2.2 雙饋型風力發電系統組成及基本原理

2.2.1 雙饋型風力發電系統組成

雙饋型異步風力發電系統主要由風輪機系統、傳動系統、發電機、變流系統、剎車系統、控制系統、變槳系統、偏航系統以及附屬部件、塔架等組成。

1．風輪機系統

對于雙饋異步發電機系統來說，風輪機系統是將風能轉化為機械能的部件，當槳葉上有風作用時，會產生旋轉力矩并轉動，使風能轉化為機械能，進而通過增速箱驅動發電機。風輪機系統主要由葉片和輪轂組成，對葉片的選型應考慮葉片的翼型、結構形式、葉片的材料以及加工的精度等因素，葉片質量的好壞很大程度上決定了機組的安全性能和風能轉換效率，葉片一般選取2～3個，在多年的實踐性發展歷程當中，三葉片的風機由于較強的穩定性，成為當前的主流形式，圖2-4為正準備吊裝的風輪機。

輪轂在大型風力發電系統中承擔著連接葉片和主軸的任務，擔負著傳遞轉矩的作用，承受復雜的交變載荷，對輪轂的強度要求比較高。因此，如何既能保證強度又能保證輕便易于控制一直是對輪轂研究的課題，對輪轂的結構優化設計之路任重而道遠，圖2-5是輪轂的結構示意圖。

2．傳動系統

風力發電系統的傳動方式包括無齒輪箱傳動和有齒輪箱傳動方式。無齒輪箱傳動為直驅型，由于沒有齒輪箱，可以避免因齒輪箱故障而造成的干擾，減少了傳動系統發生故障的概率，提高了系統運行的可靠性，缺點是增加了設計的成本。雙饋異步發電機組采用的是有齒輪箱傳動方式，并且是目前大型風力發電機組最常用的形式，其傳動系統主要的組成部分為低速軸、高速軸、聯軸器和齒輪箱。低速軸連接槳葉，高速軸連接發電機，齒輪箱將低速軸的轉速提高數倍之后傳送給高速軸。通常大型風電機組的低速軸轉速為20～30r/min，高速軸轉速則超過1500r/min。

目前對齒輪研究的重點在于齒輪箱的結構，如何既能保證提高齒輪的嚙合質量又能保證齒輪運行的可靠性是齒輪的關鍵問題，同時齒輪運行時發出的噪音也是不容忽視的。齒輪箱一般采用平行軸傳動與行星傳動相結合的形式，這樣可以綜合兩種形式的優點，具體分兩種形式：一是一級行星加兩級平行軸圓柱齒輪傳動，二是兩級行星加一級平行軸圓柱齒輪傳動。

3．發電機

發電機是將風力機風輪的機械能轉化為電能的電氣裝置，分為異步發電機和同步發電機兩種類型，一般采用異步發電機居多。常見機型包括鼠籠異步發電機、雙饋感應異步發電機和永磁同步發電機等類型。雙饋電機的定子通過變壓器直接與電網連接，轉子通過變流器與電網連接。現代化的雙饋發電機中，不光有轉速控制，還有變頻控制，采用PWM控制轉子電流，反饋到定子側，使定子側輸出不帶諧波的正弦波。在轉速達到額定轉速時，轉子側發出電流，提高功率利用效率。

4．變流系統

變流系統主要包括整流系統和逆變系統，其作用是確保發電機和電網的能量傳遞。變速恒頻系統可采用循環式（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。但由于循環式變流器產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，且功率因數都不高，因此沒有得到廣泛的推廣和應用。雙PWM變流器是目前雙饋異步發電系統中發展最為成熟和應用最為廣泛的變流器，與其他變流器相比更有競爭力。

雙PWM變流器具有完全對稱的結構，包括機側變流器和網側變流器，能保證四象限運行，中間的電容具有儲能和濾波的雙重作用，能保證直流電壓的穩定。在不同工況時可以實現既定要求的能量的雙向流動。

5．剎車系統

風力發電系統中，當風速高于設計范圍或低于實際范圍時，都應使機組處于剎車狀態。風力發電系統有兩種剎車裝置：一是空氣動力剎車，二是機械剎車，個別風力發電機組只有機械制動。在定槳距系統中，槳距角是固定的，對于空氣動力剎車，采用較多的形式是葉尖擾流器，風輪的葉尖擾流器旋轉約90°，產生氣動阻力而制動的情形就屬于空氣動力制動。而變槳距系統通過葉片攻角的變化來實現。制動系統的動力來源是液壓系統，用來執行風力機的開關命令，通常由兩個回路構成：一路是通過蓄能器傳送給葉尖擾流器（對于變槳距系統則傳給變槳距機構），另一路通過蓄能器傳送給機械剎車機構：風機的制動分正常停機制動、安全停機制動和緊急停機制動三種情況。欲使運行中的機組安全停機，一般先選擇空氣制動，讓運轉中的風輪減慢速度，然后選擇機械制動以停止運轉。

6．控制系統

控制系統的好壞直接影響到制動系統、變槳距系統、偏航系統、液壓系統乃至整個機組的性能。控制系統是機組的核心，相當于系統的大腦，與風力發電系統的發電量和系統的安全緊密相關，控制系統包含3個層面的控制，具體結構如圖2-6所示。

7．偏航系統

偏航系統是用來調整風輪機的葉片所在旋轉平面相對風的位置，是水平軸風力發電機組中不可或缺的一部分。只有當風輪葉片的旋轉平面與來風方向垂直，也就是葉輪平面迎著風向時，風力機從氣流中獲取的風能量最大，從而使得風力機的輸出功率最大。在實際應用中，由于風的不穩定性，風向不斷地變化，當風向偏離應有的角度時，不但會使輸出功率減少，而且會承受不利的載荷，進而對風輪機造成不必要的損壞。

偏航系統主要的功能有兩個：一是保證風輪處于迎風狀態，提升風能的利用效率；二是當發生特大強風、電纜纏繞或者故障時，采用相應的控制程序進行操作，保證機組的安全運行。

8．槳距系統

定槳距系統在額定風速以內時，葉片的升力系數隨著風速的增加而增加，利用系數較高，當風輪機轉速超過額定轉速時，通過葉片的失速調節，不再增加升力，使轉速不再隨風速的增加而增加，從而限制了風力機輸出的功率，導致了很大的風能損失。變槳距系統與定槳距系統不同的是，當風速的變化使得風輪機轉速超越額定轉速時，通過控制葉片槳距角，提高風能利用系數，使輸出功率維持在額定功率附近。

變槳距系統可以自動調節葉片的槳距角，風力機啟動性能良好，可以適應正常范圍內的各種風況，減少了功率的損失。因此，雖然變槳距系統存在系統復雜，檢修難度大，造價高的缺點，變槳距系統還是以其強大的優點逐步取代了定槳距系統，成為當今風電機組的主流。

9．液壓系統

液壓系統為變槳距系統、偏航系統以及停機制動裝置提供液壓動力，同時還控制著機械剎車裝置。液壓系統不光具有功率密度大、傳動平穩、元件易于更換的優點，而且具有可靠的過載保護性能，因此廣泛應用于大型的風力發電機系統。液壓系統有各種液壓元件組成，主要包括動力元件、控制元件、執行元件及輔助元件，動力元件負責將機械能轉化為液壓能，比如液壓泵；控制元件負責控制系統的壓力、流量、信號的轉換等，如各種閥門；執行元件將液壓能轉化為機械能，進而驅動相關的元件和機構，如液壓缸；輔助元件就是液壓系統中除了上述3種元件之外保證系統正常工作的裝置，如各類管件、油箱、蓄能器和過濾器等。

液壓系統的可靠性直接關系著人身安全和設備的正常運行。液壓系統一旦失靈，將直接造成風電機組制動系統的正常運行。對液壓系統起關鍵作用的兩個因素是液壓元件的污染耐受度和系統油液的污染度，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敏感度，而油液的污染度主要來源于系統中固有的污染物、外界侵襲產生的污染物、運行中生成的污染物或者濾油器使用不當未被過濾掉的污染物等。因此，要保證液壓系統的可靠性，降低系統的故障，可以從這兩個方面進行優化，對油液的污染度進行合理的控制。

10．塔架

塔架及其基礎為風電機組的重要承重部件，在水平軸風力發電機的系統中，塔架不光支撐著整個機艙和風輪的重量，還要使機艙和風輪保持在一定的高度。在有氣流作用時，塔架還需要抵御風的推力對塔架形成的彎矩、機艙和風輪的偏心重量對塔架形成的彎矩、風輪轉動時對塔架形成的反轉矩、陣風不穩定對塔架形成的彎矩、風力發電機的振動等載荷。另外，風機停止時，塔架還要承受機械剎車系統傳遞過來的剎車力矩。塔架的重量在風力發電機組中占總重的1/2左右，其成本占風力發電機組制造成本的10%以上。隨著風力發電機組的容量和高度的增加，塔架在風力發電機組設計與制造中的重要性愈來愈明顯。

水平軸風力機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風阻力，尤其是對于下風向式風力機系統，產生紊流的影響要比桁架式塔架小，適用于大型的風力發電機組。桁架式塔架造價低廉，運輸方便，但這種塔架會使下風向風力機的葉片產生很大的紊流，大多適用于中小型的風力機系統。

2.2.2 雙饋機組變速恒頻工作原理

雙饋型交流勵磁變速恒頻風力發電原理如圖2-7所示。

圖2-7中，f1、fs分別為發電機定、轉子電流的頻率，fs滿足fs=sf1; n1為定子旋轉磁勢角速度，滿足n1=60f1/p; nr 為轉子轉速；ns為轉子旋轉磁場相對于轉子的轉速，滿足ns=60fs/p。

由電機學的原理可知，發電機穩定運行時，定、轉子旋轉磁場相對靜止，即滿足：

當ns與nr方向相同即處于亞同步運行時，關系式取“+”號，當兩者方向相反即處于超同步運行時，取“-”號。將n1=60f1/p及ns=60fs/p帶入式（2-2），有：

從式（2-3）可知，當發電機轉速nr變化時，可通過調節轉子勵磁電流頻率fs保持定子輸出電能頻率恒定，這就是變速恒頻的運行原理。當發電機處于亞同步運行時，fs＞0，轉子繞組相序與定子相同；當發電機處于超同步運行時，fs＜0，轉子繞組相序與定子相反；當發電機同步速運行時，fs=0，轉子進行直流勵磁。