1.3 风力发电机组的结构及特点

1.3.1 风力发电机组的分类

风力发电机组是利用风轮将风的动能转换成机械能，再通过轴带动发电机发电、转换成电能的装置。图1-4以并网双馈型风力发电机组为例示出其工作原理图，风能通过叶轮的作用转化成机械能，机械能通过主轴的旋转、增速齿轮箱的增速、带动发电机发电，从而实现了机械能向电能的转换。并网型发电机通过相应的控制设备将满足电网要求的电能接入电网，向电网馈电。

图1-4 风力发电机组工作原理图

风力发电机组的样式很多，从不同角度出发，对风力发电机组可进行以下分类。

1.按并网方式分类

（1）离网型。一般指单台独立运行，所发出的电不接入电网的风力发电机组。通常需配蓄电池等直流储能环节，通过逆变器可带交流负载。这种机组容量较小，适用于家庭或村落等小用电单位。

（2）并网型。一般指产生的电能可直接并入电网的风力发电机组。一般以机群布阵成风力发电场，多为大型风力发电机组。

2.按风轮旋转主轴与地面相对位置分类

（1）水平轴风力发电机组。即风轮旋转轴与地面平行。水平轴风力发电机组又可分为升力（Darrieus）型和阻力（Savonius）型。升力型风力发电机组利用叶片两个表面空气流速不同产生升力，使风轮旋转，升力型风轮旋转轴与风向平行，需对风装置，转速较高，风能利用系数高；阻力型风力发电机组利用叶片在风轮旋转轴两侧受到风的推力（对风的阻力）不同，产生转矩使风轮旋转，效率较低，很少应用。目前大型风力发电机组几乎全部为水平轴升力型，风能利用系数目前达到0.4～0.5。

（2）垂直轴风力发电机组。风轮围绕一个与地面垂直的轴旋转，与风向无关，不需要对风装置，且风力发电机组的其他设备都可安置于地面，使结构和安装简化，便于检修。垂直轴风电机组也可分为阻力型和升力型两大类。但由于其风能利用系数低，目前一般在0.3～0.35，目前未得到广泛应用。

3.按运行方式分类

（1）定速恒频。在不同的风速下，风轮保持一定转速运行，与恒速发电机对应，发电频率恒定，不需要变流器环节。此类风力发电机组也称为定桨距失速型风力发电机组，其风轮桨叶与轮毂的连接是固定的，运行时桨距角不改变，高风速时，靠桨叶形状失速或叶尖扰流器动作，限制风轮捕获的风能，维持机组额定发电功率。此种运行方式的风力发电机组风能转换效率低，为提高风能转换效率，通常采用双速发电机。2000年前进口的机组多为此种机型。由于在风速变化情况下，风力发电机组很少运行在最佳出力状态，故目前出产的兆瓦级以上机组已淘汰此种机型。

（2）变速恒频。在额定风速以下的不同风速段运行时，风轮转速可以连续进行调节，以维持最优叶尖速比，提高发电效率；在额定风速以上运行时，通过调整桨距角，限制风轮转速以保证输出额定的功率。由于发电机的转速是变化的，为保证提供恒频的电能并入电网，则必须采用相应的变速恒频技术。变速恒频运行的风力发电机组其控制系统较为复杂。对于采用双馈异步发电机形式的风力发电机组，其转子需通过变流器联入电网实现其变速恒频运行；对于永磁直驱同步发电机形式的风力发电机组，需通过全功率变流器接入电网实现变速恒频运行。风轮桨叶与轮毂的连接桨距角是可变调整的，在高于额定风速下，通过调节桨距角，从而限制了风轮的输出转矩和发电机功率。大型兆瓦级风电机组目前基本全部采用变速恒频运行方式，主流机型包括双馈型风力发电机组和永磁直驱式风力发电机组两大类。

4.按传动机构分类

（1）齿轮箱升速型。风轮是低速旋转机械，发电机处于高速运行状态，因此低速的风轮和高速的发电机通过齿轮箱进行连接，齿轮箱完成升速作用。这样可以减小发电机体积、重量，降低发电机系统成本。

（2）直驱型。采用低速发电机，将低速风轮和低速发电机直接连接。发电机与电网之间通过全功率变流器连接，实现变速恒频。这种机型省去了齿轮箱装置，节省了运行时维护齿轮箱的工作量，避免了齿轮箱故障；但发电机复杂，成本高。

5.按发电机分类

（1）异步型。根据发电机进行分类，又可分为：①笼型单速异步发电机；②笼型双速异步发电机；③绕线式双馈异步发电机。

（2）同步型。根据发电机进行分类，又可分为：①多级永磁同步发电机；②电励磁同步发电机。

1.3.2 风力发电机组的基本组成

风力发电机组功能是将风能转化为电能，且保证在各种风况、电网和气候条件下长期安全运行，并以最低的发电成本经济运行。由于风的速度和方向是随机变化的，风力发电机组安装在高空，各部件随时承受着交变载荷，因此风力发电机组对材料、工艺、结构和控制策略都有很高要求。为了使风力发电机组具有较高的运行效率，目前大型兆瓦级并网风力发电机组普遍采用水平轴风电机组形式，其基本结构如图1-5所示。

图1-5 风力发电机组的基本结构图

1—轮毂；2—桨叶；3—主轴；4—齿轮箱；5—发电机；6—偏航机构；7—控制器；8—塔架；9—风速仪和风向标；10—机械制动器

1.风轮系统

风轮系统由轮毂和叶片等部件组成，作用是将风能转换成机械能，传送到转子轴心。叶片大多为3个，具有空气动力学外形，在气流推动下产生力矩，推动风轮绕其轴转动，是大型风力发电机组中受力最为复杂的部件，其材料多为玻璃纤维和碳纤维等。叶片安装在轮毂上。轮毂是能固定叶片位置、并能将叶片组件安装在风轮轴上的装置。它是叶片根部与主轴的连接部件，所有叶片传来的力，都要通过轮毂传递到传动系统，再传到发电机。同时，轮毂与放在轮毂内的变桨距系统共同构成控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）的关键部件。

风力发电机组的风轮系统目前有两种运行方式：①定桨距风轮系统；②桨距角可变的风轮系统。对于变桨距风力发电机组，轮毂内的空腔部分用于安装变桨距调节机构。

2 .塔架

塔架用于支撑叶轮和机舱，承受机组重量，同时还承受风载荷和运行中的各种动载荷，是风力发电机组的重要承载部件。根据风的形成可知，离地面越高，风速越大；因此随着风力发电机组单机容量和叶轮半径的增大，塔架高度越来越高。装机容量为25kW的风力发电机组塔架高度为25m；而对于采用低速型大叶片的2MW大型风力发电机组，其塔架高度则可达90m，叶片直径能达到110m左右。

塔架自身必须具有一定的高度、强度和刚度。目前使用的塔架形式有钢筋混凝土结构、桁架结构和圆锥形钢管结构等，陆上风电场应用较多的为圆锥形钢管结构。从设计与制造、安装和维护等方面看，这种形式的塔架指标相对比较均衡。在塔筒内部留有带攀爬保护装置的爬梯直通机舱以及休息平台、电缆管夹、照明灯等附件。

3 .机舱

风力发电机组在野外高空运行，工作环境恶劣，为了保护传动系统、发电机、控制装置等部件，将它们用轻质外罩封闭起来，这种外罩称为机舱。机舱内放置风力发电机组关键部件，包括主轴、齿轮箱、发电机、控制柜等。

4.传动系统

传动系统由主轴、齿轮箱和联轴器等三部分构成。主轴的前端法兰与轮毂相连接，对轮毂传递来的负载起支撑作用，并将扭矩传递给齿轮箱，将轴向推力和气动弯矩传给机舱和塔架。有的风力发电机组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体，也有的将主轴和齿轮箱的输入轴利用胀紧套或联轴节连接。

齿轮箱是风力发电机组中的重要机械部件，其作用是将风轮在风力作用下所产生的旋转机械能传递给发电机，并实现风轮转速与发电机转子转速的匹配。一般风轮的转速较低而发电机的转速较高，通过齿轮箱实现增速，因此齿轮箱也称为增速齿轮箱。不同厂家的风力发电机组，齿轮箱的结构形式有所不同。目前实际应用的机组中，最常见的形式是由行星齿轮系和平行轴轮系混合构成。

高速轴联轴器是齿轮箱和发电机之间的连接器件。齿轮箱的高速输出轴与发电机轴一般采用柔性联轴器。采用在高速轴上安装防止过载的柔性安全联轴器，不仅可以保护重要部件的安全，也可以降低齿轮箱的设计与制造成本。在运行期间，这个轴补偿二者的平行性偏差和角度误差。联轴器具有阻尼特性，以减少振动的传动。联轴器还要具有一定的阻抗和耐受电压，以防止寄生电流通过联轴器从发电机转子流向齿轮箱，对齿轮箱造成危害。联轴器的设计，需要同时考虑对机组的安全保护功能。在齿轮箱的输出轴与发动机轴的弹性连接器前端，安装有机械制动盘。

5 .发电机

发电机的作用是将风轮传来的机械能，利用电磁感应原理转换成电能，是风力发电机组的核心设备。所有并网型风力发电机组均利用三相交流电机将机械能转换成电能，常用的类型主要有：绕线式双馈异步发电机、低速永磁同步发电机、笼型异步发电机。由于风能是随机性的，风速的大小时刻变化，为提高风能转换效率，风轮转速按照最优叶尖速比的原则随风速变化而变化，这也就意味着采用变速运行方式的发电机的转速是随着风速变化的。发电机必须通过控制装置，依据风速大小及电能质量的需要，实现对风力发电机组的启动、并网、正常运行、停机、故障保护等操作，维持风力发电机组的安全经济运行。

6.变桨系统

现代大型并网风力发电机组普遍采用变桨距型，其主要特征是叶片可以相对轮毂转动，进行桨距角调节。叶片的变桨距操作通过变桨系统实现。变桨系统位于轮毂内部，包括驱动电机、变距轴承、减速器、限位开关、变桨电池、变桨控制柜等设备。按照驱动方式，分为液压变桨和电气变桨两种。

7.偏航系统

风力发电机组的对风装置又称为偏航系统。其作用是：针对风向瞬时变化的不稳定性，在有效风速范围内，使风轮的扫风面与风向保持垂直，以便风轮捕获最大的风能；在非可用风速范围下，能够90°侧风。偏航系统位于机舱和塔架顶端连接的位置，由偏航轴承、传动、驱动和制动等功能部件组成。大型风力发电机组主要采用电动偏航或者液压偏航驱动，其风向检测信号来自机舱上的风向标。偏航系统中设有自动解缆和扭缆保护装置，以避免在连续跟踪风向的过程中可能会出现的电缆缠绕情况。

8.液压系统

液压系统是通过有压液体介质，实现动力传输和运动控制的机械单元。风力发电机组中液压系统主要应用于：①机械制动、风轮锁定；②齿轮箱油液冷却和过滤；③一些风力发电机组采用液压变桨距系统、液压偏航系统等。

9.机械制动机构

当风力发电机组需要进行维修保养或运转异常及出现破坏性极端风速时，需要通过制动机构使风轮停止下来。大型并网风力发电机组包含气动制动机构和机械制动机构两部分。当风力发电机组停机时，首先执行气动执行机构，使风轮转速下降，然后再执行机械制动。当机组处于紧急制动情况时，将同时执行气动制动和机械制动。

变桨距风力发电机组的气动制动是通过变桨距调节系统改变三个叶片的桨距角实现的，通过将叶片桨距角调到顺桨位置，实现空气制动。

机械制动机构是一个液压动作的盘式制动器。制动盘用合金铸造，安装在齿轮箱高速输出轴和发电机轴的弹性联轴器前端，随轴转动。制动钳上摩擦片安装在制动盘两侧。制动时液压系统提供动力，推动制动钳上的摩擦片压向制动盘，通过摩擦力实现制动，使系统停机。制动系统具有自动闸瓦调节功能，即制动时，当闸瓦磨损后也不需要手动调整制动器。

10.风速仪和风向标

风力发电机组只有在有效的风速下才能安全运行，且控制中还有许多算法需要输入风速、风向这两个变量。故采用风速仪和风向标来实现对风速和风向的测量。风杯式风速计和尾翼偏航式风向标较常见。近年来，高精度的超声波风向风速计在风力发电机组中大量应用。

11.控制系统

控制系统的目的是完成机组信号检测、机组启动到并网运行发电过程的任务，并保证机组运行中的安全性，包括各种传感器、变桨控制器、变流器、主控器、机组控制安全链等。