风力发电机组抗台风性能研究

一、风电机组抗台风性能研究的背景及意义

在环境污染问题越来越突出，资源紧缺日益严重的今天，可再生能源的开发利用受到了各国政府的高度重视和大力推广，其中风能和太阳能最为引人关注。因风能是目前世界上最具商业开发价值的可再生能源，所以政府和开发商们更为关注风能资源的储量和分布。我国地域广阔，风力资源丰富，根据国家气象局的数据，中国可开发风力资源总量达10 亿千瓦，其中陆地有近3 亿千瓦，海上有7 亿千瓦。新疆、蒙古、东北和沿海地区都是风力资源非常丰富的地区，其中沿海及其岛屿地区的风能丰富带包括：山东、

江苏、上海、浙江、福建等省（市）沿海近10 千米宽的地带。可见东南沿海地区是我国风力资源最为丰富的地区之一，然而由于设备和技术等多方面的影响，沿海风力发电一直为其特殊的气候条件所制约。台风等热带气旋对于沿海风力发电机组的正常工作及维护具有重要影响，因此如何有效的对抗台风和利用台风一直是风电业界探讨和研究的主要课题之一。

近年来，由于技术的进步和各种条件的改善，风电市场开始呈现出前所未有的高速增长趋势。但是我国在风力发电方面起步较晚，风力发电技术还是有所欠缺，尤其是在风电机组对抗恶劣气候条件（如台风等）方面，技术条件并不是十分成熟，从而导致我国在风力发电机组设计制造和市场的日益增长的需求之间还存在不小的差距。进一步研究风力发电技术，分析台风等热带低气压对于风电机组的破坏机理，提高风电机组抗台风的性能，设计制造具有抗台风能力的风电机组，不仅能够满足增长中的市场需求，而且对于缓解我国紧张的能源供应压力，进一步开发沿海地区丰富的风力资源具有不可忽视的重要意义。

二、国内外研究现状

随着发达国家对能源和环境污染问题的重视，风力发电得到了越来越多国家的关注和重视，更有甚者，在某些国家风力已经成为重要的能源。风力发电兴起于发达国家，因此欧洲各国和美国在风力发电技术研究和市场开发政策制定方面走在世界的前列。其风电相关技术发展快速，风机驱动技术、制造工艺技术、新材料技术、风机检测和控制技术等都为我国的风力资源开发提供了宝贵的经验和有益的借鉴。

目前，国内外风力发电机组的设计都依据相关的专业标准，以确保风电机在标准规定的环境条件下能持续可靠运行。由于风电技术主要源起于欧洲，所以这些标准以欧洲的气候环境为主要依据，并未将台风这种西太平洋的气候现象加以足够的考虑。国内外对于风力发电机组防台风的工作研究还不多，如果使用根据欧洲标准设计的风电机组，很难保证在台风地区也能可靠运行。我国东南沿海拥有丰富的风力资源，但其气候特点情况有别于其他地区的风资源情况。前一些年，在浙江等东南华南地区的风电项目由于对台风的影响认识不是十分清楚，在风电机组设计、微观选址、风机选型、风电场设计中照搬西方国家的标准和工作模式，致使一些风电项目因台风而受到较大的损失。因此，在我国东南沿海风力资源开发中必须充分研究台风等热带气旋的特征，制定相应的标准，为适应热带气旋等极端气象条件的风电机组设计进行理论研究。

三、风力发电技术基本原理及发展进程

风力发电的基本原理是风的动能通过风轮机转换成机械能，再带动发电机发电转换成电能。目前主导的风力发电机组一般为水平轴式风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片装在轮毂上所组成，低速转动的风轮由增速齿轮箱增速后，将动力传递给发电机。上述这些部件都布置在机舱里，整个机舱由塔架支起。为了有效地利用风能，偏航装置根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对向风。由于齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，国外开始研制一种直接驱动型的风力发电机组（亦称：无齿轮风力发电机），这种机组采用多级异步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮为了跟踪最佳叶片尖速比，使风电机组在较大的风速范围内获得最佳功率输出，须对转速或功率进行调节。常用的调节方式有两种：一种是失速调节，另一种是变桨距调节一即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节。