文 献 综 述

1. 1背景

随着国民经济的持续发展，能源危机和环境问题逐渐凸显^[1]。1990年，在丹麦举行了一次意义深远的会议，讨论了利用风车将风能转化成机械能进而转化为电能的可能性。与此同时，在德国、瑞士、澳大利亚和美国等发达国家也开展了相关的研究。风力发电以其研究成熟和价格低廉得到了迅猛发展^[2]。纵观风力发电进程，除全球风电装机容量的快速增加以外，风力机单机容量的不断增大是最显著的特征之一^[3]。随着风力机功率的增大，风力机体积庞大，叶片过长，质量过大，在陆上应用会出现一系列的运输与安装难题，因噪声和庞大的体积使陆上选址遭遇很大困难。而且大功率风力机一旦出现问题，不仅造成停机、停电的损失，还要考虑维修、吊装及更换零部件、超限运输、重复安装等花费，维修费用巨大。在实际利用中，风力机很难达到贝兹极限0.59，因为受到翼型，实际风能密度太低，风速不稳定的影响，会造成风机功率的一部分损失。因为这些原因，风电的价格仍然居高不下，目前还无法以和常规电相同的价格用上风电。风电的发展进一步的受到限制。

1.2多转子风力发电系统的研究

基于以上原因，为了解决大型风力发电系统与小型风机的问题，许多学者提出了多转子风力发电系统来解决小型风机发电量低，大型风机安装运输难的问题。美国发明家 Selsam制造了”新型多转子风力涡轮机”^[4]多个转子同轴安装在一个轴上，共同驱动一个发电机工作，从而产生更多的电力。多转子风力发电系统能够很好地解决大型风力发电系统安装运输等问题，尤其能够减小风剪切给系统带来的影响。已有的研究表明^[5]:风力机安装高度越高、风轮半径越小、风剪切系数越小，叶片旋转过程中载荷变化越小，用多个小型风力机代替单个大型风力机可以有效减小风剪切的影响。研究者通过塔架在暴风工况和额定工况下塔架的应力云图找出了塔架的薄弱点;计算出了塔架的前9 阶固有频率和振型，并通过分析得到主塔架的外径越大，壁厚越厚，横杆塔架安装高度越低，风轮质量越小，塔架的前2 阶固有频率越大。

多转子风力发电系统的塔架一般分为上塔架和下塔架，二者通过轴承连接，可实现相对回转运动，上塔架上设置有多层横梁和机舱架，多个风力机安装在横梁、机舱架和塔架顶部上，风力机包括叶片、发电机、机舱等单元，上塔架及其附属结构通过尾舵实现整体对风。多个风力机的电能经整流、串并联连接后集中输送， 在用户端经逆变器变为工频交流电供给负载使用。文献^[6][7]提出了一种多风轮风力发电系统(如图^[1]所示),塔架分为上部塔架和下部塔架，上、下部塔架之间通过回转轴承连接，回转轴承上安装有驱动机构，以实现整个上部塔架及附属结构的整体对风和安全偏航，下部塔架上设置有拉索，上部塔架上设置有多层横梁和机舱架，风力机安装在横梁、机舱架和塔架顶部，风力机包括多个叶片、发电机、机舱等单元。

图1 多风轮风力发电系统

与安装一个小功率风力机的单风轮传统风力机相比，多风轮风力发电系统在基本相同的占地面积上，极大提高了单塔的装机功率。与总功率相同的传统大功率风力机相比，多风轮风力发电系统由于是通过使用多个小功率风力机的方式提高了单塔的总功率，所以克服了大功率风力机的运输、安装、噪声以及选址上的难题。

1.3聚风型风力机的研究