第二節 并網型風力發電機組

一、工作原理

圖1-4所示為并網型風力發電機組總體結構簡圖。其中，發電機是發電的核心部件，變壓器使發出的交流電升壓，斷路器在控制系統的作用下實現并網或脫網。

由于發電機的不同，并網方式有直接并網和間接并網兩種。直接并網是指恒速發電機發出電流的頻率與電網頻率相同，可以直接與電網連接，直接并網的核心是軟并網裝置；間接并網是指變速發電機發出電流的頻率與電網頻率不同，必須經過變流器與電網連接。

在風力發電機組中，存在著兩種物質流。一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機組完成發電功能。圖1-5所示是一種典型的風力發電機組的工作原理。

1．能量流

當風以一定的速度吹向風力機時，在風輪上產生的力矩驅動風輪轉動。將風的動能變成風輪旋轉的動能，兩者都屬于機械能。風輪的輸出功率

式中 P——風輪的輸出功率，單位為W；

M——風輪的輸出轉矩，單位為N·m；

Ω——風輪轉動角速度，單位為rad/s。

風輪的輸出功率通過主傳動系統傳遞。主傳動系統可以使轉矩和轉速發生變化，于是有

式中 P_m——主傳動系統的輸出功率，單位為W；

M_m——主傳動系統的輸出轉矩，單位為N·m；

Ω_m——主傳動系統輸出軸的角速度，單位為rad/s。

η_m——主傳動系統的總效率。

主傳動系統將動力傳遞給發電系統，發電系統把機械能轉換為電能。發電系統的輸出功率

式中 P_e——發電系統的輸出功率，單位為W；

η_e——發電系統的總效率。

對于并網型風力發電機組，發電系統輸出的交流電經過變壓器升壓后，即可輸入電網。

2．信息流

信息流的傳遞是圍繞控制系統進行的。控制系統的功能是運行狀態控制和安全保護。運行狀態包括起動、運行、暫停、停止等。在出現惡劣的外部環境和機組零部件突然失效時應該緊急關機。

風速、風向、風力機的轉速、發電功率等物理量通過傳感器變換成電信號傳給控制系統，它們是控制系統的輸入信息。控制系統隨時對輸入信息進行加工和比較，及時地發出控制指令，這些指令是控制系統的輸出信息。

對于變槳距機組，當風速大于額定風速時，控制系統發出變槳距指令，通過變槳距系統改變風輪葉片的槳距角，從而控制風力發電機組的輸出功率。在起動和停止的過程中，也需要改變葉片的槳距角。

對于變速型機組，當風速小于額定風速時，控制系統可以根據風速的大小發出改變發電機轉速的指令，以便使風力機最大限度地捕獲風能。

當風輪的軸向與風向偏離時，控制系統發出偏航指令，通過偏航系統校正風輪軸的指向，使風輪始終對準來風方向。

當需要關機時，控制系統發出關機指令，除了借助變槳距制動外，還可以通過安裝在傳動軸上的制動裝置實現制動。

實際上，在風力發電機組中，能量流和信息流組成了閉環控制系統。同時，變槳距系統、偏航系統等也組成了若干閉環子系統，實現相應的控制功能。

應該指出，由于各種風力發電機組結構的不同，其工作原理也有差異，在這里介紹的是比較典型的情況。

二、典型機型

大型風力發電機組的機型很多，區別是采用不同的風力機和發電系統，兩者應該相互匹配。下面介紹幾種典型機型。

1．恒速式

恒速機組如圖1-6所示。這種形式的機組使用籠型感應發電機，發電機轉子通過齒輪箱與風輪連接，而發電機定子回路與電網用交流電連接。在正常運行時，速度僅在很小的范圍內變化，通常不超過2%，即為感應發電機的轉差范圍。

感應發電機向電網提供有功功率，從電網吸收無功功率用來為發電機勵磁。顯然，轉子回路短路的感應發電機不能控制無功功率，因此感應發電機經常處于用電容器組進行無功功率空載補償或滿載補償的狀態。圖1-7所示為一種恒速恒頻風力發電機組。

2．多態恒速式

多態恒速風力發電機組中包含兩臺或多臺感應發電機，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。這樣，當風力發電機組在低風速段運行時，不僅葉片具有較高的氣動效率，發電機的效率也能保持在較高水平。這種機型曾一度是主流機型，被稱為“丹麥式”機組。

以上介紹的兩種機型常采用定槳距風力機，以下介紹的各種機型一般采用變槳距風力機。

3．優化轉差式

圖1-8為優化轉差式風力發電機組示意圖。這種形式的機組采用繞線轉子感應發電機，通過對發電機轉子電流的控制來迅速改變發電機轉差率，從而改變風輪轉速，使風力發電機組能夠以部分變速方式運行于超同步轉速的范圍內，最高可超過同步轉速的10%。

4．雙饋式

圖1-9所示為雙饋式風力發電機組的結構簡圖。這種形式的機組采用交流勵磁雙饋式發電機。轉子的轉速與勵磁的頻率有關。雙饋發電機組允許發電機在同步轉速±30%轉速范圍內運行。

雙饋式風力發電機組的轉子通過變流器與電網連接，變流器的額定容量通常為風力發電機組額定功率的25%左右。轉子超同步運行時，有功功率從轉子回路送到電網，而轉子次同步運行時，轉子回路從電網吸收有功功率。

圖1-10所示為一種雙饋式機組內部結構。包括設在輪轂之中的變槳距系統，由雙饋發電機、變流器等組成的發電系統，由主軸及主軸承、齒輪箱和聯軸器等組成的主傳動系統，由電動機、減速器、偏航軸承、制動機構等組成偏航系統以及由傳感器、電氣設備、控制器和相應軟件等組成的控制系統。此外，還設有液壓系統，為高速軸上設置的制動裝置、偏航制動裝置提供液壓動力。液壓系統包括液壓站、輸油管和執行機構。為了實現齒輪箱、發電機、變流器的溫度控制，還設有循環油冷卻風扇和加熱器等。齒輪箱可以將較低的風輪轉速變為較高的發電機轉速。同時也使得發電機易于控制，實現穩定的頻率和電壓輸出。

5．多級齒輪箱全功率變流器式

籠型感應發電機和永磁同步發電機都可以通過全功率變流器與電網連接，如圖1-11所示。風力機和發電機之間仍采用多級齒輪箱。這類風力發電機組變速范圍更大，只是變流器的成本較高。

6．直驅式

圖1-12所示為直驅式全功率變流風力發電機組。這種風力發電機組采用多極發電機，它可以直接連接風力機，從而避免增速箱帶來的諸多不利。

直驅式風力發電機組的發電機轉子轉速隨風速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過大功率電力電子變流器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。變速恒頻控制是在定子電路實現的，因此變流器的容量與系統的額定容量相同。

圖1-13所示為一種永磁直驅式風力發電機組內部結構。機艙內包括發電系統、制動系統、監控系統、溫控和潤滑系統等部件。

7．中速發電機（“半直驅”）式

這種機型采用增速比較低的變速裝置以提高發電機轉速，同時減少了多極同步發電機的極數，介于高速發電機型和直接驅動型之間（故又稱“半直驅”型）。圖1-14所示為其結構簡圖。

一種中速發電機型機組如圖1-15所示。機艙內部包括變槳距系統、一級行星增速器集成多極低速發電機、變流器、控制器、偏航系統、測風系統和底板等，把行星齒輪副與發電機集成在一起，構成了發電機單元。發電單元的主軸與輪轂直接實現機械連接，并經過全額大功率變流器與電網實現電氣連接。

8．變速主傳動式

應用變速主傳動機構與同步發電機連接，可以使同步發電機直接并網，從而實現風力機的變速運行，如圖1-16所示，可獲得最佳的捕獲風能效果。

上述各種機型中，恒速式和優化轉差式機型曾經是主流機型，雖然在早期風電場中或有運行，但已退出商業市場；目前雙饋式機型占據主導地位，直驅式機型得到迅速發展；其他機型也有少量生產。