1.1　風力發電機組的構成與分類

從不同角度分析，風力發電機組有多種分類方式。圖1-1所示為風力發電機組的配置關系，可以清楚地說明風力發電機組的分類。

1.1.1　風力發電機組的構成

不同類型的風力發電機組其組成不完全相同，主要包括風輪、傳動系統、發電機系統、制動系統、偏航系統、控制系統、變槳系統等，風力發電機組的主要組成部分如圖1-2所示。

1.風輪

風輪是將風能轉化為動能的機構，風力帶動風輪葉片旋轉，再通過齒輪箱將轉速提升，帶動發電機發電。風力機通常有兩片或三片葉片，葉尖速度50～70m/s。在此葉尖速度下，通常三葉片風輪效率更好，兩葉片風輪效率僅降低2%～3%。對于外形均衡的葉片，葉片少的風輪轉速更快，但會導致葉尖噪聲和腐蝕等問題。三葉片風輪的受力更平衡，輪轂結構更簡單。

早期的風力機葉片為鋼制和鋁制，隨著科技的發展，目前葉片材料多采用玻璃纖維復合材料（GRP）和碳纖維復合材料（CFRP）。對于小型的風力發電機組，如風輪直徑小于5m，在選擇材料上，通常更關心效率而不是重量、硬度或葉片的其他特性。對于大型風力發電機組，對葉片特性要求較高，所以材料的選擇更為重要。世界上大多數大型風力機的葉片是由GRP制成的。

2.傳動系統

風力機的傳動機構一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯軸節和制動器等，但不是所有風力機都必須具備這些環節。有些風力機的輪轂直接連接到齒輪箱上，不需要低速傳動軸；也有些風力機（特別是小型風力機）設計成無齒輪箱的，風輪直接與發電機相連接。

齒輪箱是傳動裝置的主要部件。它的主要功能是將風輪在風力作用下產生的動能傳遞給發電機并使其達到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發電機發電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現，因此也將齒輪箱稱為增速箱。如600kW的風力機風輪轉速通常為27r/min，相應的發電機轉速通常為1500r/min。

3.發電機系統

發電機系統主要由發電機、循環變流器、水循環裝置（電機、水泵、水箱等）或空冷裝置等組成。核心是發電機，也是本書的重點，關于風力發電機組的分類將在1.2節討論，發電機及其控制的詳細內容將在后面各章中詳細分析。

4.制動系統

風力發電機組的制動分為氣動制動與機械制動兩部分。風的速度很不穩定，在大風的作用下，風輪會越轉越快，系統可能被吹垮，因此常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置，配合葉尖制動（定槳距風輪）或變槳距制動裝置共同對機組傳動系統進行聯合制動。

5.偏航系統

偏航系統使風輪掃掠面積總是垂直于主風向。中小型風力機可用舵輪作為對風裝置，其工作原理大致為：當風向變化時，位于風輪后面的兩個舵輪（其旋轉平面與風輪旋轉平面垂直）旋轉，并通過一套齒輪傳動系統使風輪偏轉，當風輪重新對準風向后，舵輪停止轉動，對風過程結束。

大中型風力機一般采用電動的偏航系統來調整風輪并使其對準風向。偏航系統一般包括異步風向的風向標、偏航電機、偏航行星齒輪減速器、回轉體大齒輪等。其工作原理為：風向標作為異步元件將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機控制回路的處理器中，經過比較后處理器給偏航電機發出順時針或逆時針的偏航命令，為了減少偏航時的陀螺力矩，電機轉速將通過同軸連接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對風，當對風完成后，風向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束。

6.控制系統

控制系統是現代風力發電機組的神經中樞。現代風力發電機組無人值守，兆瓦級風力發電機組一般在風速4m/s左右自動啟動，在14m/s左右發出額定功率。然后，隨著風速的增加，風力發電機組一直控制在額定功率附近發電，直到風速達到25m/s時自動停機。現代風力發電機組的存活風速為60～70m/s，也就是說在如此大的風速下風力發電機組也不會被吹壞。通常所說的12級颶風，其風速范圍也僅為32.7～36.9m/s。在這樣惡劣的條件下，風力發電機組的控制系統要根據風速、風向對系統加以控制，使之在穩定的電壓和頻率下運行，自動地并網和脫網，并能夠監視齒輪箱、發電機的運行溫度，液壓系統的油壓等，對出現的任何異常進行報警，必要時自動停機。

7.變槳系統

變槳距控制是根據風速的變化調整葉片的槳距角，從而控制風力發電機的輸出功率。變槳系統通常由軸承、驅動裝置（電機＋減速器）、蓄電池、逆變器等組成，變槳速度為16°/s左右。

目前，國際上常見的變槳系統有兩種類型：一種是液壓驅動連桿機構，推動軸承，實現變槳；另一種是電機經減速驅動軸承，實現變槳。由于高壓油的傳遞需要通過靜止部件向旋轉部件（輪轂）傳遞，難以很好地實現，易發生漏油；電信號的傳遞較易實現，兆瓦級風力發電機組多采用電機驅動變槳。出于安全考慮，要配置蓄電池，防止電網突然掉電或電信號突然中斷，使風力發電機組能夠安全平穩地實現順槳制動。

1.1.2　風力發電機組的分類

1.1.2.1　按照風輪形式分類

1.垂直軸風力發電機組

垂直軸風力發電機組按形成轉矩的機理分為升力型和阻力型兩類。

升力型風力發電機組的氣動力效率遠大于阻力型風力發電機組，因此當前大型并網型垂直軸風力發電機組全部為升力型。阻力型風力發電機組的風輪轉矩是由葉片凹凸面阻力不同形成的，其典型代表是風杯，對大型風力發電機組不適用。

升力型風力發電機組的風輪轉矩由葉片的升力提供，是垂直軸風力發電機的主流，其中打蛋形風輪應用最多，當這種風輪葉片的主導載荷是離心力時，葉片只有軸向力而沒有彎矩，葉片結構最輕。

與水平軸風力發電機組相比，垂直軸風力發電機組除在風向改變時無需對風外，其優越性并不明顯，因而目前使用量很小。

2.水平軸風力發電機組

水平軸風力發電機組的風輪軸線基本與地面平行，安置在垂直地面的塔架上，是當前使用最廣泛的機型。

水平軸風力發電機組還可分為上風向及下風向兩種機型。上風向風力發電機組其風輪面對風向，安置在塔架前方，需要主動調向機構以保證風輪能隨時對準風向。下風向風力發電機組其風輪背對風向，安置在塔架后方。當前大型并網風力發電機組幾乎都是水平軸上風向型。

（1）上風向風力發電機組。水平軸上風向三葉片風力發電機組是當代大型風力發電機組的主流，兩葉片上風向風力發電機組也比較多見。

兩葉片風力發電機組在同樣風輪直徑（掃掠面積）下其轉速更快才能產出與三葉片機組相同的功率，因此，對葉片壽命（循環次數）的要求比三葉片機組要高。由于轉速快葉尖速度高，風輪的噪聲水平也高，因此對周圍的環境影響較大。兩葉片相對三葉片，其質量平衡及氣動力平衡都比較困難，因此功率和載荷波動較大。其優點是葉片少、成本相對低，對于噪聲要求不高的離岸型風力發電機組，兩葉片是比較合適的。

（2）下風向風力發電機組。下風向風力發電機組只在中、小功率機型中出現。其特點如下：

1）風輪（被動）對風，不需要偏航驅動機構。因為風輪處于塔架的下風向，是靜平衡狀態，實際上由于偏航使電纜扭絞，仍需要解扭措施。原則上可采用滑環機構避免扭絞，但不可靠。

2）風輪在下風向受塔影影響較大，這一方面影響了風能利用系數，同時使疲勞載荷的幅值增大，葉片疲勞壽命也比上風向機型短，因此下風向風力發電機組很少采用。

1.1.2.2　按照速度與頻率的關系分類

1.恒速恒頻風力發電機組

當風力發電機與電網并聯運行時，要求風力發電機的頻率與電網頻率保持一致，即恒頻。恒速恒頻指在風力發電過程中，保持發電機的轉速不變，從而得到恒定的頻率。

恒頻恒速發電機組通常采用異步發電機和同步發電機作為并網運行的發電機，采用定槳距失速或主動失速調節實現功率控制。

當采用同步發電機作為并網運行的發電機時，由于風速隨機變化，作用在轉子上的轉矩很不穩定，使得并網時其調速性能很難達到期望的精度，常采用自動準同步并網和自同步并網方式，前者由于風速的不確定性，并網比較困難，后者并網操作較簡單，并網在短時間內可完成，但要克服合閘時有沖擊電流的缺點。

當采用異步發電機作為并網運行的發電機時，由于靠轉差率調整負荷，所以控制裝置簡單，并網后不會產生振蕩和失步，運行穩定。其缺點是直接并網時產生的過大沖擊電流會造成電壓大幅度下降，對系統安全運行構成威脅。異步發電機本身不發出無功功率，需要無功補償，正常運行時需要相應采取有效措施才能保障風力發電機組安全運行。

總的來說，恒速恒頻風力發電控制技術的優點是成本低、結構簡單，不存在復雜的電路控制系統需要維護。其缺點是由于異步電機的轉子始終運行于近似同步轉速、同步電機始終運行于同步轉速，無法實現風力機在不同風速狀態下的轉速調節，導致風力機在掃風面積上無法實現最大氣動能量的捕獲。由于這種風力發電機組自身不具備無功功率控制的能力，通常在電網接入環節安裝無功補償裝置，如電容器組或SVG，其容量根據發電機組容量按一定的比例進行設計。

2.變速恒頻風力發電機組

變速恒頻是指在風力發電過程中發電機的轉速可隨風速變化，通過其他控制方式得到恒定的頻率。

變速恒頻發電是20世紀70年代中后期逐漸發展起來的一種新型風力發電技術，通過調節發電機轉子電流的大小、頻率和相位或變槳距控制實現轉速的調節，可在很寬的風速范圍內保持近乎恒定的最佳葉尖速比，進而實現風能最大轉換效率；同時又可以采用一定的控制策略靈活調節系統的有功功率、無功功率，抑制諧波，減少損耗，提高系統效率，因此可以大大提高風電場并網的穩定性。盡管變速系統與恒速系統相比風電轉換裝置中的電力電子部分比較復雜和昂貴，但成本在大型風力發電機組中所占比例并不大，因而發展變速恒頻技術將是今后風力發電的必然趨勢。

變速恒頻發電機組通常為“變速風力機＋變速發電機”形式，采用變槳距結構，啟動時通過調節槳距控制發電機轉速。

變速恒頻風力發電機有低速直驅永磁風力發電機和帶多級齒輪箱的高速雙饋異步發電機兩種基本形式，最近又從直驅永磁風力發電機和高速雙饋異步發電機中分別派生出兩種新結構，即帶一級增速齒輪箱的半直驅永磁風力發電機和無刷雙饋風力發電機，如圖1-3所示。

表1-1為變速恒頻風力發電機組與恒速恒頻風力發電機組典型方案比較，分別在發電機類型、電力電子裝置應用、無功補償、變速裝置、風能捕獲效率、轉速控制和電網柔性接入等方面進行分析對比。

1.1.2.3　按照有無齒輪箱分類

1.有齒輪箱的雙饋異步風力發電機組

雙饋異步風力發電機組由定子繞組直連三相電網的繞線型異步發電機、增速齒輪箱和安裝在轉子繞組上的雙向背靠背IGBT變流器等組成，如圖1-4所示。傳動系統采用增速齒輪箱，提高了電機的轉速，進而減小了發電機的體積。

雙饋異步風力發電機組的變流器由轉子側變流器和電網側變流器兩部分組成，彼此獨立控制。變流器的主要原理是轉子側變流器通過控制轉子電流分量控制有功功率和無功功率，而電網側變流器控制直流母線電壓并確保變流器運行在零無功功率狀態下。

功率是饋入轉子還是從轉子提取取決于傳動鏈的運行條件，在超同步狀態，功率從轉子通過變流器饋入電網；在欠同步狀態，功率反方向傳送。這兩種情況（超同步和欠同步）下，定子都向電網饋電。

（1）優點。在風力發電中采用交流勵磁雙饋風力發電方案，可以獲得以下優越的性能：

1）調節勵磁電流的頻率可以在不同的轉速下實現恒頻發電，滿足用電負載和并網的要求，即變速恒頻運行。這樣可以從能量最大利用等角度去調節轉速，提高發電機組的經濟效益。

2）調節勵磁電流的有功分量和無功分量，可以獨立調節發電機的有功功率和無功功率。這樣不但可以調節電網的功率因數，補償電網的無功需求，還可以提高電力系統的靜態和動態性能。

3）由于采用了交流勵磁，發電機和電力系統構成了柔性連接，即可以根據電網電壓、電流和發電機的轉速來調節勵磁電流，精確地調節發電機輸出電壓，使其滿足要求。

4）由于控制方案是在轉子電路中實現的，而流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，它僅僅是額定功率的一小部分，這樣就大大降低了變頻器的容量，減少了變頻器的成本。

5）可維護性好。雙饋式風力發電機組的傳動結構一般包括葉片、輪轂、齒輪箱、聯軸器、發電機，各主要部件相對獨立，可以分別進行維護和維修，且現場維修容易，時間響應及時。

（2）缺點。這種雙饋式風力發電機組也有以下缺點：

1）齒輪箱問題。雙饋風力發電機組中，為了讓風輪的轉速和發電機的轉速相匹配，必須在風輪和發電機之間用齒輪箱來連接，這就增加了機組的總成本；而且齒輪箱噪聲大、故障率較高、需要定期維護，并且增加了機械損耗。

2）電刷問題。一方面，電刷和滑環間存在機械磨損；另一方面，電刷的存在降低了機組的可靠性。

2.無齒輪箱的直驅式風力發電機組

直驅式變速變槳恒頻技術采用了風輪與發電機直接耦合的傳動方式，發電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網，如圖1-5所示。直驅技術的最大特點是可靠性和效率都有了進一步的提高。

直驅式風力發電機組首先將風能轉化為頻率、幅值均變化的三相交流電，經過整流之后變為直流，然后通過逆變器變換為恒幅恒頻的三相交流電并入電網。通過中間電力電子變流器環節對系統有功功率和無功功率進行控制，實現最大功率跟蹤，最大效率利用風能。

與雙饋式風力發電機組相比，直驅式風力發電機組的優點在于：①傳動系統部件減少，提高了風力發電機組的可靠性和利用率；②變速恒頻技術的采用提高了風電機組的效率；③機械傳動部件的減少降低了風力發電機組的噪聲、提高了整機效率；④可靠性的提高降低了風力發電機組的運行維護成本；⑤部件數量的減少使整機的生產周期大大縮短；⑥利用現代電力電子技術可以實現對電網有功功率和無功功率的靈活控制；⑦發電機與電網之間采用全功率變流器，使發電機與電網之間的相互影響減少，電網故障時對發電機的損害較小。其缺點在于：①功率變換器與發電機組和電網全功率連接，但其造價昂貴，控制復雜；②用于直接驅動發電的發電機工作在低轉速、高轉矩狀態，電機設計困難、極數多、體積大、造價高、運輸困難。

3.半直驅式永磁風力發電機

除了有增速齒輪箱外，半直驅式永磁發電機和直驅式永磁發電機具有相似結構和性能。半直驅式永磁發電機的體積和成本比直驅式永磁發電機小，可靠性比雙饋異步發電機高。在功率一定時，電機的體積取決于額定轉速，如何選擇增速齒輪箱的傳送比是半直驅式永磁發電機的關鍵問題。基于制造容易、結構簡單、成本低的要求，選擇一級增速齒輪箱更為適合。

額定轉速為20r/min，額定功率為1.5MW的直驅式永磁發電機的定子外徑和鐵芯長度分別為3800mm和1100mm，那么，經過一級增速齒輪箱增速后額定轉速變為255r/min的半直驅式永磁發電機定子外徑和鐵芯長度分別為2200mm和445mm。可見，半直驅式永磁發電機的體積、重量、成本都大大降低，而效率達到97.8%，比直驅式永磁發電機的效率95.4%還高。

半直驅式永磁發電機的效率高主要是定子繞組的銅耗降低，這是因為相對于直驅式永磁發電機，轉子轉速提高了，繞組匝數降低了。

1.1.2.4　按照功率調節方式分類

1.定槳距風力發電機組

定槳距失速型風力發電機組主要由風輪、增速機構、制動機構、發電機、偏航系統、塔架、機艙、加溫加壓系統以及控制系統等組成。定槳距風力發電機組的主要結構特點是葉片與輪轂的連接是固定的，即當風速變化時，葉片節距角不能隨之變化。這一特點使得當風速高于風輪的設計點風速（額定風速）時，葉片必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，葉片的這一特性稱為自動失速性能。運行中的風力發電機組在突甩負載的情況下，葉片自身必須具備制動能力，使風力發電機組能夠在大風情況下安全停機。

20世紀70年代失速性能良好的葉片的出現解決了風力發電機組對自動失速性能的要求，20世紀80年代葉尖擾流器的應用解決了在突甩負載情況下的安全停機問題，這些使定槳距失速型風力發電機組在過去20年的風能開發利用中始終處于主導地位，最新推出的兆瓦級風力發電機組仍有機型采用該項技術。

定槳距失速型風電機組的最大優點是控制系統結構簡單、制造成本低、可靠性高。但失速型風力發電機組的風能利用系數低，葉片上有復雜的液壓傳動機構和擾流器，葉片質量大，制造工藝難度大，當風速躍升時，會產生很大的機械應力，需要比較大的安全系數。

定槳距風力發電機組輸出功率的特點如下：

（1）風力發電機組的輸出功率主要取決于風速，同時也受氣壓、氣溫和氣流擾動等因素的影響。定槳距風力發電機組葉片的失速性能只與風速有關，當風速達到葉片氣動外形所決定的失速調節風速時，不論是否滿足輸出功率，葉片的失速性能都要起作用。定槳距風力發電機組的主動失速性能使其輸出功率始終限定在額定值附近。

（2）定槳距風力發電機組中發電機額定轉速的設定也對輸出功率有影響。定槳距失速型風力發電機組的節距角和轉速都是固定不變的，這使風力發電機組的功率曲線上只有一點具有最大風能利用系數，對應于某個葉尖速比。當風速變化時，風能利用系數也隨之改變。要在變化的風速下保持最大風能利用系數，必須保持發電機轉速與風速之比不變，而在風力發電機組中，其發電機額定轉速有很大的變化，因此額定轉速較低的發電機在低風速下具有較高的風能利用系數，額定轉速較高的發電機在高風速時具有較高的風能利用系數。

2.變槳距風力發電機組

變槳距風輪運行是通過改變槳距角使葉片剖面的攻角發生變化來迎合風速變化，從而在低風速時能夠更充分地利用風能，具有較好的氣動輸出性能，而在高風速時，又可通過改變攻角的變化來降低葉片的氣動性能，使高風速區風輪功率降低，達到調速限功的目的。變槳距失速型風力發電機組的典型代表是Vestas公司生產的V39/V42/V44-600kW機組。

（1）運行方式。變槳距風力發電機組的整個葉片圍繞葉片中心軸旋轉，使葉片攻角在一定范圍內（一般為0°～90°）變化，以調節輸出功率不超過設計容許值。變槳距風力發電機組出現故障需停機時，一般先使葉片順槳，使功率減小，在發電機與電網斷開之前功率減小至零，即當發電機與電網脫開時，沒有轉矩作用于風力發電機組，避免了在定槳距風力發電機組上每次脫網時所要經歷的突甩負載過程。由于變槳距葉片一般葉寬小，葉片輕，機頭質量比失速機組小，不需要很大的剎車，所以其啟動性能較好。但卻增加了一套變槳距機構，從而增加了故障發生的概率，而且在處理變槳距機構葉片軸承故障時難度很大，所以其安裝、維護費用相對偏高。

變槳距風力發電機組根據變距系統所起的作用可分為三種運行狀態，即風力發電機的啟動狀態（轉速控制）、欠功率狀態（不控制）和額定功率狀態（功率控制）。

1）啟動狀態。當變槳距風力發電機組的風輪從靜止到啟動，且發電機未并入電網時都稱為啟動狀態，這時變槳距的節距給定值由發電機轉速信號控制。轉速控制器按一定的速度上升斜率給出速度參考值，變槳距系統根據給定的速度參考值調整節距角進行速度控制，在控制過程中，轉速反饋信號與給定值進行比較，當轉速超過發電機同步轉速時，葉片節距角就向迎風面積減小的方向轉動一個角度；反之，則向迎風面積增大的方向轉動一個角度。

2）欠功率狀態。當轉速在同步轉速附近保持一定時間后發電機即并入電網，這時如果風速低于額定風速，這種狀態就是欠功率狀態。這時的變槳距風力發電機組與定槳距風力發電機組相同，其功率輸出完全取決于葉片的氣動性能。

3）額定功率狀態。當發電機并入電網，且風速大于額定風速時，風力發電機組就進入額定功率狀態，這時變槳距控制方式由轉速控制切換到功率控制，具體來說，就是功率反饋信號與給定值（額定功率）進行比較，當功率超過額定功率時，葉片節距就向迎風面積減小的方向轉動一個角度，反之，則向迎風面積增大的方向轉動一個角度。

（2）輸出功率的特點。對于變槳距風力發電機組，由于葉片節距可以控制，所以即使風速超過額定點，其額定功率仍然具有較高的風能利用系數，功率曲線在額定點后也相對平穩，不但保證了較高的發電量，而且有效地減少了風力發電機因風速的變化對電網造成的不良影響，尤其是解決了高次諧波與功率因數等問題，達到了高效率、高質量地向電網提供電力的目的，因此更具優越性。另外，變槳距風力發電機組與定槳距風力發電機組相比，在相同的額定功率點，前者額定風速比后者的要低。因此，這種新型的變速風力發電機組是發展的主流方向。