1.3 風力發電機組的結構及特點

1.3.1 風力發電機組的分類

風力發電機組是利用風輪將風的動能轉換成機械能，再通過軸帶動發電機發電、轉換成電能的裝置。圖1-4以并網雙饋型風力發電機組為例示出其工作原理圖，風能通過葉輪的作用轉化成機械能，機械能通過主軸的旋轉、增速齒輪箱的增速、帶動發電機發電，從而實現了機械能向電能的轉換。并網型發電機通過相應的控制設備將滿足電網要求的電能接入電網，向電網饋電。

圖1-4 風力發電機組工作原理圖

風力發電機組的樣式很多，從不同角度出發，對風力發電機組可進行以下分類。

1.按并網方式分類

（1）離網型。一般指單臺獨立運行，所發出的電不接入電網的風力發電機組。通常需配蓄電池等直流儲能環節，通過逆變器可帶交流負載。這種機組容量較小，適用于家庭或村落等小用電單位。

（2）并網型。一般指產生的電能可直接并入電網的風力發電機組。一般以機群布陣成風力發電場，多為大型風力發電機組。

2.按風輪旋轉主軸與地面相對位置分類

（1）水平軸風力發電機組。即風輪旋轉軸與地面平行。水平軸風力發電機組又可分為升力（Darrieus）型和阻力（Savonius）型。升力型風力發電機組利用葉片兩個表面空氣流速不同產生升力，使風輪旋轉，升力型風輪旋轉軸與風向平行，需對風裝置，轉速較高，風能利用系數高；阻力型風力發電機組利用葉片在風輪旋轉軸兩側受到風的推力（對風的阻力）不同，產生轉矩使風輪旋轉，效率較低，很少應用。目前大型風力發電機組幾乎全部為水平軸升力型，風能利用系數目前達到0.4～0.5。

（2）垂直軸風力發電機組。風輪圍繞一個與地面垂直的軸旋轉，與風向無關，不需要對風裝置，且風力發電機組的其他設備都可安置于地面，使結構和安裝簡化，便于檢修。垂直軸風電機組也可分為阻力型和升力型兩大類。但由于其風能利用系數低，目前一般在0.3～0.35，目前未得到廣泛應用。

3.按運行方式分類

（1）定速恒頻。在不同的風速下，風輪保持一定轉速運行，與恒速發電機對應，發電頻率恒定，不需要變流器環節。此類風力發電機組也稱為定槳距失速型風力發電機組，其風輪槳葉與輪轂的連接是固定的，運行時槳距角不改變，高風速時，靠槳葉形狀失速或葉尖擾流器動作，限制風輪捕獲的風能，維持機組額定發電功率。此種運行方式的風力發電機組風能轉換效率低，為提高風能轉換效率，通常采用雙速發電機。2000年前進口的機組多為此種機型。由于在風速變化情況下，風力發電機組很少運行在最佳出力狀態，故目前出產的兆瓦級以上機組已淘汰此種機型。

（2）變速恒頻。在額定風速以下的不同風速段運行時，風輪轉速可以連續進行調節，以維持最優葉尖速比，提高發電效率；在額定風速以上運行時，通過調整槳距角，限制風輪轉速以保證輸出額定的功率。由于發電機的轉速是變化的，為保證提供恒頻的電能并入電網，則必須采用相應的變速恒頻技術。變速恒頻運行的風力發電機組其控制系統較為復雜。對于采用雙饋異步發電機形式的風力發電機組，其轉子需通過變流器聯入電網實現其變速恒頻運行；對于永磁直驅同步發電機形式的風力發電機組，需通過全功率變流器接入電網實現變速恒頻運行。風輪槳葉與輪轂的連接槳距角是可變調整的，在高于額定風速下，通過調節槳距角，從而限制了風輪的輸出轉矩和發電機功率。大型兆瓦級風電機組目前基本全部采用變速恒頻運行方式，主流機型包括雙饋型風力發電機組和永磁直驅式風力發電機組兩大類。

4.按傳動機構分類

（1）齒輪箱升速型。風輪是低速旋轉機械，發電機處于高速運行狀態，因此低速的風輪和高速的發電機通過齒輪箱進行連接，齒輪箱完成升速作用。這樣可以減小發電機體積、重量，降低發電機系統成本。

（2）直驅型。采用低速發電機，將低速風輪和低速發電機直接連接。發電機與電網之間通過全功率變流器連接，實現變速恒頻。這種機型省去了齒輪箱裝置，節省了運行時維護齒輪箱的工作量，避免了齒輪箱故障；但發電機復雜，成本高。

5.按發電機分類

（1）異步型。根據發電機進行分類，又可分為：①籠型單速異步發電機；②籠型雙速異步發電機；③繞線式雙饋異步發電機。

（2）同步型。根據發電機進行分類，又可分為：①多級永磁同步發電機；②電勵磁同步發電機。

1.3.2 風力發電機組的基本組成

風力發電機組功能是將風能轉化為電能，且保證在各種風況、電網和氣候條件下長期安全運行，并以最低的發電成本經濟運行。由于風的速度和方向是隨機變化的，風力發電機組安裝在高空，各部件隨時承受著交變載荷，因此風力發電機組對材料、工藝、結構和控制策略都有很高要求。為了使風力發電機組具有較高的運行效率，目前大型兆瓦級并網風力發電機組普遍采用水平軸風電機組形式，其基本結構如圖1-5所示。

圖1-5 風力發電機組的基本結構圖

1—輪轂；2—槳葉；3—主軸；4—齒輪箱；5—發電機；6—偏航機構；7—控制器；8—塔架；9—風速儀和風向標；10—機械制動器

1.風輪系統

風輪系統由輪轂和葉片等部件組成，作用是將風能轉換成機械能，傳送到轉子軸心。葉片大多為3個，具有空氣動力學外形，在氣流推動下產生力矩，推動風輪繞其軸轉動，是大型風力發電機組中受力最為復雜的部件，其材料多為玻璃纖維和碳纖維等。葉片安裝在輪轂上。輪轂是能固定葉片位置、并能將葉片組件安裝在風輪軸上的裝置。它是葉片根部與主軸的連接部件，所有葉片傳來的力，都要通過輪轂傳遞到傳動系統，再傳到發電機。同時，輪轂與放在輪轂內的變槳距系統共同構成控制葉片槳距角（使葉片作俯仰轉動）的關鍵部件。

風力發電機組的風輪系統目前有兩種運行方式：①定槳距風輪系統；②槳距角可變的風輪系統。對于變槳距風力發電機組，輪轂內的空腔部分用于安裝變槳距調節機構。

2 .塔架

塔架用于支撐葉輪和機艙，承受機組重量，同時還承受風載荷和運行中的各種動載荷，是風力發電機組的重要承載部件。根據風的形成可知，離地面越高，風速越大；因此隨著風力發電機組單機容量和葉輪半徑的增大，塔架高度越來越高。裝機容量為25kW的風力發電機組塔架高度為25m；而對于采用低速型大葉片的2MW大型風力發電機組，其塔架高度則可達90m，葉片直徑能達到110m左右。

塔架自身必須具有一定的高度、強度和剛度。目前使用的塔架形式有鋼筋混凝土結構、桁架結構和圓錐形鋼管結構等，陸上風電場應用較多的為圓錐形鋼管結構。從設計與制造、安裝和維護等方面看，這種形式的塔架指標相對比較均衡。在塔筒內部留有帶攀爬保護裝置的爬梯直通機艙以及休息平臺、電纜管夾、照明燈等附件。

3 .機艙

風力發電機組在野外高空運行，工作環境惡劣，為了保護傳動系統、發電機、控制裝置等部件，將它們用輕質外罩封閉起來，這種外罩稱為機艙。機艙內放置風力發電機組關鍵部件，包括主軸、齒輪箱、發電機、控制柜等。

4.傳動系統

傳動系統由主軸、齒輪箱和聯軸器等三部分構成。主軸的前端法蘭與輪轂相連接，對輪轂傳遞來的負載起支撐作用，并將扭矩傳遞給齒輪箱，將軸向推力和氣動彎矩傳給機艙和塔架。有的風力發電機組將主軸與齒輪箱的輸入軸合為一體，也有的將主軸和齒輪箱的輸入軸利用脹緊套或聯軸節連接。

齒輪箱是風力發電機組中的重要機械部件，其作用是將風輪在風力作用下所產生的旋轉機械能傳遞給發電機，并實現風輪轉速與發電機轉子轉速的匹配。一般風輪的轉速較低而發電機的轉速較高，通過齒輪箱實現增速，因此齒輪箱也稱為增速齒輪箱。不同廠家的風力發電機組，齒輪箱的結構形式有所不同。目前實際應用的機組中，最常見的形式是由行星齒輪系和平行軸輪系混合構成。

高速軸聯軸器是齒輪箱和發電機之間的連接器件。齒輪箱的高速輸出軸與發電機軸一般采用柔性聯軸器。采用在高速軸上安裝防止過載的柔性安全聯軸器，不僅可以保護重要部件的安全，也可以降低齒輪箱的設計與制造成本。在運行期間，這個軸補償二者的平行性偏差和角度誤差。聯軸器具有阻尼特性，以減少振動的傳動。聯軸器還要具有一定的阻抗和耐受電壓，以防止寄生電流通過聯軸器從發電機轉子流向齒輪箱，對齒輪箱造成危害。聯軸器的設計，需要同時考慮對機組的安全保護功能。在齒輪箱的輸出軸與發動機軸的彈性連接器前端，安裝有機械制動盤。

5 .發電機

發電機的作用是將風輪傳來的機械能，利用電磁感應原理轉換成電能，是風力發電機組的核心設備。所有并網型風力發電機組均利用三相交流電機將機械能轉換成電能，常用的類型主要有：繞線式雙饋異步發電機、低速永磁同步發電機、籠型異步發電機。由于風能是隨機性的，風速的大小時刻變化，為提高風能轉換效率，風輪轉速按照最優葉尖速比的原則隨風速變化而變化，這也就意味著采用變速運行方式的發電機的轉速是隨著風速變化的。發電機必須通過控制裝置，依據風速大小及電能質量的需要，實現對風力發電機組的啟動、并網、正常運行、停機、故障保護等操作，維持風力發電機組的安全經濟運行。

6.變槳系統

現代大型并網風力發電機組普遍采用變槳距型，其主要特征是葉片可以相對輪轂轉動，進行槳距角調節。葉片的變槳距操作通過變槳系統實現。變槳系統位于輪轂內部，包括驅動電機、變距軸承、減速器、限位開關、變槳電池、變槳控制柜等設備。按照驅動方式，分為液壓變槳和電氣變槳兩種。

7.偏航系統

風力發電機組的對風裝置又稱為偏航系統。其作用是：針對風向瞬時變化的不穩定性，在有效風速范圍內，使風輪的掃風面與風向保持垂直，以便風輪捕獲最大的風能；在非可用風速范圍下，能夠90°側風。偏航系統位于機艙和塔架頂端連接的位置，由偏航軸承、傳動、驅動和制動等功能部件組成。大型風力發電機組主要采用電動偏航或者液壓偏航驅動，其風向檢測信號來自機艙上的風向標。偏航系統中設有自動解纜和扭纜保護裝置，以避免在連續跟蹤風向的過程中可能會出現的電纜纏繞情況。

8.液壓系統

液壓系統是通過有壓液體介質，實現動力傳輸和運動控制的機械單元。風力發電機組中液壓系統主要應用于：①機械制動、風輪鎖定；②齒輪箱油液冷卻和過濾；③一些風力發電機組采用液壓變槳距系統、液壓偏航系統等。

9.機械制動機構

當風力發電機組需要進行維修保養或運轉異常及出現破壞性極端風速時，需要通過制動機構使風輪停止下來。大型并網風力發電機組包含氣動制動機構和機械制動機構兩部分。當風力發電機組停機時，首先執行氣動執行機構，使風輪轉速下降，然后再執行機械制動。當機組處于緊急制動情況時，將同時執行氣動制動和機械制動。

變槳距風力發電機組的氣動制動是通過變槳距調節系統改變三個葉片的槳距角實現的，通過將葉片槳距角調到順槳位置，實現空氣制動。

機械制動機構是一個液壓動作的盤式制動器。制動盤用合金鑄造，安裝在齒輪箱高速輸出軸和發電機軸的彈性聯軸器前端，隨軸轉動。制動鉗上摩擦片安裝在制動盤兩側。制動時液壓系統提供動力，推動制動鉗上的摩擦片壓向制動盤，通過摩擦力實現制動，使系統停機。制動系統具有自動閘瓦調節功能，即制動時，當閘瓦磨損后也不需要手動調整制動器。

10.風速儀和風向標

風力發電機組只有在有效的風速下才能安全運行，且控制中還有許多算法需要輸入風速、風向這兩個變量。故采用風速儀和風向標來實現對風速和風向的測量。風杯式風速計和尾翼偏航式風向標較常見。近年來，高精度的超聲波風向風速計在風力發電機組中大量應用。

11.控制系統

控制系統的目的是完成機組信號檢測、機組啟動到并網運行發電過程的任務，并保證機組運行中的安全性，包括各種傳感器、變槳控制器、變流器、主控器、機組控制安全鏈等。