3-各种风电机组结构类型介绍
风力机分类
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三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风电机组一般 采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安 装投运的大型并网风电机组几乎全部采用三叶片风轮。 叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很 多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风 轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转 速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不 利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。 风轮实度：风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值，常 用于反映风轮的风能转换性能。 风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但 功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮 实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦， 对叶尖速比变化越不敏感。
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风轮转速、叶尖速比
叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述 风电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。 wR r
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• H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严 重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支 撑产生气动阻力，降低了风力机的效率。 • φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷， 使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力 要强，对于相同的总强度，φ形叶片比较轻，且比直叶片 可以更高的速度运行。但φ形叶片不便采用变浆距方法来 实现自起动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，φ 形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。
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§3-2 风电机组主要参数及设计级别
风电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数反映。
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一. 主要参数 风轮直径与扫掠面积
风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风 轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度， 是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。 根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为 1 P SC P 3 2 式中，S为风轮的扫掠面积，S 4 D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的 风功率也相应增加。
风力发电机的分类
1,风力发电机按叶片分类。
按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
（1）水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。
水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点；叶片旋转空间大，转速高。
适合于大型风力发电厂。
水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。
到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。
（2）垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。
垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于；发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单。
垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区；二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。
按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机。
凡属轴流风扇的叶片数目往往是奇数设计。
这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，不易调整平衡。
还很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂。
因此设计多为轴心不对称的奇数片扇叶设计。
对于轴心不对称的奇数片扇叶，这一原则普遍应用于大型风机以及包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。
包括家庭使用的电风扇都是3个叶片的，叶片形状是鸟翼型（设计术语），这样的叶片流量大，噪声低，符合流体力学原理。
所以绝大多数风扇都是三片叶的。
三片叶有较好的动平衡，不易产生振荡，减少轴承的磨损。
降低维修成本。
按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。
风力发电机组的介绍1
• 211 风轮
• 风力机区别于其他机械的最主要特征就是风轮。风轮 一般由2～3 个叶片和轮毂所组成, 其功能是将风能 转换为机械能。
• 叶片的构造如图125 所示。小型风力机的常用优质木 材加工制成, 表面涂上保护漆, 其根部与轮毂相接处 使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。有的采用玻璃纤 维或其它复合材料蒙皮则效果更好。
风力发电机的分类
①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行； ②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向垂直。
风力发电机的分类
三一电气的机组特性
主动偏航 上风向 三叶片 水平轴
变桨距
变速 衡频
双馈
第三部分 风力机的结构组成
风力机的结构组成
从外部结构
风 力 发 电 机 组 风轮
风力发电机组内部结构
结构和功能
变桨电机： 每个叶片都有一个变桨电机，并带有刹车、测速传感器、绝对值传送器及强 制空冷装置。 超级电容：用于电网断电和安全链中断时叶片的变桨控制。 充电器：带有充电控制和电压检测装置。 转换器：三相两路装置，用于向变桨电机输送直流电。 叶片自动变桨控制器 除变桨电机，其余部件都在轴控制柜或公用控制柜内，每个叶片都有可控硅 片。
（二）沿海抗台风新型高效风电机
我国有很长的海岸线，沿海蕴藏着非常丰富的风能资 源，由于台风对风电机的破坏很大，严重阻碍了沿海风能 的开发。海上风电技术一直都是国外研发的重点，但在抗 台风技术上始终没有重大突破。
我国风电产业发展现状
（三） 大规模电网接入
由于风电机的并网稳定性没有保证，所以仍采用分散 入网的方式，风电场规模都较小，当风速和风向变化很大 时，风电机不稳定，不能满足并网条件，此时风电机可以 随时脱网；风电机稳定后，又可以随时入网，不会对电网 造成太大的冲击。
几种类型的风力发电机组特点总结
风力发电机组按运行方式可以分为恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，简称CSCF）风力发电机组和变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，简称VSCF）风力发电机组两大类。
当风力发电机组与电网并联时，要求风力发电机的频率与电网频率保持一致，这便是恒频的含义。
下面分别介绍恒速恒频和变速恒频风力发电机组。
1 恒速恒频风力发电机组恒速恒频风力发电系统的基本结构如下图所示：图1 恒速鼠笼异步风力发电系统可以看出，这里采用的是异步电动机，也正是基于此，恒速恒频风力发电系统也称作异步风力发电系统。
异步发电机尽管带一定滑差运行，但在实际运行中滑差s是很小的，不仅输出频率变化较小，而且叶片转速变化范围也很小，看上去似乎是在“恒速”，故称之为恒速恒频。
就风力机的调节方式而言，恒速恒频风力发电系统又分为定桨距失速调节型和变桨距调节型两种。
1.1 定桨距失速调节型风力发电机组定桨距是指桨叶与轮毅之间是固定连接，即当风速变化时，桨叶的迎风角不能随之变化。
失速调节是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高十额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。
定桨距失速调节型风力发电机组的优点是失速调节简单，运行可靠性高，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。
其缺点是机组的整体效率较低，对电网影响大，常发生过发电现象，加速机组的疲劳损坏。
目前这种机组在欧美国家已经停产，但是在中国还有一定需求。
1.2 变桨距型风力发电机组变桨距是指风机的控制系统可以根据风速的变化，通过桨距调节机构，改变其桨距角的大小以调整输出电功率，以便更有效地利用风能。
其工作特性为：在额定风速以下时，桨距角保持零度附近，可认为等同十定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化；当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨距角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。
风机各部件的基本介绍
大唐山东风电培训中心 第二部分 控制系统功能和控制策略介绍
• 各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要 由三部分组成：主控制器、桨距调节器、功率控制器。 • 主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解绕等，并在 桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。 • 桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨距角，在额定风速之 下，保持最大风能捕获效率，在额定风速之上，限制功率输出。 • 功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量，与电网同压、 同频、同相输出，在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发 电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效率， 在额定风速之上，配合变桨距机构，最大恒功率输出。 • 小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成，大范围内 的超功率由变桨距控制完成。
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偏航控制
大多数水平轴风机采用偏航机构旋转风轮顺风，限 制功率输出。但这种方法响应速度很慢，原因有： （1）机舱和风轮有很大的惯性力矩； （2）垂直于风轮的风速与偏航角度的变化呈正弦 关系，如果偏航角变化10度，功率下降只变化几个 百分比，而如果桨距角变化10度，功率下降会很明 显。 在变速机组上应用主动偏航控制，振风引起的的超 功率可以暂时储存在风轮动能里，如果继续超功率， 再进行偏航动作，这种设计方法已在Gamma 60试验 样机上获得成功，偏航最大速率8度/s。
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（4）偏航系统
偏航系统是水平轴风力发电机组的不可缺少的组成部分, 偏航系统的主要作用有两个： 其一是与风力发电机组的控制系统相配合，使风力发电 机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风 力发电机组的发电效率； 其二是提供必要的锁紧力矩， 以保障风力发电机组的安全运行
风力发电系统的分类及拓扑
风力发电系统分类：
1.独立型风力发电系统 2.并网型风力发电系统
小型直流混合系统
小型交流混合系统
A型：恒速恒频 B型：变速恒频 C型：变速含部分功率变频器 D型：变速全功率变频器型
小型直流混合系统
小型风力发电系统经常与其他能源混合发电，又可称之为 “混合电力系统”。
1.传统的直流混合系统，如下图所示。小型风力机输出的 交流频率和电压可变的交流电，经过整流后输送到电池组 电压等级的直流母线。能量存储在电池中或通过逆变器转 换成交流提供给负荷。电池组被用来平滑风力机的功率波 动，存储有风时产生的能量以备不时之需。
特点及其拓扑结构
特点及其拓扑结构
该类型还具体包括三种类型： （1） 失速控制型。该机型在上世纪80~90年代被许多丹麦风力机制造
商采用。 特点：简单、坚固、耐用。不能实现辅助启动，无法控制风力Байду номын сангаас的
功率。 （2） 桨距控制型。
优点是可控功率，可控启动和紧急停车。 缺点：高风速时很小的风速变化也会导致很大的输出功率波动。桨 叶调节能补偿份额的缓慢变化，但阵风情况不能补偿。 （3） 主动失速控制型。低风速时桨叶调节类似于桨距控制型风机，高 风速时、使桨叶进入深度失速状态。 优点：能够获得更平稳的有限功率，不会出现桨距控制型风力机的 高功率波动。
直驱式永磁同步发电机根据全功率变流器的不同又可分为： （1）不可控整流+DC/DC升压+PWM电压源型逆变器型
DC/DC环节将整流器输出的直流电压提高并保持稳定在合适的 范围内，使得逆变器的输入电压稳定，提高运行效率、减小谐 波。
（2）背靠背双PWM变流器型
优点：后者中的PWM整流器可同时实现整流和升压，效率较高，通 过电流隔离，机侧和网侧可以实现各自的控制策略。 缺点：全控型器件数量多，控制电路复杂，增加了变流系统成本
风电机组类型有哪些？
风电机组类型有哪些？
目前国内风电机组的主要机型有3种，每种机型都有其特点。
1.1异步风力发电机
国内已运行风电场大部分机组是异步风电发电机。
主要特点是结构简单、运行可靠、价格便宜。
这种发电机组为定速恒频机组，运行中转速基本不变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，因而发电能力比新型机组低。
同时运行中需要从电力系统中吸收无功功率。
为满足电网对风电场功率因数的要求，多采用在机端并联补偿电容器的方法，其补偿策略是异步发电机配有若干组固定容量的电容器。
由于风速大小随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能经常在额定风速下运行，为了充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。
这种双速异步发电机可以改变极对数，有大、小电机2种运行方式。
1.2双馈异步风力发电机
国内还有一些风电场选用双馈异步风力发电机，大多来源于国外，价格较贵。
这种机型称为变速恒频发电系统，其风力机可以变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数Cp得到优化，获得高的利用效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数在一定范围内的调节，例如功率因数从领先0.95调节到滞后0.95范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。
1.3直驱式交流永磁同步发电机
大型风力发电机组在实际运行中，齿轮箱是故障较高的部件。
采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组的可靠性，降低故障率，提高风电机组的寿命。
目前国内有风电场使用了直驱式交流永磁同步发电机，运行时全部功率经A-D-A变换，接入电力系统并网运行。
与其他机型比较，需考虑谐波治理问题。
风力发电机组内部结构
风力发电机组内部结构
风力发电机组内部结构主要由风轮、发电机、机舱、塔架和控制系统等部分组成。
风轮：包括叶片、轮毂和加固件等，是风力发电机组中最重要的部分之一，其作用是将风的动能转换为机械能。
当风吹动叶片时，叶片会带动轮毂旋转，进而带动发电机发电。
发电机：发电机是风力发电机组中的核心部分，其作用是将风轮旋转的机械能转换为电能。
发电机通常由定子和转子两部分组成，定子固定不动，而转子则随着风轮的旋转而旋转。
机舱：机舱是安装风力发电机组的主要部位之一，通常由钢板制成封闭的箱形结构，内部安装有发电机、齿轮箱、刹车系统、偏航系统等关键部件。
机舱的作用是保护内部设备免受外部环境的影响，并确保设备的安全运行。
塔架：塔架是支撑风力发电机组的重要部分，通常由钢管或角钢制成，其高度和直径根据机组的功率和风速等条件而定。
塔架的作用是支撑风轮和机舱，并将它们固定在适当的高度上，以便捕获更多的风能。
控制系统：控制系统是风力发电机组的“大脑”，负责监测和控制机组的运行状态。
控制系统通常由传感器、控制器和执行机构等部分组成，可以实时监测风速、风向、发电机转速等参数，并根据这些参数调整机组的运行状态，确保机组的稳定运行和最
大发电量的输出。
除了上述主要部分外，风力发电机组还包括变速箱、主轴承、电气系统、液压系统、冷却系统、刹车系统等辅助部分，这些部分共同协作，确保风力发电机组的正常运行和高效发电。
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直驱型
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直驱型控制图
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半直驱型
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● ● WIND ENERGY INSTITUTE SUT.
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低速直驱型电励磁同步发电系统
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复合励磁发电系统
缺点 永磁同步 发电机
成本高
输出电压不能调节 效率高 结构简单，体积小 无刷化，运行可靠 输出电压可以调节
优点
调节方法成熟 电励磁同 效率低 步发电机 缺点 结构复杂，体积庞大 控制系统复杂 WIND ENERGY INSTITUTE SUT.
pitch drive
wind turbine control
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Advanced solution: PM generator with high speed gear
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Mechanically identical to main stream solutions No slip rings Typically 6 or 8 pole Generator speed typically 1000…2000 rpm Low generator weight, compact design High efficiency generator
中速、高速电励磁式同步发电机组 直驱型电励磁式同步发电系统机组 复合励磁发电机组 齿轮箱速比可调的风力发电机组机组
多发电机型风力发电机组
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风力发电机组结构形式
针对目前国际市场上和一些研究部门的研究结果， 按照机组选用的驱动链结构、发电机和功率变送 装置的不同，大致可划分为下列几种结构形式的 风力发电机组。 结构a：此结构为20世纪80年代、90年代丹麦制造 商普遍常用的结构，上风向，失速调节，三叶片， 采用笼型感应发电机、电容无功功率补偿装置和 软启动装置。
结构e
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结构f：这种结构应用不普遍，原因有：需要外部 励磁电路，需要滑环，机组安全控制更复杂。 结构g：这种结构应用也不普遍，原因是功率变换 器需四象限运行。
结构f
结构g
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结构h：这种结构采用多极同步发电机，不需齿 轮箱传动，Enercon和Lagerwey风机制造商的 机组有采用此种技术。
一级行星齿轮箱 9:1 发电机转速：190rpm 极数：72极
半直驱型
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高速永磁发电机型
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ABB高速永磁发电机组
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齿轮箱速比可调的风力发电机组
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多发电机型
６个 250ＫＷ
３２５rpm 永磁同步发电机
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永磁多发电机型：
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双馈异步风力发电系统：
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双馈无刷发电机型：
优点
复 合 励 磁 同 步 发 电 机
复合励磁永磁同步发电机的总体结构
1-转轴 2-轴承 3-端盖 4- 辅 助 电 励 磁部分 5-定子 6 -转子
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• 气隙磁场可调，输出电压稳定 • 功率密度高，结构紧凑，体积小，无 刷 • 适合应用于无齿轮箱直驱或一级齿轮 箱中速风力发电
Container
10...24 kV f = 50 Hz or 60 Hz
main converter 15...30 MW data bus
line coupling transformer
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中速、高速电励磁式同步发电系统
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Advanced solution: PM generator with high speed speed gear
frequency converter generator side converter DC line side converter main circuit breaker
converter control gearbox
10 ... 24 kV, f = 50 Hz or 60 Hz
brake
line coupling transformer synchronous generator (speed typically 1000...2000 rpm) medium voltage switchgear
rotor bearing
结构h
总之，结构a属传统风力发电机概念，不支持变 速运行外，其它结构的风力发电机组都可变速运 行 。
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主动失速
失速
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水平轴
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立轴
失速型异步发电机组
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双馈无刷发电机：
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异步鼠笼发电机 + 四象限变流器
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1）通过改变定子侧同步频率的方式实现并 网发电； 2）无滑环，可靠运行，长寿命，适合于海上 风电场； 3）发电机价格低廉； 4）低速时可电动运行.
结构c
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结构d：这种结构适用于绕线转子双馈感应发电机， 采用频率变换器直接控制转子绕组的电流，达到控制 发电机功率输出的目的，采用的频率变换器为发电机 额定功率的20%～30%容量。这种概念的引进有两个优 点：较之优化滑差调节变速范围加宽，较之全容量功 率变换器成本降低。机组可在30%滑差范围内变速运 行。
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交流异步多发电机型：
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本节结束！
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结构d
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结构e：这种结构应用在离网型风力发电机上较普 遍，无齿轮箱式永磁发电机，2～3叶片上风向，通 过整流桥给电池充电。2000年由ABB提出应用此种 结构，采用多极3.5MW永磁发电机，二极管整流桥 产生21kV的直流电压，采用轻型直流输电（HVDC Light）技术输送电能。
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Star connection, possible solution for wind farms
generator side converter
filter
main control center
DC-link i.e. 3...5 kV or 18.. .24 kV or low frequency
齿轮箱 电容组 ~
结构a
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结构b：采用全容量的频率变换器替代电容无功功 率补偿和软启动装置，使机组可以变速运行。
结构b
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结构c：这种结构应用于绕线转子发电机，20世纪 90年代被Vestas所采用，称为“优化滑差” （Optislip）技术，基本思想是通过控制转子外部 串接的电子变换装置，达到调节转子电阻的目的， 优化机组滑差运行范围在10%左右。机组可在一定 滑差范围内变速运行。
各种风电机组结构类型介绍
2013-8-23
沈阳工业大学风能技术研究所
内容提纲
失速型异步发电机组
双馈型变速恒频发电机组
双馈无刷发电机组 异步鼠笼发电机+四象限变流器机组 低速永磁直驱发电机组 中速半直驱永磁发电机组
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内容提纲
高速永磁发电机组