1.2.1 風電機組的組成

風力發電是指利用風電機組將風能轉化為電能的發電方式。目前，大部分安裝的風力機是變速型風力機，采用的主要是雙饋感應發電機和全功率風電機組，這些發電機允許變速運行發電。

1.雙饋風電機組

雙饋感應發電機的定子直接和電網連接，而轉子通過背靠背雙向功率變換器和電網相連，如圖1-1所示。通過矢量控制技術，雙向功率變換器確保發電機在變轉速時可以在額定電網頻率和電網電壓條件下發電。功率變換器的主要目標是通過轉差控制來彌補轉子速度和同步速度的差異。雙饋風電機組的主要特點如下：

1）采用變速雙饋感應發電機-變頻器系統，通過變速運行保證在能量轉換、效率、機械壓力、載荷應力和電能質量等方面達到最佳值。

2）其發電機是雙饋感應發電機，采用小容量的電力電子變換器，成本低、體積小、重量輕，且采用帶集電環的雙饋感應形式。

3）雙饋感應發電機的轉子與電網直接連接，降低了損耗，提高了發電效率。

4）采用變速恒頻技術，傳動鏈配置有齒輪箱，在欠功率狀態下（低于額定風速運行狀態）采用轉速控制，調整發電機轉子轉差率，使其盡量運行在最優葉尖速比上，以輸出最大功率。

2.全功率風電機組

全功率風電機組分為半直驅全功率機組和直驅全功率機組。半直驅全功率機組具有齒輪箱的配置，常用于基于永磁同步發電機（Permanent Magnet Syn-chronous Generator，PMSG）和籠型感應發電機（Squirrel Cage Induction Gen-erator，SCIG）的風力發電系統中。相比于直驅風電機組，半直驅風電機組具有更小的轉子重量和更低的維護成本，同時也具有更高的傳動效率，這使得半直驅風電機組在陸上和海上風電場都得到了廣泛應用。直驅全功率機組把發電機的主軸直接和風力機的主軸相連，無需齒輪箱。雖然具有更高的傳動效率和更低的維護成本，但直驅風電機組的轉子重量和轉矩較大。由于需要更大的機組尺寸和更堅固的基礎，因此安裝和維護成本較高。

基于直驅永磁同步發電機的風電機組如圖1-2所示，主要有以下特性：

1）結構緊湊、簡單，傳動零部件少，維護簡單，可靠性高。

2）傳動鏈短，提高了傳動效率和可利用率。

3）轉速低，優化機組運行工況，提高運行壽命，降低噪聲和機械磨損。

4）捕捉風能效率高，風電機組變轉速運行范圍寬，低風速下可得到更高的風能利用。

3.風電機組的組成

不同類型的風電機組其組成不完全相同，圖1-3所示為一臺雙饋風電機組的主要部件。

（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。風輪通常有兩片或三片葉片，葉尖速度為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。

（2）機械系統

風力機的機械系統一般包括低速軸、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，其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2MW雙饋風力機的風輪轉速通常為20.7r/min，相應的發電機轉速通常為1950r/min。

（3）發電機系統

發電機系統主要由發電機、水循環裝置或空冷裝置等組成。核心是發電機，也是本書的重點。發電機及其控制的詳細內容將在后面各章中進行分析。

（4）制動系統

風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制動裝置，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。當風向變化時，位于風輪后面的兩個舵輪旋轉，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。

對于大中型風力機，一般采用電動偏航系統來調整風輪，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。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

控制系統是現代風電機組的神經中樞?，F代風電機組無人值守，兆瓦級風電機組一般在風速4m/s左右自動起動，在14m/s左右發出額定功率。隨著風速的增加，風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?，F代風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電機組也不會被破壞。通常所說的12級颶風，其風速范圍也僅為32.7～36.9m/s。

（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，從而控制風電機組的輸出功率。變槳系統通常由軸承、驅動裝置、蓄電池、逆變器等組成。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，兆瓦級風電機組多采用電機驅動變槳。出于安全考慮，變槳系統要配置蓄電池，作為電網突然掉電或電信號突然中斷的后備措施，使風電機組能夠安全平穩地實現順槳制動。

綜上所述，一臺變速風力機的模型框圖如圖1-4所示。其中偏航系統由于功能相對獨立，未展示在圖中。