第一節 風力發電機組概述

風力發電機組（簡稱風電機組、機組）是將風的動能轉換成電能的系統。目前，主要的風能利用領域是風力發電，特別是并網發電。

一、總體結構

圖1-1所示為風力發電機組的組成。

從整體上看，風力發電機組可分為風力機、發電系統和控制系統3個部分。風力機將風的動能轉換為旋轉機械的動能；發電系統包括發電機和輔助設備，將旋轉機械的動能轉換為電能；控制系統包括傳感器、電氣設備、計算機控制系統和相應軟件，對整機進行監控。

二、基本參數

風力發電機組的基本參數是風輪直徑（或風輪掃掠面積）和額定功率。風輪直徑決定機組能夠在多大的范圍內獲取風中蘊含的能量。額定功率是在正常工作條件下，風力發電機組的設計要達到的最大連續輸出電功率。

風輪直徑應當根據不同的風況與額定功率匹配，以獲得最大的年發電量和最低的發電成本，必要時配置較大直徑風輪供低風速區選用，配置較小直徑風輪供高風速區選用。

三、分類

大型風力發電機組的分類與其所采用的風力機和發電機的種類有關，從宏觀上看，可以有如下分類。

1．按風力機的類型分

（1）按捕獲風能多少分

1）小型：10kW以下，主要用于離網發電的場合，一般采用尾舵自動對風；

2）中型：10kW～1MW；

3）大型：大于1MW，主要用于并網發電的場合，目前陸地上常用2～3MW，海上最大達10MW。

（2）按驅動原理分

1）升力型：風輪旋轉是由葉片所受的升力作用引起的；

2）阻力型：風輪旋轉是由葉片對風的阻力作用引起的。旋轉杯形風速計就是阻力型風力機的例子。由于阻力型風力機效率較低，很少用于大型機組。

（3）按風輪軸方向分

1）水平軸：水平軸機組是風輪軸基本上平行于風向的風力發電機組，如圖1-2a所示。工作時，風輪的旋轉平面與風向基本垂直。

水平軸機組隨風輪與塔架相對位置的不同而有上風向與下風向之分，如圖1-3所示。風輪在塔架的前面迎風旋轉，稱為上風向機組；風輪安裝在塔架后面，風先經過塔架，再到風輪，則稱為下風向機組。上風向機組必須有調向裝置來保持風輪迎風。而下風向機組則能夠自動對準風向，從而免去了調向裝置。但對于下風向機組，由于一部分空氣通過塔架后再吹向風輪，這樣塔架就干擾了流過葉片的氣流而形成所謂“塔影效應”，影響風力機的出力，使性能有所降低。

2）垂直軸：垂直軸機組是風輪軸垂直于風向的風力發電機組，如圖1-2b所示。其主要特點是可以接收來自任何方向的風，因而當風向改變時，無需對風。由于不需要調向裝置，使它們的結構簡化。垂直軸風力發電機組的另一個優點是齒輪箱和發電機可以安裝在地面上。由于垂直軸風力發電機組需要大量材料，占地面積大，起動性能較差，目前商用大型風力發電機組采用較少。

（4）按額定功率調節方式分

1）定槳距：葉片固定安裝在輪轂上，角度不能改變。當風速超過額定風速時，利用葉片本身的空氣動力特性減小旋轉力矩維持輸出功率相對穩定。

2）變槳距：葉片通過迴轉軸承安裝在輪轂上，通過葉片安裝角度的變化，改變獲得的空氣動力轉矩，能使功率輸出保持穩定。

3）主動失速：這種機組的工作原理是以上兩種形式的組合。當機組達到額定功率后，通過葉片安裝角度的反向變化，利用葉片本身的空氣動力特性減小旋轉力矩，從而限制風能的捕獲。

2．按發電機的類型分

（1）按轉速分

1）高速型：風力發電機組應用高速發電機，由于風輪的轉速較低，通常達不到發電機發電的要求，必須通過齒輪箱的增速作用來實現。

2）低速（直驅）型：風力發電機組應用多極同步發電機，讓風力機直接拖動發電機轉子運轉在低速狀態，可以去掉齒輪箱，提高了機組的可靠性。

3）中速（“半直驅”）型：這種風力發電機組的工作原理是以上兩種形式的折中。減少了多極同步發電機的極數，同時也相應地設置了增速比較小的齒輪箱。

（2）按轉速變化分

1）恒速：發電機在與電網頻率相對應的恒定轉速下工作，當齒輪箱增速比恒定時，風力機也在恒定不變的轉速下運行，稱為恒速恒頻運行方式。

2）多態恒速：機組中包含兩臺或多臺發電機（或應用雙速、多速發電機），根據風速的變化，可以有不同大小和數量的發電機投入運行，使風力機在兩個或兩個以上的速度下工作，從而提高效率。

3）變速：采用變速發電機，可以使風力機的轉速隨風速連續變化，從而更有效地捕獲風能。目前，主流的大型風力發電機組都采用變速恒頻運行方式。