第2章 風力發電機組的結構

2.1 概述

2.1.1 風力發電機組的組成及工作原理

2.1.1.1 組成

1．風力機

風力機是風力發電機組的重要部件，風以一定的風速和攻角作用在風力機的槳葉上，使風輪受到旋轉力矩的作用而旋轉，同時將風能轉化為機械能來驅動發電機旋轉。風力機有定槳距和變槳距之分。風力機的轉速很低，一般在十幾轉每分至幾十轉每分之間，需要經過傳動裝置升速后，才能夠驅動發電機運行。直驅式低速風力發電機組可以由風力機直接驅動發電機旋轉，省去中間的傳動機構，顯著提高了風電轉換效率，同時降低了噪聲的維護費用，也提高了風力發電系統運行的可靠性。

2．傳動系統

傳動系統是指從主軸到發電機軸之間的主傳動鏈，包括主軸及主軸承、齒輪箱、聯軸器等，其功能是將風力機的動力傳遞給發電機。主軸即風輪的轉軸，用于支承風輪，并將風輪產生的扭矩傳遞給齒輪箱或發電機，將風輪產生的推力傳遞給機艙底座和塔架。齒輪箱位于風輪和發電機之間，是傳動系統的關鍵部件，風力發電機組通過齒輪箱將風輪的低轉速變換成發電機所要求的高轉速，同時將風輪產生的扭矩傳遞給發電機。

3．發電機

發電機的任務是將風力機軸上輸出的機械能轉換成電能。發電機的選型與風力機類型以及控制系統直接相關。目前，風力發電機廣泛采用感應發電機、雙饋（繞線式轉子）感應發電機和同步發電機。對于定槳距風力機，系統采用恒頻恒速控制時，應選用感應發電機，為提高風電轉換效率，感應發電機常采用雙速型。對于變槳距風力機，系統采用變速恒頻控制時，應選用雙饋（繞線式轉子）感應發電機或同步發電機。同步發電機中，一般采用永磁同步發電機，為降低控制成本，提高系統的控制性能，也可采用混合勵磁（既有電勵磁又有永磁）同步發電機。對于直驅式風力發電機組，一般采用低速（多級）永磁同步發電機。

4．偏航系統

偏航系統主要用于風輪對風，使風輪能夠最大限度地將風能轉換成軸上的機械能。大中型風力發電機組都需要設置偏航系統。偏航系統設置在機艙底座與塔架之間，由偏航驅動裝置為偏航運動提供動力。偏航驅動裝置大多采用電動式，也可采用液壓式結構。偏航傳感器用來采集和記錄偏航位置，當偏航角度達到設定值時，控制器將自動啟動解纜程序。解纜操作是偏航系統的另一個功能。風力發電機組的電力電纜和通信電纜需要從機艙通過塔架最終連接到地面的控制柜上，由于偏航系統需要經常進行對風操作，將引起電纜的扭轉。當在一個方向上扭纜嚴重時，機組就需要停機并進行解纜操作。

5．液壓系統

液壓系統是通過油壓液體實現動力傳輸和運動控制的機械單元。液壓系統具有功率密度大、傳動平穩、容易實現無級調速、易于更換元件、過載保護可靠等特點。

6．控制系統

控制系統由各種傳感器、控制器以及各種執行機構等組成。風力發電機組的控制系統一般以PLC為核心，包括硬件系統和軟件系統。傳感信號表明了風力發電機組目前運行的狀態，當與機組的給定狀態不相一致時，經過PLC的適當運算和處理后，由控制器發出控制指令，使系統能夠在給定的狀態下運行，從而完成各種控制功能。主要的控制功能有變槳距控制、失速控制、發電機轉矩控制以及偏航控制等。控制的執行機構可以采用電動執行機構，也可能采用液壓執行機構。

風力發電機組整機系統如圖2-1所示。風力發電機組的樣式雖多，但總的來說其原理和結構大同小異。風力發電機組主要由葉輪、機艙、塔架和基礎四部分組成，具體包括風力機、變槳距系統、傳動系統、制動系統、偏航系統、液壓系統、發電系統、控制系統及支撐系統等。

2.1.1.2 工作原理

風力發電機組的工作原理簡單地說就是風輪在風力的推動下產生旋轉，將風的動能變成風輪旋轉的動能，實現風能向機械能的轉換；旋轉的風輪通過傳動系統驅動發電機旋轉，將風輪的輸出功率傳遞給發電機，發電機把機械能轉換成電能，在控制系統的作用下實現發電機的并網及電能的輸出，完成機械能向電能的轉換。具體來講，葉片通過變槳距軸承被安裝到輪轂上，共同組成風輪，風輪吸收風的動能并轉換成風輪的旋轉機械能。對于雙饋式的風力發電機組，機械能通過連接在輪轂上的齒輪箱主軸傳入齒輪箱。齒輪箱把風輪輸入的大轉矩、低轉速能量通過其內部的齒輪系統轉化為小轉矩、高轉速的形式后，通過聯軸器傳遞給發電機。對于直驅式風力發電機組，發電機軸直接連接在風輪上，風輪旋轉將機械能通過主軸直接傳遞給發電機。發電機將機械能轉換成電能，通過電子變流裝置輸入電網。圖2-2所示為雙饋式風力發電機組內部結構。圖2-3所示為直驅式風力發電機組內部結構。

2.1.2 風力發電機組的分類

目前，風電場中運行的風力發電機組主要有兩種類型，即恒速恒頻發電機組和變速恒頻發電機組。當風力發電機組與電網并網時，要求風電的頻率與電網的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻風力發電機組在風力發電的過程中，保持風力機的轉速（發電機的轉速）不隨風速的波動而變化，保持恒定轉速運轉，從而得到恒定頻率的交流電能。在風力發電過程中讓風力機的轉速隨風速的波動而變化，通過使用電力電子設備得到恒定頻率交流電能的方法稱為變速恒頻。

風能的大小與風速的三次方成正比，當風速在一定范圍變化時，如果風力機可以做變速運動，則能達到更好地利用風能的目的。風力機將風能轉換成機械能的效率可用風能利用系數Cp來表示，Cp在某一確定的風輪葉尖速比λ（葉尖線速度與輪轂中心處的風速之比）下達到最大值。恒速恒頻機組的風輪轉速保持不變，而風速又經常在變化，顯然Cp不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風力機和發電機的轉速可以在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率。由于風力機的轉速可變，可以通過適當的控制，使風力機的葉尖速比處于或接近最佳值，使風能利用系數Cp達到最大值，最大限度地利用風能發電。

為了適應風速變化的要求，在風力發電系統中的恒速恒頻發電機組一般采用兩臺不同容量、不同極數的異步發電機或雙速發電機，風速低時用小容量發電機或發電機的低速功能發電，風速高時則用大容量發電機或發電機的高速功能發電，同時通過變槳距系統改變槳葉的槳距角以調整輸出功率。但這也只能使異步發電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數，無法有效地利用不同風速時的風能。為了充分利用不同風速時的風能，風力發電的變速恒頻技術得到廣泛應用，如交—直—交變頻系統，交流勵磁發電機系統，無刷雙饋發電機系統，開關磁阻發電機系統，磁場調制發電機系統，同步、異步變速恒頻發電機系統等。這幾種變速恒頻發電系統有的是通過改造發電機本身結構而實現變速恒頻的，有的則是通過發電機與電力電子裝置、微機控制系統相結合而實現變速恒頻的。它們各有特點，使用場合也不一樣。

風力發電機組還包括雙饋式和直驅式風力發電機組。雙饋式風力發電機組的葉輪通過多級齒輪增速箱驅動發電機，主要結構包括風輪、傳動裝置、發電機、變流器系統、控制系統等。雙饋式風力發電機組將齒輪箱傳輸到發電機主軸的機械能轉化為電能，通過發電機定子、轉子傳送給電網。發電機定子繞組直接和電網連接，轉子繞組和頻率、幅值、相位都可以按照要求進行調節的變流器相連。變流器控制電機在亞同步和超同步轉速下都保持發電狀態。在超同步發電時，通過定轉子兩個通道同時向電網饋送能量，這時變流器將直流側能量饋送回電網。在亞同步發電時，通過定子向電網饋送能量、轉子吸收能量產生制動力矩使電機工作在發電狀態，變流系統雙向饋電，故稱雙饋技術。雙饋風力發電變速恒頻機組示意圖如圖2-4所示。

變流器通過對雙饋異步風力發電機的轉子進行勵磁，使得雙饋發電機的定子側輸出電壓的幅值、頻率和相位與電網相同，并且可根據需要進行有功和無功的獨立控制。變流器控制雙饋異步風力發電機實現并網，減小并網沖擊電流對電機和電網造成的不利影響；提供多種通信接口，用戶可通過這些接口方便地實現變流器與系統控制器及風場遠程監控系統的集成控制；提供實時監控功能，用戶可以實時監控風力發電機組變流器運行狀態。

變流器采用三相電壓型交—直—交雙向變流器技術。在發電機的轉子側變流器實現定子磁場定向矢量控制策略，電網側變流器實現電網電壓定向矢量控制策略；系統具有輸入輸出功率因數可調、自動軟并網和最大功率點跟蹤控制功能。功率模塊采用高開關頻率的IGBT功率器件，保證良好的輸出波形，改善雙饋異步發電機的運行狀態和輸出電能質量。這種電壓型交—直—交變流器的雙饋異步發電機勵磁控制系統實現了基于風力發電機組最大功率點跟蹤的發電機有功和無功的解耦控制，是目前雙饋異步風力發電機組的一個代表方向。

直驅式風力發電機組的風輪直接驅動發電機，主要由風輪、傳動裝置、發電機、變流器、控制系統等組成。為了提高低速發電機效率，直驅式風力發電機組采用大幅度增加極對數（一般極數提高到100左右）來提高風能利用率，采用全功率變流器實現風力發電機的調速。直驅式風力發電變速恒頻機組示意圖如圖2-5所示。

直驅式風力發電機組按照勵磁方式可分為電勵磁和永磁兩種。電勵磁直驅式風力發電機組采用與水輪發電機相同的工作原理。永磁直驅是近年來研發的風電式技術，該技術用永磁材料替代復雜的電勵磁系統，發電結構簡單，重量相對勵磁式直驅風力發電機組輕。但永磁部件存在長期強沖擊振動和大范圍溫度變化條件下的磁穩定性問題，永磁材料的抗鹽霧腐蝕問題，空氣中微小金屬顆粒在永磁材料上的吸附從而引起發電機磁隙變化問題，以及在強磁條件下機組維護困難問題等。此外，永磁直驅式風力發電機組在制造過程中，需要稀土這種戰略性資源的供應，成本較高。