风力机的分类方式较多,按照桨叶、风轮转速、传动结构、发电机类型、并网方式以及风力发电机的旋转轴等可分为以下6种类型。
1.按桨叶分类
(1)失速型。高风速时,因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作,限制风力机的输出转矩与功率。桨叶与轮毂的连接是固定的,即当风速变化时,桨叶节距角不能随之变化。这一特点使得当风速高于风轮的设计点风速(额定风速)时,桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近,桨叶的这一特性称为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突甩负载的情况下,桨叶自身必须具备制动能力,使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。20世纪70年代,失速性能良好的桨叶的出现,解决了风力发电机组自动失速性能的要求;20世纪80年代叶尖扰流器的应用,解决了在突甩负载情况下的安全停机问题,这些使得定桨距失速型风力发电机组在过去20多年的风能开发利用中始终处于主导地位。
(2)变桨型。高风速时通过调整桨距角,限制输出转矩与功率。变桨距风轮运行是通过改变桨距角,使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化,从而在低风速时能够更充分地利用风能,具有较好的气动输出性能,而在高风速时,又可以通过改变攻角的变化来降低叶片的气动性能,使高风速区风轮功率降低,达到调速限功的目的。
2.按风轮转速分类
(1)定速型。风轮保持一定转速运行,风能转换率较低,与恒速发电机对应。定速风力机一般采用时速控制的桨叶控制方式,使用直接与电网相连的异步感应电动机。由于风能的随机性,驱动异步发电机的风力机低于额定运行的时间占全年运行时间的60%~70%。
(2)变速型。变速风力机一般配备变桨距功率调节方式。风力机必须有一套控制系统来调节,限制转速和功率。调速与功率调节装置的首要任务是使风力机在大风运行发生故障和过载荷时得到保护;其次,使风力发电机组能够在启动时顺利切入运行,电能质量符合公共电网要求。
1)双速型。可在两个设定转速运行,改善风能转换率,与双速发电机对应。
2)连续变速型。在一段转速范围内连续可调,可捕捉最大风能功率,与变速发电机对应。
3.按传动结构分类
(1)齿轮箱升速型。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机(减小发电机体积重量,降低电气系统成本)。由于叶尖速度的限制,风轮旋转速度一般较慢。风轮直径在100m以上时,风轮转速在15r/min或更低。为了使发电机的体积变小,就必须使发电机输入转速更高,这时就必须使用变速箱提高转速使得发动机输入转速在1500r/min或者3000r/min,这样,发电机体积就可以设计得尽可能小。
(2)直驱型。直接连接低速风力机和低速发电机(避免齿轮箱故障)。将叶轮和发电机直接连接在一起,这样的风力发电机称为无齿轮箱风力发电机。这种发电机由于没有齿轮箱,所以结构简单,制造方便,维护方便。
4.按发电机类型分类
(1)异步型。(www.xing528.com)
1)笼型异步发电机。功率为600kW、750kW、800kW、1250kW,定子向电网输送不同频率的交流电。
2)绕线式双馈异步发电机。功率为1500kW,定子向电网输送50Hz交流电,转子由变频器控制,向电网间接输送有功或无功功率。
(2)同步型。
1)电励磁同步发电机。由外接转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
2)永磁同步发电机。功率为750kW、1200kW、1500kW,由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
5.按并网方式分类
(1)并网型。并入电网,可省却储能环节。
(2)离网型。一般需配蓄电池等直流储能环节,可带交、直流负载或与柴油发电机、光伏电池并联运行。
6.按风力发电机的旋转轴分类
(1)水平轴风力发电机。该风力发电机旋转轴与叶片垂直,一般与地面平行,旋转轴处于水平。
(2)垂直轴风力发电机。该风力发电机旋转轴与叶片平行,一般与地面垂直,旋转轴处于垂直。
目前占市场主流的是水平轴风力发电机,通常所说的风力发电机也是指水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用,但是用来发电还是近十几年才兴起的。与传统的水平轴风力发电机相比,垂直轴风力发电机具有不对风向、转速低、无噪声等优点,但同时也存在启动风速高、结构复杂等缺点,这都制约了垂直风力发电机的应用。
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