10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90% 以上的份额，集中度比较高。近来，GE风能（GE Wind Energy）、德国REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。
（3）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。
中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。
第一阶段是1986～1990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。
第二阶段是1991～1995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。
第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。
随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！
1.1.2 风力发电的原理和特点
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。
风力发电有如下特点
（1）可再生，且清洁无污染。
（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 （3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。
风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是
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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 作为常规电网的电源，与电网并联运行。 本论文讨论的是前者，即独立运行风电系统的解决方案。 1.2 论文系统概述
该独立运行的风力发电系统结构图如下1—1所示：
图1-1 独立运行的风力发电系统结构图
其具体运行状况为： （1）风力吹动风轮转动。
（2）风力发电机组通过连接的齿轮变速箱来提高输出端转轴的转速，该轴与发电机相
连。
（3）转轴带动单相交流发电机转动，开始发电。（此时发出的是频率和幅值都不稳定
的交流电）。
（4）引出的单相交流电通过整流器变成稳定的直流电。
（5）a.若风能充足，直流电经控制电路流向逆变器，并向蓄电池充电；
b.若风能不足，控制电路切换为蓄电池供电状态。
（6）直流电经逆变器变换为恒频稳定交流电。此时即可实现为负载供电。
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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 第二章 风力机原理及其结构 风力机经过多年的发展和演变，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为两类：①水平轴风力机，风伦的旋转转轴与风向平行；②垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向。本系统中采用的是水平轴风力机。
2.1 风力机的气动原理
风力发电机组主要利用气动升力的风轮。气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图2--1。
图2-1气动升力图
从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。在产生升力的同时也产生阻力，风速也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动。
2.2 风力机的主要部件
水平轴风力机主要由风轮、塔架、对风装置、齿轮箱组成，整体结构如图2—2所示：
（1）风轮：由1~3个叶片组成，这是吸收风能的主要部件。当风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，离心力对叶片是一个拉力，而气动力使叶片弯曲。当风速高于风力机的设计风速时，为防止叶片损坏，需对风轮进行控制，控制风轮有三种方法：a，使风轮偏离主方向；b，改变叶片角度；利用扰流器，产生阻力，以降低风轮转速。
（2）塔架：为了让风轮能在较高的风速中运行，需要塔架把风轮支撑起来。这时塔架需要承受两个主要的载荷：一个是风力机的重
力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使 图2-2风力主要部结构图
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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 塔架向风的下游方向弯曲。选择塔架时要必须考虑其成本，根据实际情况而定。 （3）对风装置：自然界的风向及风速一直变化，为了得到较高的风能利用率，应使风能的旋转面经常对准风向为此需要对风装置。本论文只介绍小型风力机的对风装置，如图2—4所示，利用尾舵控制对风。由尾翼带东水平轴旋转，是风轮总朝向风吹来的方向。
图2-4对风装置
（4）齿轮箱
由于风轮的转速比较低，而且风力的大小经常变化着，这又使得转速不稳定。所以，在带动发电机之前，还必须附加一个齿轮箱，再加一个调速装置使得转速保持稳定，然后在连接到发电机上。齿轮箱的主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，通过齿轮副的增速作用使其得到相应的转速。在装机是应使其与轮毂相连。为了增加齿轮箱的制动能力，在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动装置实现联合制动。
2.3 风力机的功率
风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。
风轮从风中吸收的功率如下：
P?CpA?v3 (2—1) A??R2 (2—2)
式中：P为输出功率，风速。
众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1。
Cp为风轮机的功率系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为
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10. 15 湖南电气职业技术学院毕业设计 第三章 电气设计部分
3.1 发电机
在本论文讨论的独立风力发电系统中，采用的是硅整流自励单相交流发电机。
3.1.1 发电机结构、工作原理及电路图
本论文提出的系统采用蓄电池组为励磁功供电，并在蓄电池组合励磁绕组之间串联励磁调节器。其电路图如图3—1所示。发电机的定子由定子铁心和 定子绕组组成，定子绕组为单相，Y型连接，放在定子铁芯内圆槽内。转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）和转子轴组成，转子铁芯可做成凸极式或形，一般都用爪形磁极，转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。
图3-1串联励磁调节器
独立运行的小型风电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时风力机转速随之变化，与风力机相连的发电机的转速也随之变化，因而发电机的出口电压也会产生波动，这将导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又造成发电机出口电压的波动。这种连锁反应是的发电机的出口电压的波动范围不断增加。显而易见，如果电压的波动得不到控制，在向负载供电的情况下，将会影响供电质量，甚至损坏用电设备。此外独立运行的风力发电系统都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组
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