När det inte finns någon extern strömkälla kan en vindkraftverk generera el på följande sätt:
I. Principen för vinddriven drift
Omvandling av vindenergi till mekanisk energi
Bladen på en vindkraftverk är utformade i ett specifikt format. När vinden blåser över bladen konverteras den kinetiska energin i vinden till roterande mekanisk energi i bladen, tack vare bladens speciella form och aerodynamikens principer.
Till exempel är bladen på en stor vindkraftverk vanligtvis flera tiotal meter långa och har en form liknande en flygplansvinge. När vinden blåser med en viss hastighet över bladen skiljer sig luftflödets hastigheter på bladens övre och undre ytor, vilket genererar ett tryckskillnad och driver bladen att rotera.
Överföring av mekanisk energi genom transmissionsystemet
Rotationen av bladen överförs till generatorns rotor genom transmissionsystemet. Transmissionsystemet innehåller vanligtvis komponenter som en växellåda och en axel. Dess funktion är att omvandla den långsamma, högtorque rotationen av bladen till den snabba, lågtorque rotationen som krävs av generatorn.
Till exempel kan växellådan i vissa vindkraftverk öka rotationshastigheten av bladen med flera tiotal eller hundra gånger för att uppfylla generatorns hastighetskrav.
II. Generatorns arbetsprincip
Elproduktion genom elektromagnetisk induktion
Vindkraftverk använder vanligtvis asynkrona eller synkrona generatorer. I frånvaro av en extern strömkälla roterar generatorns rotor under drivning av bladen, som skär genom magnetfältet i statorspoleningsvridningen och därmed genererar en inducerad elektromotorisk kraft.
Enligt induktionslagen genereras en inducerad elektromotorisk kraft vid de två ändarna av en ledare när denna rör sig i ett magnetfält. I en vindkraftverk motsvarar generatorns rotor en ledare, och magnetfältet i statorspoleningsvridningen genereras av permanentmagneter eller spoleningsvridningar.
Till exempel har en asynkron generators rotor en korgstruktur. När roteraren roterar i magnetfältet skär ledarna i roteraren genom magnetfältet och genererar en inducerad ström. Denna inducerade ström genererar i sin tur ett magnetfält i roteraren, som interagerar med magnetfältet i statorspoleningsvridningen, vilket orsakar att roteraren fortsätter rotera.
Självupphetsning och spänningsskapande
För vissa synkrona generatorer krävs spänningsskapande genom självupphetsning för att etablera det initiala magnetfältet. Självupphetsning och spänningsskapande innebär att man använder generatorns restmagnetism och armaturreaktionen för att etablera generatorns utgångsspänning i frånvaro av en extern strömkälla.
När generatorns rotor roterar genereras en svag inducerad elektromotorisk kraft i statorspoleningsvridningen på grund av restmagnetismen. Denna inducerade elektromotoriska kraft passerar genom rektifierare och reglerare i upphetsningskretsen för att upphetsa upphetsningsvridningen, vilket stärker magnetfältet i statorspoleningsvridningen. Medan magnetfältet ökar kommer den inducerade elektromotoriska kraften att gradvis öka tills den når generatorns nominella utgångsspänning.
III. Effektuttag och styrning
Effektuttag
Strömmen som produceras av generatorn överförs till elkraftnätet eller lokala laster via kablar. Under överföringen måste den transformeras upp eller ned av en transformer för att möta olika spänningskrav.
Till exempel måste strömmen som produceras av stora vindkraftverk vanligtvis transformeras upp av en stegupp-transformer innan den kan anslutas till högspänningsnätet för långdistansöverföring.
Styrning och skydd
För att säkerställa vindkraftverkets säkra och stabila drift behöver det styras och skyddas. Styrsystemet kan justera bladens vinkel, generatorns rotationshastighet, etc. beroende på parametrar som vindhastighet, vindriktning och generatorns effektuttag för att uppnå den bästa effektgenereringseffekten och skydda utrustningen.
Till exempel, när vindhastigheten är för hög, kan styrsystemet justera bladens vinkel för att minska belastningsytan på bladen för att förhindra att vindkraftverket skadas av överbelastning. Samtidigt kan styrsystemet också övervaka parametrar som generatorns utgångsspänning, ström och frekvens. Vid ovanliga tillstånd kan det avbryta strömförsörjningen i tid för att skydda utrustningens och personalens säkerhet.
