第2章 风力发电机组的结构

2.1 概述

2.1.1 风力发电机组的组成及工作原理

2.1.1.1 组成

1．风力机

风力机是风力发电机组的重要部件，风以一定的风速和攻角作用在风力机的桨叶上，使风轮受到旋转力矩的作用而旋转，同时将风能转化为机械能来驱动发电机旋转。风力机有定桨距和变桨距之分。风力机的转速很低，一般在十几转每分至几十转每分之间，需要经过传动装置升速后，才能够驱动发电机运行。直驱式低速风力发电机组可以由风力机直接驱动发电机旋转，省去中间的传动机构，显著提高了风电转换效率，同时降低了噪声的维护费用，也提高了风力发电系统运行的可靠性。

2．传动系统

传动系统是指从主轴到发电机轴之间的主传动链，包括主轴及主轴承、齿轮箱、联轴器等，其功能是将风力机的动力传递给发电机。主轴即风轮的转轴，用于支承风轮，并将风轮产生的扭矩传递给齿轮箱或发电机，将风轮产生的推力传递给机舱底座和塔架。齿轮箱位于风轮和发电机之间，是传动系统的关键部件，风力发电机组通过齿轮箱将风轮的低转速变换成发电机所要求的高转速，同时将风轮产生的扭矩传递给发电机。

3．发电机

发电机的任务是将风力机轴上输出的机械能转换成电能。发电机的选型与风力机类型以及控制系统直接相关。目前，风力发电机广泛采用感应发电机、双馈（绕线式转子）感应发电机和同步发电机。对于定桨距风力机，系统采用恒频恒速控制时，应选用感应发电机，为提高风电转换效率，感应发电机常采用双速型。对于变桨距风力机，系统采用变速恒频控制时，应选用双馈（绕线式转子）感应发电机或同步发电机。同步发电机中，一般采用永磁同步发电机，为降低控制成本，提高系统的控制性能，也可采用混合励磁（既有电励磁又有永磁）同步发电机。对于直驱式风力发电机组，一般采用低速（多级）永磁同步发电机。

4．偏航系统

偏航系统主要用于风轮对风，使风轮能够最大限度地将风能转换成轴上的机械能。大中型风力发电机组都需要设置偏航系统。偏航系统设置在机舱底座与塔架之间，由偏航驱动装置为偏航运动提供动力。偏航驱动装置大多采用电动式，也可采用液压式结构。偏航传感器用来采集和记录偏航位置，当偏航角度达到设定值时，控制器将自动启动解缆程序。解缆操作是偏航系统的另一个功能。风力发电机组的电力电缆和通信电缆需要从机舱通过塔架最终连接到地面的控制柜上，由于偏航系统需要经常进行对风操作，将引起电缆的扭转。当在一个方向上扭缆严重时，机组就需要停机并进行解缆操作。

5．液压系统

液压系统是通过油压液体实现动力传输和运动控制的机械单元。液压系统具有功率密度大、传动平稳、容易实现无级调速、易于更换元件、过载保护可靠等特点。

6．控制系统

控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。风力发电机组的控制系统一般以PLC为核心，包括硬件系统和软件系统。传感信号表明了风力发电机组目前运行的状态，当与机组的给定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，使系统能够在给定的状态下运行，从而完成各种控制功能。主要的控制功能有变桨距控制、失速控制、发电机转矩控制以及偏航控制等。控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可能采用液压执行机构。

风力发电机组整机系统如图2-1所示。风力发电机组的样式虽多，但总的来说其原理和结构大同小异。风力发电机组主要由叶轮、机舱、塔架和基础四部分组成，具体包括风力机、变桨距系统、传动系统、制动系统、偏航系统、液压系统、发电系统、控制系统及支撑系统等。

2.1.1.2 工作原理

风力发电机组的工作原理简单地说就是风轮在风力的推动下产生旋转，将风的动能变成风轮旋转的动能，实现风能向机械能的转换；旋转的风轮通过传动系统驱动发电机旋转，将风轮的输出功率传递给发电机，发电机把机械能转换成电能，在控制系统的作用下实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换。具体来讲，叶片通过变桨距轴承被安装到轮毂上，共同组成风轮，风轮吸收风的动能并转换成风轮的旋转机械能。对于双馈式的风力发电机组，机械能通过连接在轮毂上的齿轮箱主轴传入齿轮箱。齿轮箱把风轮输入的大转矩、低转速能量通过其内部的齿轮系统转化为小转矩、高转速的形式后，通过联轴器传递给发电机。对于直驱式风力发电机组，发电机轴直接连接在风轮上，风轮旋转将机械能通过主轴直接传递给发电机。发电机将机械能转换成电能，通过电子变流装置输入电网。图2-2所示为双馈式风力发电机组内部结构。图2-3所示为直驱式风力发电机组内部结构。

2.1.2 风力发电机组的分类

目前，风电场中运行的风力发电机组主要有两种类型，即恒速恒频发电机组和变速恒频发电机组。当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频风力发电机组在风力发电的过程中，保持风力机的转速（发电机的转速）不随风速的波动而变化，保持恒定转速运转，从而得到恒定频率的交流电能。在风力发电过程中让风力机的转速随风速的波动而变化，通过使用电力电子设备得到恒定频率交流电能的方法称为变速恒频。

风能的大小与风速的三次方成正比，当风速在一定范围变化时，如果风力机可以做变速运动，则能达到更好地利用风能的目的。风力机将风能转换成机械能的效率可用风能利用系数Cp来表示，Cp在某一确定的风轮叶尖速比λ（叶尖线速度与轮毂中心处的风速之比）下达到最大值。恒速恒频机组的风轮转速保持不变，而风速又经常在变化，显然Cp不可能保持在最佳值。变速恒频机组的特点是风力机和发电机的转速可以在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风力机的转速可变，可以通过适当的控制，使风力机的叶尖速比处于或接近最佳值，使风能利用系数Cp达到最大值，最大限度地利用风能发电。

为了适应风速变化的要求，在风力发电系统中的恒速恒频发电机组一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机或双速发电机，风速低时用小容量发电机或发电机的低速功能发电，风速高时则用大容量发电机或发电机的高速功能发电，同时通过变桨距系统改变桨叶的桨距角以调整输出功率。但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，无法有效地利用不同风速时的风能。为了充分利用不同风速时的风能，风力发电的变速恒频技术得到广泛应用，如交—直—交变频系统，交流励磁发电机系统，无刷双馈发电机系统，开关磁阻发电机系统，磁场调制发电机系统，同步、异步变速恒频发电机系统等。这几种变速恒频发电系统有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的，有的则是通过发电机与电力电子装置、微机控制系统相结合而实现变速恒频的。它们各有特点，使用场合也不一样。

风力发电机组还包括双馈式和直驱式风力发电机组。双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，主要结构包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统、控制系统等。双馈式风力发电机组将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器相连。变流器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时变流器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术。双馈风力发电变速恒频机组示意图如图2-4所示。

变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立控制。变流器控制双馈异步风力发电机实现并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响；提供多种通信接口，用户可通过这些接口方便地实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制；提供实时监控功能，用户可以实时监控风力发电机组变流器运行状态。

变流器采用三相电压型交—直—交双向变流器技术。在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形，改善双馈异步发电机的运行状态和输出电能质量。这种电压型交—直—交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统实现了基于风力发电机组最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。

直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机、变流器、控制系统等组成。为了提高低速发电机效率，直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数（一般极数提高到100左右）来提高风能利用率，采用全功率变流器实现风力发电机的调速。直驱式风力发电变速恒频机组示意图如图2-5所示。

直驱式风力发电机组按照励磁方式可分为电励磁和永磁两种。电励磁直驱式风力发电机组采用与水轮发电机相同的工作原理。永磁直驱是近年来研发的风电式技术，该技术用永磁材料替代复杂的电励磁系统，发电结构简单，重量相对励磁式直驱风力发电机组轻。但永磁部件存在长期强冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳定性问题，永磁材料的抗盐雾腐蚀问题，空气中微小金属颗粒在永磁材料上的吸附从而引起发电机磁隙变化问题，以及在强磁条件下机组维护困难问题等。此外，永磁直驱式风力发电机组在制造过程中，需要稀土这种战略性资源的供应，成本较高。