2.2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成及基本原理

2.2.1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成

雙饋型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變流系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)以及附屬部件、塔架等組成。

1．風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部件，當(dāng)槳葉上有風(fēng)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩并轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而通過(guò)增速箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪機(jī)系統(tǒng)主要由葉片和輪轂組成，對(duì)葉片的選型應(yīng)考慮葉片的翼型、結(jié)構(gòu)形式、葉片的材料以及加工的精度等因素，葉片質(zhì)量的好壞很大程度上決定了機(jī)組的安全性能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，葉片一般選取2～3個(gè)，在多年的實(shí)踐性發(fā)展歷程當(dāng)中，三葉片的風(fēng)機(jī)由于較強(qiáng)的穩(wěn)定性，成為當(dāng)前的主流形式，圖2-4為正準(zhǔn)備吊裝的風(fēng)輪機(jī)。

輪轂在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中承擔(dān)著連接葉片和主軸的任務(wù)，擔(dān)負(fù)著傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，承受復(fù)雜的交變載荷，對(duì)輪轂的強(qiáng)度要求比較高。因此，如何既能保證強(qiáng)度又能保證輕便易于控制一直是對(duì)輪轂研究的課題，對(duì)輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之路任重而道遠(yuǎn)，圖2-5是輪轂的結(jié)構(gòu)示意圖。

2．傳動(dòng)系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的傳動(dòng)方式包括無(wú)齒輪箱傳動(dòng)和有齒輪箱傳動(dòng)方式。無(wú)齒輪箱傳動(dòng)為直驅(qū)型，由于沒(méi)有齒輪箱，可以避免因齒輪箱故障而造成的干擾，減少了傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，缺點(diǎn)是增加了設(shè)計(jì)的成本。雙饋異步發(fā)電機(jī)組采用的是有齒輪箱傳動(dòng)方式，并且是目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最常用的形式，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要的組成部分為低速軸、高速軸、聯(lián)軸器和齒輪箱。低速軸連接槳葉，高速軸連接發(fā)電機(jī)，齒輪箱將低速軸的轉(zhuǎn)速提高數(shù)倍之后傳送給高速軸。通常大型風(fēng)電機(jī)組的低速軸轉(zhuǎn)速為20～30r/min，高速軸轉(zhuǎn)速則超過(guò)1500r/min。

目前對(duì)齒輪研究的重點(diǎn)在于齒輪箱的結(jié)構(gòu)，如何既能保證提高齒輪的嚙合質(zhì)量又能保證齒輪運(yùn)行的可靠性是齒輪的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)齒輪運(yùn)行時(shí)發(fā)出的噪音也是不容忽視的。齒輪箱一般采用平行軸傳動(dòng)與行星傳動(dòng)相結(jié)合的形式，這樣可以綜合兩種形式的優(yōu)點(diǎn)，具體分兩種形式：一是一級(jí)行星加兩級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)，二是兩級(jí)行星加一級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)。

3．發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是將風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的電氣裝置，分為異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)兩種類型，一般采用異步發(fā)電機(jī)居多。常見(jiàn)機(jī)型包括鼠籠異步發(fā)電機(jī)、雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)等類型。雙饋電機(jī)的定子通過(guò)變壓器直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子通過(guò)變流器與電網(wǎng)連接。現(xiàn)代化的雙饋發(fā)電機(jī)中，不光有轉(zhuǎn)速控制，還有變頻控制，采用PWM控制轉(zhuǎn)子電流，反饋到定子側(cè)，使定子側(cè)輸出不帶諧波的正弦波。在轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)出電流，提高功率利用效率。

4．變流系統(tǒng)

變流系統(tǒng)主要包括整流系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)，其作用是確保發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的能量傳遞。變速恒頻系統(tǒng)可采用循環(huán)式（交流-交流）變流器、雙PWM（交-直-交）變流器或者矩陣變換器等類型。但由于循環(huán)式變流器產(chǎn)生的較大諧波的輸出電流，而矩陣變換器控制的方法很繁雜，且功率因數(shù)都不高，因此沒(méi)有得到廣泛的推廣和應(yīng)用。雙PWM變流器是目前雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展最為成熟和應(yīng)用最為廣泛的變流器，與其他變流器相比更有競(jìng)爭(zhēng)力。

雙PWM變流器具有完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，包括機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器，能保證四象限運(yùn)行，中間的電容具有儲(chǔ)能和濾波的雙重作用，能保證直流電壓的穩(wěn)定。在不同工況時(shí)可以實(shí)現(xiàn)既定要求的能量的雙向流動(dòng)。

5．剎車系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)計(jì)范圍或低于實(shí)際范圍時(shí)，都應(yīng)使機(jī)組處于剎車狀態(tài)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有兩種剎車裝置：一是空氣動(dòng)力剎車，二是機(jī)械剎車，個(gè)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有機(jī)械制動(dòng)。在定槳距系統(tǒng)中，槳距角是固定的，對(duì)于空氣動(dòng)力剎車，采用較多的形式是葉尖擾流器，風(fēng)輪的葉尖擾流器旋轉(zhuǎn)約90°，產(chǎn)生氣動(dòng)阻力而制動(dòng)的情形就屬于空氣動(dòng)力制動(dòng)。而變槳距系統(tǒng)通過(guò)葉片攻角的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源是液壓系統(tǒng)，用來(lái)執(zhí)行風(fēng)力機(jī)的開(kāi)關(guān)命令，通常由兩個(gè)回路構(gòu)成：一路是通過(guò)蓄能器傳送給葉尖擾流器（對(duì)于變槳距系統(tǒng)則傳給變槳距機(jī)構(gòu)），另一路通過(guò)蓄能器傳送給機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)：風(fēng)機(jī)的制動(dòng)分正常停機(jī)制動(dòng)、安全停機(jī)制動(dòng)和緊急停機(jī)制動(dòng)三種情況。欲使運(yùn)行中的機(jī)組安全停機(jī)，一般先選擇空氣制動(dòng)，讓運(yùn)轉(zhuǎn)中的風(fēng)輪減慢速度，然后選擇機(jī)械制動(dòng)以停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

6．控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的好壞直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組的性能。控制系統(tǒng)是機(jī)組的核心，相當(dāng)于系統(tǒng)的大腦，與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量和系統(tǒng)的安全緊密相關(guān)，控制系統(tǒng)包含3個(gè)層面的控制，具體結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。

7．偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)是用來(lái)調(diào)整風(fēng)輪機(jī)的葉片所在旋轉(zhuǎn)平面相對(duì)風(fēng)的位置，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中不可或缺的一部分。只有當(dāng)風(fēng)輪葉片的旋轉(zhuǎn)平面與來(lái)風(fēng)方向垂直，也就是葉輪平面迎著風(fēng)向時(shí)，風(fēng)力機(jī)從氣流中獲取的風(fēng)能量最大，從而使得風(fēng)力機(jī)的輸出功率最大。在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)的不穩(wěn)定性，風(fēng)向不斷地變化，當(dāng)風(fēng)向偏離應(yīng)有的角度時(shí)，不但會(huì)使輸出功率減少，而且會(huì)承受不利的載荷，進(jìn)而對(duì)風(fēng)輪機(jī)造成不必要的損壞。

偏航系統(tǒng)主要的功能有兩個(gè)：一是保證風(fēng)輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，提升風(fēng)能的利用效率；二是當(dāng)發(fā)生特大強(qiáng)風(fēng)、電纜纏繞或者故障時(shí)，采用相應(yīng)的控制程序進(jìn)行操作，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

8．槳距系統(tǒng)

定槳距系統(tǒng)在額定風(fēng)速以內(nèi)時(shí)，葉片的升力系數(shù)隨著風(fēng)速的增加而增加，利用系數(shù)較高，當(dāng)風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)葉片的失速調(diào)節(jié)，不再增加升力，使轉(zhuǎn)速不再隨風(fēng)速的增加而增加，從而限制了風(fēng)力機(jī)輸出的功率，導(dǎo)致了很大的風(fēng)能損失。變槳距系統(tǒng)與定槳距系統(tǒng)不同的是，當(dāng)風(fēng)速的變化使得風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速超越額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)控制葉片槳距角，提高風(fēng)能利用系數(shù)，使輸出功率維持在額定功率附近。

變槳距系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片的槳距角，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能良好，可以適應(yīng)正常范圍內(nèi)的各種風(fēng)況，減少了功率的損失。因此，雖然變槳距系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜，檢修難度大，造價(jià)高的缺點(diǎn)，變槳距系統(tǒng)還是以其強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)逐步取代了定槳距系統(tǒng)，成為當(dāng)今風(fēng)電機(jī)組的主流。

9．液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)為變槳距系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)以及停機(jī)制動(dòng)裝置提供液壓動(dòng)力，同時(shí)還控制著機(jī)械剎車裝置。液壓系統(tǒng)不光具有功率密度大、傳動(dòng)平穩(wěn)、元件易于更換的優(yōu)點(diǎn)，而且具有可靠的過(guò)載保護(hù)性能，因此廣泛應(yīng)用于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)有各種液壓元件組成，主要包括動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件及輔助元件，動(dòng)力元件負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，比如液壓泵；控制元件負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的壓力、流量、信號(hào)的轉(zhuǎn)換等，如各種閥門；執(zhí)行元件將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相關(guān)的元件和機(jī)構(gòu)，如液壓缸；輔助元件就是液壓系統(tǒng)中除了上述3種元件之外保證系統(tǒng)正常工作的裝置，如各類管件、油箱、蓄能器和過(guò)濾器等。

液壓系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系著人身安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。液壓系統(tǒng)一旦失靈，將直接造成風(fēng)電機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對(duì)液壓系統(tǒng)起關(guān)鍵作用的兩個(gè)因素是液壓元件的污染耐受度和系統(tǒng)油液的污染度，液壓元件的污染耐受度主要包括污染磨損敏感度和污染啟動(dòng)敏感度，而油液的污染度主要來(lái)源于系統(tǒng)中固有的污染物、外界侵襲產(chǎn)生的污染物、運(yùn)行中生成的污染物或者濾油器使用不當(dāng)未被過(guò)濾掉的污染物等。因此，要保證液壓系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的故障，可以從這兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)油液的污染度進(jìn)行合理的控制。

10．塔架

塔架及其基礎(chǔ)為風(fēng)電機(jī)組的重要承重部件，在水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)中，塔架不光支撐著整個(gè)機(jī)艙和風(fēng)輪的重量，還要使機(jī)艙和風(fēng)輪保持在一定的高度。在有氣流作用時(shí)，塔架還需要抵御風(fēng)的推力對(duì)塔架形成的彎矩、機(jī)艙和風(fēng)輪的偏心重量對(duì)塔架形成的彎矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)塔架形成的反轉(zhuǎn)矩、陣風(fēng)不穩(wěn)定對(duì)塔架形成的彎矩、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)等載荷。另外，風(fēng)機(jī)停止時(shí)，塔架還要承受機(jī)械剎車系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的剎車力矩。塔架的重量在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中占總重的1/2左右，其成本占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造成本的10%以上。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量和高度的增加，塔架在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與制造中的重要性愈來(lái)愈明顯。

水平軸風(fēng)力機(jī)的塔架一般分為管柱型和桁架型兩類。一般情況下，管柱形塔架有較小的對(duì)風(fēng)阻力，尤其是對(duì)于下風(fēng)向式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小，適用于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。桁架式塔架造價(jià)低廉，運(yùn)輸方便，但這種塔架會(huì)使下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的葉片產(chǎn)生很大的紊流，大多適用于中小型的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)。

2.2.2 雙饋機(jī)組變速恒頻工作原理

雙饋型交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電原理如圖2-7所示。

圖2-7中，f1、fs分別為發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流的頻率，fs滿足fs=sf1; n1為定子旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)角速度，滿足n1=60f1/p; nr 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ns為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，滿足ns=60fs/p。

由電機(jī)學(xué)的原理可知，發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，即滿足：

當(dāng)ns與nr方向相同即處于亞同步運(yùn)行時(shí)，關(guān)系式取“+”號(hào)，當(dāng)兩者方向相反即處于超同步運(yùn)行時(shí)，取“-”號(hào)。將n1=60f1/p及ns=60fs/p帶入式（2-2），有：

從式（2-3）可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速nr變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率fs保持定子輸出電能頻率恒定，這就是變速恒頻的運(yùn)行原理。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行時(shí)，fs＞0，轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相同；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行時(shí)，fs＜0，轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相反；當(dāng)發(fā)電機(jī)同步速運(yùn)行時(shí)，fs=0，轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流勵(lì)磁。