1.3 風力發電機組的類型及構成

1.3.1 主要類型

風力發電機組單機容量從最初的數十千瓦級已經發展到兆瓦級，控制方式從基本單一的定槳距、定速控制向變槳距、變速恒頻發展。根據機械功率的調節方式、齒輪箱的傳動形式和發電機的驅動類型，可對風力發電機組作以下三種分類方式。

1.按機械功率調節方式分類

（1）定槳距控制。槳葉與輪轂固定連接，槳葉的迎風角度不隨風速而變化。依靠槳葉的氣動特性自動失速，即當風速大于額定風速時，輸出功率隨風速增加而下降。定槳距風力發電機不能有效利用風能，不能輔助啟動。

（2）變槳距控制。風速低于額定風速時，保證葉片在最佳攻角（氣流方向與葉片橫截面的弦的夾角）狀態，以獲得最大風能；當風速超過額定風速后，變槳系統減小葉片攻角，保證輸出功率在額定范圍內。因此，機械功率不完全依靠葉片的氣動特性調節，而主要依靠葉片攻角調節。在額定風速下，最佳攻角處于槳距角0°附近。

（3）主動失速控制。主動失速又稱負變距，風速低于額定風速時，葉片的槳距角是固定不變的；當風速超過額定風速后，變槳系統通過增加葉片攻角，使葉片處于失速狀態，限制增加風輪吸收功率，減小功率輸出；而當葉片失速導致功率下降，功率輸出低于額定功率時，適當調節葉片的槳距角，提高功率輸出，可以更加精確地控制功率輸出。對于變槳距和主動失速控制方式，葉片和輪轂都通過變槳軸承連接，即都通過變槳實現控制。主動失速控制的敏感性很高，需要準確控制槳距角，造價高。

2.按傳動形式分類

（1）高傳動比齒輪箱型。用齒輪箱連接低速風力機和高速發電機，減小發電機體積重量，降低電氣系統成本。但風力發電機組對齒輪箱依賴較大，由于齒輪箱導致的風力發電機組故障率高，齒輪箱的運行維護工作量大，易漏油污染，且導致系統的噪聲大、效率低、壽命短，因此產生了直驅風力發電機組。

（2）直接驅動型。應用多極同步風力發電機可以去掉風力發電系統中常見的齒輪箱，讓風力發電機直接拖動發電機轉子運轉在低速狀態，解決了齒輪箱所帶來的噪聲、故障率高和維護成本大等問題，提高了運行可靠性。但發電機極數較多，體積較大。

（3）中傳動比齒輪箱（半直驅）型。這種風機的工作原理是以上兩種形式的綜合。中傳動比型風力機減少了傳統齒輪箱的傳動比，同時也相應地減少了多極同步風力發電機的極數，從而減小了發電機的體積。

3.按發電機調速類型分類

（1）定速恒頻機組。采用異步電機直接并網，無電力電子變流器，轉子通過齒輪箱與低速風機相連，轉速由電網頻率決定。定速恒頻機組的優點是簡單可靠，造價低，因而在早期的小型風電場中獲得廣泛應用。定速異步發電機組結構簡單、可靠性高，但只能運行在固定轉速或在幾個固定轉速間切換，不能連續調節轉速以捕獲最大風電功率。此外，在風機轉速基本不變的情況下，風速的波動直接反映在轉矩和功率的波動上，因此機械疲勞應力與輸出功率波動都比較大。此外，每臺風力發電機需配備無功補償裝置為異步電機提供勵磁所需的無功功率，并且采用軟啟動裝置限制啟動電流。

（2）變速恒頻機組。異步發電機或同步發電機通過電力電子變流器并網，轉速可調，有多種組合形式。目前實際應用的變速恒頻機組主要有兩種類型：采用繞線式異步發電機通過轉子側的部分功率變流器并網的雙饋風力發電機組；采用永磁同步發電機通過全功率變流器并網的直驅永磁同步風力發電機組。與定速恒頻機組相比，變速恒頻風力發電機組可調節轉速，進行最大功率跟蹤控制，提高了風能利用率；風速變化而引起的機械功率波動可變為轉子動能，從而減小機械應力，對輸出功率的波動也可起到平滑作用。

目前，在風力發電領域廣泛應用的風力發電機組主要有三種類型，即固定轉速的鼠籠異步發電機組、可調速的雙饋異步發電機組和直驅永磁同步發電機組。

早期的小型風電場主要應用定速異步發電機組，其定子側直接并網，轉子通過齒輪箱與低速風力發電機相連，每臺風力發電機需配備無功補償裝置為異步電機提供勵磁所需的無功功率。定速異步發電機組結構簡單、可靠性高，但只能運行在固定轉速或在幾個固定轉速間切換，不能連續調節轉速以捕獲最大風電功率。此外，在風力發電機轉速基本不變的情況下，風速的波動直接反映在轉矩和功率的波動上，因此機械疲勞應力與輸出功率波動都比較大。

變速風力發電系統的特點是在有效的風速范圍內，發電機組的轉速和發電機組定子側產生的交流電能的頻率是變化的，直驅永磁同步機組和雙饋異步發電機組都屬于變速機組。直驅永磁同步機組，風輪與發電機的轉子直接耦合，而不經過齒輪箱，故此轉速都比較低，因此只能采用低速的永磁同步發電機。因為無齒輪箱，可靠性高；但采用低速永磁同步發電機，體積大，造價高；而且發電機的全部功率都需要變流器送入電網，變流器的容量大，成本高。與采用全功率變頻器驅動的直驅永磁同步發電機組相比，雙饋異步發電機組的發電機為繞線轉子異步電機，其定子側直接與電網相連，而繞線轉子側通過雙PWM變流器接入電網。雙饋感應式發電機，一般采用升速齒輪箱將風輪的轉速增加若干倍，傳遞機械功率給發電機轉子時轉速明顯提高，因而可采用高速發電機，體積小，質量輕。雙饋變流器的容量僅與發電機的轉差功率相關，效率高，價格低廉。這種方案的缺點是升速齒輪箱結構復雜，噪聲大，易疲勞損壞。表1-1給出了這三種主流機型的比較。

1.3.2 主要設備

風力發電系統主要由風輪、齒輪箱、發電機、變流器等設備以及控制系統構成，典型的風力發電系統組成如圖1-1所示。風輪首先捕獲波動的風能并轉換為旋轉的機械能，再由發電機將機械能轉換為電能后經由變壓器饋入電網。

圖1-1 風力發電系統主要組成

風輪由葉片、輪轂和變槳系統組成，是吸收風能的單元，用于將空氣的動能轉換為葉輪轉動的機械能。葉片具有空氣動力外形，在氣流作用下產生力矩驅動風輪轉動，通過輪轂將轉矩輸入到主傳動系統。輪轂的作用是將葉片固定在一起，并且承受葉片上傳遞的各種載荷，然后傳遞到發電機轉動軸上。每個葉片有一套獨立的變槳機構，可主動對葉片捕獲的風能進行調節。葉片的數量通常為3個，葉片半徑越大，旋轉速度越慢，兆瓦級風力機的旋轉轉速一般為10～15r/min。由于風力機轉速較慢，因此在其與發電機的連接中需要齒輪箱將低轉速轉換為高轉速。

齒輪箱、傳動鏈、發電機和控制柜等主要設備安裝于機艙內。機艙用于保護電氣設備免受風沙、雨雪、冰雹以及煙霧等惡劣環境的直接侵害，頂部裝有風速風向儀。雙饋型機艙長度一般在8m以上，寬度和高度在3m以上，一般采用拼裝結構；直驅型風力發電機組的機艙較短小，一般整體制造。機艙在偏航系統的驅動下，可實現風輪的自動對風。由于風的方向和速度經常變化，為了使風力機能有效地捕捉風能，設置了偏航裝置以跟蹤風向的變化，保證風輪基本上始終處于迎風狀況。偏航系統采用主動對風的齒輪驅動形式，與控制系統相配合，使葉輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高發電效率。通過風向儀和地理方位檢測風輪軸線與風向的偏差，采用電力或液壓驅動來完成對風。

齒輪箱作為風力發電機組中一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機。使用齒輪箱，可以將風力機轉子上的較低轉速、較高轉矩，轉換為用于發電機上的較高轉速、較低轉矩。由于齒輪箱速比較高，并且受無規律的變向變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，通常采用一級平行軸加兩級行星等多級齒輪箱結構，以提高其運行可靠性。

發電機將葉輪轉動的機械動能轉換為電能輸送給電網。與其他發電形式相比，風力發電使用的發電機類型較多，既可采用籠型、繞線型的異步發電機，也有采用電勵磁和永磁的同步發電機。此外，風力發電機受風的隨機性影響，效率低、易過載，并且散熱條件差、振動強烈。

風力發電機組的電控系統貫穿于風力發電機組的每個部分，相當于風力發電系統的神經。電控系統主要包括主控系統、變流器、變槳和偏航控制系統，由控制柜、變流柜、機艙控制柜、三套變槳柜、傳感器和連接電纜等組成。其主要作用是保證風力發電機組的可靠運行，獲取最大風能轉化效率，以及提供良好的電力質量。其控制內容包括正常運行控制、安全保護、運行狀態監測等三個方面。