第三节 国内外中、大型水平轴传统式风力发电机组结构

国内外中、大型水平轴传统式风力发电机组的结构基本相同，只是在个别系统略有不同。

国内外中、大型水平轴传统式风力发电机组由风轮、调速系统、增速器（齿轮箱）、联轴器、制动器、发电机、发电机冷却系统、润滑冷却系统、液压系统、调向机构（偏航机构）、配电箱、各种传感器，微机及远距离控制系统、塔架、升降机、机舱，舱内起重机构、解绕系统、功率变换并网系统、防雷系统等组成。

图4-3和图4-4是现代水平轴大型传统式风力发电机组的典型结构。

图4-3 Vestas V52-850kW风力发电机组总体结构，是典型的水平轴并网风力发电机组结构

1—声学风速计和风向传感器 2—舱内起重设备 3—顶部冷却空气调节和转换器 4—变速双馈异步发电机 5—调节叶片桨距油缸 6—油和水冷却装置 7—增速器（齿轮箱） 8—主轴（风轮轴） 9—变桨距机构 10—轮毂 11—变桨距的叶片轴承 12—叶片 13—风轮锁紧装置 14—液压泵站 15—转矩臂 16—机舱底座 17—钳式制动器 18—调向减速机 19—膜片式联轴器 20—塔架 21—配电箱 22—机舱 23—整流罩

1.风轮

叶片安装在轮毂上的总成称作风轮，它是风力发电机组接受风能的部件。

中、大型风力发电机组的叶片通常是玻璃纤维环氧树脂的玻璃钢制成，功率大、叶片长的用碳纤维环氧树脂的玻璃钢制成的，叶片为不等弦长扭曲叶片。定桨距叶尖扰流器的叶片尖端有一段是可以伸出且可转动的，驱动动力为液压油缸。大型风力发电机组叶片长达数十米，重量达几吨重。

轮毂通常用球铁铸成球形，如图4-5所示。轮毂直径通常达到1.2～2.0m，重达十几吨。轮毂内置变桨距齿轮、电机、角度传感器等，如图4-6所示，或液压变桨距的连杆机构、液压油缸、蓄能器等。

轮毂用螺栓紧固在风轮轴上、风轮轴通过轴承座及轴承固定在机舱内的机架上。

图4-4 德国Nordex水平轴并网风力发电机组结构

1—轮毂 2—叶片 3—风轮轴 4—增速器 5—调向减速机 6—钳式制动器 7—异步发电机 8—4/6极变换 9—风向、风速传感器 10—机舱 11—塔架 12—发电机冷却水循环泵

图4-5 球形轮毂

图4-6 轮毂内置变桨距齿轮、电动机、角度传感器等

两叶片风力发电机组的轮毂是跷跷板式。

2.风轮轴

风轮轴是将叶片接受的风能转换成旋转的机械能传递给增速器的部件，同时还承担着轮毂、叶片等重达几十吨的重量及弯矩，风轮轴是传统式水平轴风力发电机组中最主要的部件之一。

风轮轴通常用合金结构钢锻造成毛坯，经粗加工后调质，而后精加工而成。

3.增速器（齿轮箱）

传统式水平轴风力发电机组的增速器是将风轮的低转速提高到发电机的转速，并通过联轴器驱动发电机的装置。传统式水平轴风力发电机组的风轮转速一般为10～25r/min，而常用的4～6极双馈式异步发电机的转速为1000～1800r/min，为了达到风轮转速与发电机转速匹配，传统式水平轴风力发电机组的增速器的增速比达到1∶50～1∶125。由于增速器的增速比大，国内外通常采用一级行星与二级圆柱或二级行星与一级圆柱齿轮的传动方式。

传统式水平轴风力发电机组的增速器造价昂贵，寿命短（约4～6年），使用户的使用成本高。据德国风力机研究所首席教授克林格（prof.klinger）统计，风力发电机在15～20年的使用寿命中，齿轮箱（增速器）更换3次是十分普遍的。

传统式水平轴风力发电机组的增速器的形式有很多种，进入21世纪，以风轮轴与增速器为一体的居多。图4-7为风轮轴与增速器一体的一级行星与二级圆柱斜齿轮的增速器。

图4-7 风轮轴与增速器一体的一级行星与二级圆柱料齿轮的增速器

1—风轮轴 2—行星增速的内齿圈 3—行星齿 4—太阳轮 5—第一级增速圆柱齿轮 6—第二级圆柱齿轮 7—增速器输出轴安装的制动盘，联轴器就安装在制动盘上

4.联轴器

现代传统式水平轴风力发电机组用联轴器是连接增速器与发电机的装置，也称高速联轴器。先期的连接风轮轴与增速器的联轴器也称作低速联轴器，已经不再使用。

传统式水平轴风力发电机组用联轴器以膜片式居多，如图4-8所示；也有用十字轴式万向联轴器的，如图4-9所示；也有用液力联轴器的，如图4-10所示为液力联轴器原理图。图4-11为印度SuzLon的传统式水平轴风力发电机组上使用的液力联轴器，液力联轴器传动平稳、无噪声且能变换转矩，但制造成本高。

5.发电机

传统式水平轴大型风力发电机基本上都是4极、6极异步感应发电机。异步感应发电机是从电网吸收无功电流来励磁的，这会使电网功率因数变差，常用并联电容对电网无功功率进行补偿。异步感应发电机在并网的瞬间会出现很大的冲击电流，这个冲击电流是异步感应发电机额定电流的4～7倍，使电网电压瞬间下降，又可能使电网的低压保护动作，从而造成异步感应发电机不能并网。

异步感应发电机在100kW之内的功率可以直接并网，这种并网称作硬并网。

为了在较大功率的异步感应发电机并网时对电网的影响较小，达到安全并网的目的，在功率200kW之内的异步感应发电机可以采用降压并网方式。降压并网就是在异步感应发电机与电网之间串联电阻或电抗器以减小并网时的大电流冲击和电网电压下降的幅度，并网后立即切除电阻或电抗器。这种降压并网方式会损失很多功率。

图4-8 膜片式联轴器

1—半联轴器，孔内点划线为锥孔 2—扣紧螺栓、螺母及垫圈 3—中间轴4—膜片

图4-9 十字轴式万向联轴器

图4-10 液力联轴器结构原理图

功率超过200kW的异步感应发电机可以采用晶闸管软并网。

现代异步发电机大部分采用绕线转子双反馈式异步发电机，如图4-12所示，采用大规模IGBT模块及双PWM技术实现了异步发电机的软并网。

图4-11 印度SuzLon水平轴风力发电机组用液力联轴器

图4-12 绕线转子交流励磁双馈式异步发电机（利用IGBT变频为转子交流励磁的原理图）

6.制动器

中、大型传统式水平轴风力发电机组的制动分为两部分，即气动制动和机械制动。

（1）气动制动

1）定桨距叶尖失速制动

定桨距叶片叶尖有一段叶片是可以转动改变迎角的，当风速在额定风速之内时，这段可转动的叶片与主叶片成为统一的叶片，参与叶片接受风能。当风速达到额定风速之后，这段叶片在液压的驱动下转动一定角度使这段叶片失速形成阻力，使风轮维持在一定的转速范围内。当风速达到切出风速，这段叶片在液压控制下完全形成对风轮转动的阻力，达到对风轮制动的目的。

2）变桨距气动制动

变桨距叶片是以齿轮或液压连杆机构驱动叶片改变迎角以使叶片在不同的风速下能接受最大的风能。当风速达到切出风速时，叶片被转动到失速的迎角，叶片没有升力只有阻力，即叶片处于顺桨位置，风轮会缓慢停止转动，实现气动制动。

（2）机械制动

中、大型风力发电机组除气动制动之外还必须有机械制动以保证风力发电机组可靠的制动停机。机械制动有很多种。

1）按制动形式可分为带式、块式及钳式制动器等，见表4-1。

表4-1 制动器的结构形式及特点和应用

2）制动器按驱动方式可分为电磁驱动、液压驱动、压缩空气驱动和液压—电动等方式。见表4-2。

表4-2 制动器的驱动方式、特点及应用

（续）

制动器又分为常开式和常闭式两种。

常开式是指制动器的闸瓦或闸钳常开，不制动。只有当液压油缸、气动气缸或电磁线圈分别获得驱动动力时才发生制动。

常闭式制动器就是得到驱动动力时，制动器的闸瓦或闸钳是开着的，处在非制动状态。当失去动力时才制动。

图4-13 常用在水平轴并网风力发电机组上的钳式制动器

图4-14 钳式制动器用在主制动盘式制动中

a）制动钳为常闭式，有的风力发电机组用2台钳式制动器 b）用1台钳式制动器对主制动盘进行制动

7.调向系统（偏航系统）

大型水平轴风力发电机组的调向系统是使风轮对准风向或偏离风向的机构。它是由风向传感器、固定在塔架顶部的大齿圈、固定在机舱座上的减速机、制动圆盘、液压钳式制动器及电磁阀、调向轴承等组成。

当风向传感器将风向坐标传给计算机，计算机发出指令，令钳式制动器松闸，令固定在机舱座上的减速机驱动机舱对准风向，在机舱转动对准风向的过程中，阻尼器工作使机舱缓慢转动。当风轮对准风向后，减速机停止工作，钳式制动器制动刹车。

调向系统除具有将风轮对准风向的功能外，还具有电缆解绕功能。由于风向的不确定性，有可能机舱绕着转动中心朝同一方向转2～3圈使电缆缠绕2～3圈，此时，电缆缠绕传感器将信息传给计算机，计算机指令气动和机械制动，风轮停止转动，调向减速机驱动机舱向电缆缠绕的相反方向转动2～3圈进行解绕。解绕圈数由设计者根据电缆情况确定。

调向机构有内齿圈和外齿圈两种结构形式。现代大型水平轴风力发电机组采用外齿圈的结构形式居多，外齿圈驱动结构如图4-15所示。

图4-15 外齿圈驱动的调向机构

1—固定在塔架顶端的外齿圈 2—固定在机舱座上的减速机

8.中、大型水平轴风力发电机组的功率调节（即调速系统）

中、大型水平轴风力发电机组功率调节，即调速系统有两种方式，其一是叶尖失速功率调节；其二是变桨距功率调节。

（1）定桨距叶尖失速功率调节

定桨距叶尖失速功率调节是叶片以一定迎角固定在轮毂上，叶片尖端有一段叶片可以转动以改变迎角。当风速超过额定风速时，在液压控制下，这段叶片在离心力的作用下转动一定角度成失速状态，形成叶片旋转的阻力，从而使主叶片的转速保持在一定的范围内。

叶尖失速功率调节在额定风速之内时，叶尖那段可转动的叶片和其下部的主叶片组合为一起，共同接受风能。只有在风速达到额定风速以上时才会在液压控制由离心力甩出并转动一定迎角达到失速状态，起到主叶片旋转阻力的作用。

当叶尖失速功率调节达到额定风速之后，功率有所下降。如图4-16所示。

20世纪90年代之后，风力发电机设计者将早期的定桨距叶尖扰流器成功地用在200kW的风电机组上，而后又成功地用在600kW风力发电机组上。叶尖扰流器也是定桨距叶尖失速功率调节。

叶尖失速功率调节与变桨距功率调节相比，结构简单，制造成本低。其缺点是由于定桨距，低风速时接受风能的效率低，达到额定风速之后，其功率相对额定功率又有所下降。为了弥补低风速接受风能效率低的不足，通常采用4/6极异步发电机，低风速用6极，当风速接近额定风速时切换到4极。

图4-16 叶尖失速功率曲线

（2）变桨距功率调节，即变桨距调速

变桨距功率调节就将叶片沿着其转动中心转动以获得最佳迎角，以达到不同风速下叶片能获得的最理想的风能功率。叶片可以绕其转动中心转动0°～90°。现代水平轴风力发电机组变桨距有两种方式，其一是减速机驱动叶根齿轮使叶片转动，称作机械驱动，如图4-6所示；其二是液压连杆机构使叶片转动，称作液压驱动。见图4-17。

图4-17 西班牙的Gamesa水平轴并网风力发电机组液压连杆驱动变桨距系统

机械驱动的变桨距功率调节系统是由安装在叶根上的转动轴承，内齿圈以及与内齿圈相啮合的由电动机拖动的减速器上的小齿轮、角度传感器等组成。当风速变化时，计算机发出指令，令减速机驱动固定在齿根的内齿圈转动叶片改变叶片的迎角以使叶片获得理想的风能功率。当风速达到切出风速时，计算机指令让叶片转到顺桨位置，叶片转动的角度由角度传感器反馈给计算机，计算机根据角度传感器反馈的信息来指令是否停止叶片转动。

液压驱动功率调节是由安装在叶根的转动轴承、液压驱动的连杆机构及角度传感器组成。当风速变化时，计算机发出指令，令液压连杆拉动叶片转动改变叶片迎角以使叶片获得理想的风能功率，当风速达到切出风速时，计算机指令液压连杆拉动叶片转动到顺桨位置。

不论是机械驱动变桨距系统，还是液压连杆驱动变桨距系统，都置于轮毂中。

变桨距功率调节系统结构复杂，制造成本高，但其接受风能的效率高，当功率达到额定功率后可以保持额定功率不变，如图4-18所示。

9.机舱

风力发电机组的机舱是机舱座和固定机舱座上的四周及顶部用钢骨架和玻璃钢围起来的空间。风力发电机的风轮轴、风轮轴承座、增速器、联轴器、制动器、发电机、液压系统、冷却系统、配电、起重机等置于机舱内的机座上。机舱顶部的尾端还安装有风向传感器和风速仪。机舱座用调向轴承与塔架连接。塔架至机舱设有爬梯或升降机构供人出入机舱。

机舱座用强度很高的低碳合金钢焊接而成。也有机舱座前部用球铁或铸钢铸造，后部用低碳合金钢焊接再用螺栓连接在一起的。

整个风力发电机组除塔架之外的所有重量都作用在机舱座上，机舱座是风力发电机组的主要部件之一。

图4-18 变桨距功率调节的功率曲线

10.塔架

塔架支撑着除塔架自重之外的风力发电机组所有的重量，承受风轮旋转时的反转矩，机舱的重心没有通过塔架的形心而引起的弯矩和风的推力对塔架形成的弯矩等。塔架是风力发电机组的主要部件之一。

塔架有桁架式结构和锥钢筒式结构。早期曾有钢筋混凝土塔架，现在风力发电机组已不再采用。锥钢筒塔架是现代风力发电机组通常采用的形式，在中国用Q345钢板卷筒焊而成。

塔架固有频率f＞kn的称作硬塔；n＜f＜kn的称作软塔；塔架固有频率f＜n的称作甚软塔。式中，k为风轮叶片数；n为风轮转速。现代水平轴风力发电机组采用甚软塔居多，甚软塔不易引起共振，制造成本也较低。

风电场一般都建在风力较大的荒山野岭、海滩、岛屿上，风力发电机组的塔架终年受到风吹、雨淋、日晒以及沙尘的袭击；在海岛、浅滩的风电机组还受到盐雾的浸蚀，塔架表面应进行防锈、防腐处理。塔架表面处理有热镀锌、涂漆、涂环氧树脂之后再涂漆等。

11.水平轴风力发电机组的液压系统

水平轴风力发电机组的液压系统由液压泵站（液压泵站由油箱、压力表、油泵、电机等组成）、单向阀、节流阀、电磁阀、蓄能器、液压油缸等组成。

（1）定桨距叶尖失速功率调节的液压系统

在定桨距叶尖失速功率调节中，液压系统为扰流器的释放、回收，机械盘式制动和释放，调向阻尼制动和释放的执行油缸提供动力。

（2）变桨距功率调节的液压系统

在变桨距功率调节中，液压系统为液压连杆机构、调向阻尼制动和释放、机械制动和释放的执行油缸提供动力。

12.水平轴风力发电机的冷却系统

水平轴风力发电机组的冷却系统主要是为冷却发电机和增速器而设置的，冷却方式有空冷、水冷和氢冷。

13.传感器

水平轴风力发电机组中设置了数十种传感器，如风速仪、风向传感器、各种温度传感器、频率和电压传感器、电缆缠绕传感器、振动传感器等。传感器的宗旨是向计算机提供实时信号。