第二节 并网型风力发电机组

一、工作原理

图1-4所示为并网型风力发电机组总体结构简图。其中，发电机是发电的核心部件，变压器使发出的交流电升压，断路器在控制系统的作用下实现并网或脱网。

由于发电机的不同，并网方式有直接并网和间接并网两种。直接并网是指恒速发电机发出电流的频率与电网频率相同，可以直接与电网连接，直接并网的核心是软并网装置；间接并网是指变速发电机发出电流的频率与电网频率不同，必须经过变流器与电网连接。

在风力发电机组中，存在着两种物质流。一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。图1-5所示是一种典型的风力发电机组的工作原理。

1．能量流

当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率

式中 P——风轮的输出功率，单位为W；

M——风轮的输出转矩，单位为N·m；

Ω——风轮转动角速度，单位为rad/s。

风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可以使转矩和转速发生变化，于是有

式中 P_m——主传动系统的输出功率，单位为W；

M_m——主传动系统的输出转矩，单位为N·m；

Ω_m——主传动系统输出轴的角速度，单位为rad/s。

η_m——主传动系统的总效率。

主传动系统将动力传递给发电系统，发电系统把机械能转换为电能。发电系统的输出功率

式中 P_e——发电系统的输出功率，单位为W；

η_e——发电系统的总效率。

对于并网型风力发电机组，发电系统输出的交流电经过变压器升压后，即可输入电网。

2．信息流

信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是运行状态控制和安全保护。运行状态包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时应该紧急关机。

风速、风向、风力机的转速、发电功率等物理量通过传感器变换成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时地发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。

对于变桨距机组，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统改变风轮叶片的桨距角，从而控制风力发电机组的输出功率。在起动和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。

对于变速型机组，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风速的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力机最大限度地捕获风能。

当风轮的轴向与风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴的指向，使风轮始终对准来风方向。

当需要关机时，控制系统发出关机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。

实际上，在风力发电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环子系统，实现相应的控制功能。

应该指出，由于各种风力发电机组结构的不同，其工作原理也有差异，在这里介绍的是比较典型的情况。

二、典型机型

大型风力发电机组的机型很多，区别是采用不同的风力机和发电系统，两者应该相互匹配。下面介绍几种典型机型。

1．恒速式

恒速机组如图1-6所示。这种形式的机组使用笼型感应发电机，发电机转子通过齿轮箱与风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流电连接。在正常运行时，速度仅在很小的范围内变化，通常不超过2%，即为感应发电机的转差范围。

感应发电机向电网提供有功功率，从电网吸收无功功率用来为发电机励磁。显然，转子回路短路的感应发电机不能控制无功功率，因此感应发电机经常处于用电容器组进行无功功率空载补偿或满载补偿的状态。图1-7所示为一种恒速恒频风力发电机组。

2．多态恒速式

多态恒速风力发电机组中包含两台或多台感应发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。这样，当风力发电机组在低风速段运行时，不仅叶片具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高水平。这种机型曾一度是主流机型，被称为“丹麦式”机组。

以上介绍的两种机型常采用定桨距风力机，以下介绍的各种机型一般采用变桨距风力机。

3．优化转差式

图1-8为优化转差式风力发电机组示意图。这种形式的机组采用绕线转子感应发电机，通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速，使风力发电机组能够以部分变速方式运行于超同步转速的范围内，最高可超过同步转速的10%。

4．双馈式

图1-9所示为双馈式风力发电机组的结构简图。这种形式的机组采用交流励磁双馈式发电机。转子的转速与励磁的频率有关。双馈发电机组允许发电机在同步转速±30%转速范围内运行。

双馈式风力发电机组的转子通过变流器与电网连接，变流器的额定容量通常为风力发电机组额定功率的25%左右。转子超同步运行时，有功功率从转子回路送到电网，而转子次同步运行时，转子回路从电网吸收有功功率。

图1-10所示为一种双馈式机组内部结构。包括设在轮毂之中的变桨距系统，由双馈发电机、变流器等组成的发电系统，由主轴及主轴承、齿轮箱和联轴器等组成的主传动系统，由电动机、减速器、偏航轴承、制动机构等组成偏航系统以及由传感器、电气设备、控制器和相应软件等组成的控制系统。此外，还设有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力。液压系统包括液压站、输油管和执行机构。为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，还设有循环油冷却风扇和加热器等。齿轮箱可以将较低的风轮转速变为较高的发电机转速。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。

5．多级齿轮箱全功率变流器式

笼型感应发电机和永磁同步发电机都可以通过全功率变流器与电网连接，如图1-11所示。风力机和发电机之间仍采用多级齿轮箱。这类风力发电机组变速范围更大，只是变流器的成本较高。

6．直驱式

图1-12所示为直驱式全功率变流风力发电机组。这种风力发电机组采用多极发电机，它可以直接连接风力机，从而避免增速箱带来的诸多不利。

直驱式风力发电机组的发电机转子转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变流器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。变速恒频控制是在定子电路实现的，因此变流器的容量与系统的额定容量相同。

图1-13所示为一种永磁直驱式风力发电机组内部结构。机舱内包括发电系统、制动系统、监控系统、温控和润滑系统等部件。

7．中速发电机（“半直驱”）式

这种机型采用增速比较低的变速装置以提高发电机转速，同时减少了多极同步发电机的极数，介于高速发电机型和直接驱动型之间（故又称“半直驱”型）。图1-14所示为其结构简图。

一种中速发电机型机组如图1-15所示。机舱内部包括变桨距系统、一级行星增速器集成多极低速发电机、变流器、控制器、偏航系统、测风系统和底板等，把行星齿轮副与发电机集成在一起，构成了发电机单元。发电单元的主轴与轮毂直接实现机械连接，并经过全额大功率变流器与电网实现电气连接。

8．变速主传动式

应用变速主传动机构与同步发电机连接，可以使同步发电机直接并网，从而实现风力机的变速运行，如图1-16所示，可获得最佳的捕获风能效果。

上述各种机型中，恒速式和优化转差式机型曾经是主流机型，虽然在早期风电场中或有运行，但已退出商业市场；目前双馈式机型占据主导地位，直驱式机型得到迅速发展；其他机型也有少量生产。