接侵害，往往用罩壳把它们密封起来，这罩壳就是“机舱”。
机舱要设计得轻巧、美观并尽量带有流线型，下风向布置的风力发电机组尤其需要这样，最好采用重量轻、强度高而又耐腐蚀的玻璃钢制作；也可直接在金属机舱的面板上相间数以玻璃布与环氧树脂以形成“土”的玻璃钢保护层。小型风力机的机舱尚可用角钢作骨架，用镀锌钢板或塑料复合薄钢板作面板。倘若用普通薄钢板作面板，则要先经过除锈处理后，再刷上耐腐蚀的冷固型环氧树脂漆，并要定期进行维护保养。
小型风力机的机舱，上半中间部分应有能拉开或掀起的活动舱盖，以便停机时可对机舱内有关设备进行检查或向增速器加油。对中、大型风力机，在下机舱的后半部最好要有吊孔，大小至少要保证发电机转子和增速器的大齿轮能由此进出，否则将给机舱内大部件的检修造成困难，这一点在机舱设计时务必注意，并设法尽量做到。（2）机座
机座用来支撑塔架上方风力机的所有设备及附属部件，它牢固与否将直接关系到整机的安危和使用寿命。
机座的设计要与整体布置统一考虑，在满足强度和刚度要求的前提下，应力求耐用、紧凑、轻巧。小、微型风力机由于塔架上方设备少、重量轻、机座实质上就是由底板再焊以适当的加强肋构成。中、大型风力机的机座相对来讲要复杂一些，它通常由纵梁、横梁为主，再辅以台板、腹板、肋板等焊接而成。焊接时必须严格根据焊接工艺施焊，并采取必要的技术措施以减少变形。主要焊缝需经探伤检查，决不允许有未熔合、未焊透，更不得有裂纹、夹渣、气孔等缺陷。焊好后还要进行校正、找平等工作。台板面应统一刨平，而后由熟练的钳工划线钻地脚螺栓孔。如要在机座上焊以吊架，则要预先设计好并在台板面刨之前焊好。台板面一经刨平，绝不允许再对机座进行焊接作业，机座制作完毕，除台板面外，其余部分均要刷上防锈漆。
传动装置与发电机等主要设备在机座上安装就位并找好中心后，应再饺孔并打上定位销。（3）回转体
回转体实际上就是机座与塔架之间的连接件。通常由固定套、回转圈以及位于它们之间的轴承组成。固定套锁定在塔架上部，而回转圈则与机座相连。这样通过它们之间的轴承作用，风力机在风向变化时，就能绕其回转而自动迎风。
作用到回转体上的不仅有塔架上方所有设备与附属部件的重量，而且还有作用于风轮及回转体本身上的气动推力，因此回转体选用的轴承，应该既能承受轴向力又能承受径向力。中、大型风力机的回转设备通常借用塔式吊车上的回转机构，这种机构所采用的交叉轴承可以同时承受轴向和径向的联合载荷，所以用到风力机上完全可以满足要求。小型风力机的回转体通常是在上下各设一个轴承，这两个轴承都可以选用圆锥滚子轴承（图2-13），也可以上面用向心球轴承以承受径向载荷，而下面用推力轴承来支撑塔架上方的全部重量。微型风力机由于塔架上方设备的重量往往不足100kg，如回转体也采用滚动轴承，则会造成风力机对风向的变化过于敏感，致使风轮频繁地回转，这样不但不能充分地捕捉风能，而且还会使部件的寿命缩短。所以，微型风力机的回转体不宜采用滚动轴承，而要用青铜加工的轴套。图2-13 回转体1—轴承；2—回转圈；3—固定套（4）制动装置
制动装置或称刹车机构，是风力机极为重要的附属部件，它保证风力机在维修或大风期间风轮处于制动状态，而不致盲目旋转。
刹车机构可以装在低速轴上，也可以设在高速轴上。低速轴上的制动力矩比高速轴大i倍（i为增速比），因此它的刹车机构大一些。低速轴一经“抱闸”，风轮、传动装置以及发电机等都转动不起来，人们可以放心地在机舱里进行增速器、发电机以及其他部件的检查或维修。如刹车机构设置在高速轴上，虽然制动力矩比低速轴小许多，但增速器一旦解体检查，对低速轴还要施以临时制动，这就不怎么方便了。因此，刹车机构究竟安放在哪里？在设计时要经过认真比较后再作决定。
小、微型风力机的刹车机构一般都安放在低速轴上，而且往往都采用带式制动器，经过一套滑轮组把刹车绳从回转体中间引下来。开机前先松开制动，停机后再施以抱闸的操作，均可在地面上通过刹车绳得以实现。为了使小、微型风力机的尾舵具有对风与折尾两种功能，尾杆与机座的连接要采用铰接，而不是刚性连接的方式。这种系统的刹车与折尾可以做成联动的，拉紧刹车绳后，既可实现折尾，又能达到抱闸制动之目的。反之，放松刹车绳，可同时实现松闸刃与对风。
滑轮的材料尽量不用钢，最好用耐磨的尼龙6车制，因钢制滑轮与销轴一旦锈蚀就会卡涩，而转动不起来。
中、大型风力机的刹车机构可选用YWZ型液压式或YDWZ型液压电动式制动器，从地面进行遥控。倘若机组采用液压变距调节，则最好配备以嵌盘式液压制动器，因为两者可共用一个液压泵，使系统更加简单、紧凑。思考题
2-1 简述风力发电原理。
2-2 风力发电有何特点？
2-3 风电机组发展趋势是什么？
2-4 风力机有哪两大类？
2-5 水平轴风力发电机组装置由哪几部分组成？
2-6 风力机风轮是如何构成的？各部分的作用是什么？实训一 风力发电机组结构认识
一、实训目的
①了解风力发电机组的基本结构。
②熟悉风力发电的基本原理和各系统的功能。
二、实训设备
①水平轴风力发电机组缩比控制系统，如图2-14所示。图2-14 风电机组缩比系统装置简图1—轮毂；2—轮毂安装法兰；3—前轴承座；4—前轴承；5—机舱底板；6—低速轴；7—齿轮箱；8—齿轮箱座；9—闸；10—偏航闸；11—偏航驱动；12—高速轴；13—安全联轴器；14—发电机；15—冷却器
②仪器仪表工具一套。
三、实训内容
①了解风电机组缩比系统的功能和各系统的功能。
②了解风力发电的工作原理。
四、实训步骤
①风力发电系统组成：详细阅读实验台的使用手册，熟悉实验台各个部分的功能，能够进行熟练的操作。
②风力发电的原理：利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是3m/s的风速度便可以开始发电。它主要包含风轮、齿轮箱以及发电机三个部分。
③风力发电机因风量不稳定，故其输出的是变化的交流电，需经控制器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
④检查连线是否连接完好，按风电平台使用手册说明接上电源，开启电脑上位机程序。
⑤启动缩比系统，熟悉各个按钮的作用。
五、实训思考题
①风力发电机组主要有几个系统？每个系统的作用是什么？
②叙述风力发电机组的能量转换过程。
六、实训报告要求
学生通过实训完成实训报告。实训报告的要求如下：
①实训班级姓名；
②实训内容及步骤；
③实训中遇到的问题及解决方法；
④实训体会。实训二 风速风向检测实验
一、实训目的
①了解风力发电机组风向风速测量方法及测量原理。
②学会使用风向标风速仪等测量仪器。
③观察不同风速变化下缩比风力发电机组的运行过程。
二、实训设备
风向标，风速仪，缩比风力发电机组。
三、实训内容
①安装风向标风速仪。
②掌握风向标风速仪的工作过程。
③记录在不同风速下变桨系统、偏航系统等的工作过程。
四、实训步骤
①仔细阅读风向标风速仪的安装使用说明书，将风向标风速仪安装在缩比风力发电机组上，把风向标风速仪和控制系统连接起来。
②启动缩比风力发电机组，检查缩比系统的各系统状态。
③打开鼓风机，按一定规律改变风速，观察在风速变化下缩比风力发电机组变桨系统、偏航系统等的变化，记录下各参数变化。
五、实训思考题
①风向表风速仪的工作原理是什么？
②随着风速逐渐变大，桨叶角如何变化？风机的启动风速和什么有关？
六、实训报告要求
学生通过实训完成实训报告。实训报告的要求如下：
①实训班级姓名；
②实训内容及步骤；
③实训中遇到的问题及解决方法；
④实训体会。第3章变桨系统
随着风力发电机单机容量的大型化，变桨距控制风力发电技术，因其高效性和实用性正受到越来越多的重视。3.1 变桨系统综述
变桨距风力发电机组中，叶片的桨距角可以自动进行调节。当风力发电机启动时，可以通过变距来获得足够的启动转矩；当风速过高时，叶片可以沿着纵轴方向旋转，以改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机获得的空气动力转矩，控制风轮能量吸收，以保持一定的输出功率。变桨距调节的优点是机组启动性能好，输出功率稳定，机组结构受力小，停机方便安全；缺点是增加了变桨距装置，增加了故障概率，控制程序比较复杂。
变桨距风力发电机比定桨距风力发电机更具发展优势，因此变桨距调节成为大型风力发电机的最佳选择。变桨距调节提供了较好的输
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