风电机组结构及其选型

第一节风电机组结构

1．外部条件

根据最大抗风能力和工作环境的恶劣程度，按强度变化的程度对风电机组进行分级。根据IEC61400设计标准，共分为4级。

一类风场I：参考风速为50m/s，年平均风速为10m/s，50年一遇极限风速为70m/s，一年一遇极限风速为52.5m/s；

二类风场II：参考风速为42.5m/s，年平均风速为8.5m/s，50年一遇极限风速为59.5m/s，一年一遇极限风速为44.6m/s；

三类风场III：参考风速为37.5m/s，年平均风速为7.5m/s，50年一遇极限风速为52.5m/s，一年一遇极限风速为39.4m/s；

四类风场IV：低于三类风场风速，属低风速区，鲜有商业风电场开发。

对电网的要求：电压波动为额定值±10%，频率波动为额定值±5%。2．机械结构

2.1总体描述

整机是建立在钢结构底座上，该结构应具有很大的强韧度，底部由坚固底法兰组成，风电机组所有的主要部件都连接于其上。

发电机固定位置与机舱轴线偏离,以使得风电机组在满载运行时，整机质心与塔架和基础中心相一致。

偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，整个机舱底部对叶轮转子到塔架造成的动力负载和疲劳负荷有很强的吸收作用。

机舱座上覆盖有机舱罩，材料是玻璃钢，具有轻质高强的特点，有效地密封，以防止外界侵蚀，如雨、潮湿、盐雾、风砂等。产品生产采用多种工艺，包括：滚涂、轻质RTM、真空灌注等，机舱罩主体部分设置PVC泡沫夹层，以增加强度。内层设置消音海绵，以降

低主机噪声。

机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；同时，在机舱内还安装有加热器，使得风电机组在冬季寒冷的环境下，机舱内保持在10℃以上的温度。

2.2载荷情况

- 启动：从任一静止位置或空转状态到发电过渡期间，对风电机组产生的载荷。

- 发电：风电机组处于运行状态，有电负荷。

- 正常关机：从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间，对风电机组产生的载荷。- 紧急关机：突发事件（如故障、电网波动等），引起的停机。

- 停机：停机后的风电机组叶轮处于静止状态，采用极端风况对其进行设计。

- 运输/安装/维护：整体装配结构便于运输，安装、维护易于实施。

2.3叶片

叶片根部是一个法兰，与回转轴承连接，实现变桨过程。叶尖配有防雷电系统。

2.4变桨轴承/机构

目前，国际上常见的有两种类型，一种是液压驱动联杆机构，推动轴承，实现变桨；一种是电机经减速驱动轴承，实现变桨；由于高

压油的传递需要通过静止部件向旋转部件（轮毂）传递，难以很好地实现，易发生漏油；电信号的传递较易实现，兆瓦级风电机组多采用电机驱动变桨。

出于安全考虑，配置蓄电池，防止电网突然掉电或电信号突然中断，使得风电机组能够安全平稳地顺桨实现制动。

变桨机构组成：轴承，驱动装置（电机+减速器），蓄电池，逆变器，变桨速度16°/秒左右。

2.5轮毂

轮毂为球铁件，直接安装在主轴上，叶根法兰有腰形空，用于在特定的风场调整叶片初始安装角。

2.6主轴/主轴承座/轴承

主轴的作用在于将转子叶片上的旋转力矩传到齿轮箱上，主轴与齿轮箱的连接大多采用胀紧式联轴器，这样可保证主轴与齿轮箱同心，在运行中免于维护。主轴上坚固的三点悬挂支撑，能够很好地吸收弯矩，降低齿轮箱输入轴的径向负载。

也有些风电机组采用双轴承的结构设计，目的在于减少由于风作用于叶片而引起的轴向推力，以及消除风电机组运行时齿轮箱低速轴侧的俯仰力矩，改善齿轮箱运行环境，避免近年来，世界范围出现的齿轮箱行星轮系轴断裂问题。两个主轴承选用双列向心推力滚子轴承，还可以吸收大部分的来自风轮的轴向推力，进而，降低齿轮箱输入轴的轴向负载。

2.7齿轮箱

600kW以下风电机组多为平行轴结构，大于600kW的风电机组基本是采用行星轮结构或行星轮加平行轴结构。

齿轮箱体采用球铁铸造而成，齿轮箱的负荷及压力通过齿轮箱两侧的支撑传到塔架和基础，该支撑为强力橡胶结构，可以降低风电机组的噪音和震动。

在齿轮箱后部的高速轴上安装有刹车盘，其连接方式是采用胀紧式联轴器；液压制动器通过螺栓紧固在齿轮箱体上；

齿轮箱高速轴通过柔性连接与发电机轴连接。

2.8发电机系统

发电机通过四个橡胶减震器与机舱底盘连接，这种结构对于降低发电机噪音有很强的消减作用；柔性联轴器连接齿轮箱高速轴和发电机轴。

风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组运行的绝大多数时间都发生在较低风速下。

发电机系统组成：发电机、循环变流器、水循环装置（电机、水泵、水箱等）或空冷装置。

2.9偏航系统

偏航系统要求简单而坚固，机舱的偏航是由电动偏航齿轮自动执行的，它是根据风向仪提供的风向信号，由控制系统控制，通过驱、传动机构，实现风电机组叶轮与风向保持一致，最大效率地吸收风能。

偏航时间的长短，是由计算机控制的，一旦风向仪出现故障，自动偏航操作将中止，仅可以从控制柜或机舱顶部控制盒上人工方式操

作偏航。

内齿型回转支承结构，所有部件都置于内部，不会受雨水、砂尘影响，服务和维护均可非常容易地进行，而不会受天气的影响。

偏航的控制：在风速低于3或3.5m/s下，自动偏航不会工作，风电机组将不会偏航到与风向一致。只有风速大于该值后，风电机组才自动扑捉风向，这样，可以避免不必要的偏航和电能消耗。

现代风电机组多采用阻尼型偏航系统，偏航刹车系统已经很少使用了。

2.10机械制动/液压系统(高速轴)

制动系统为故障安全系统，要求动态液压保证风电机组制动为静态，当风电机组的控制器发送停机命令或供电系统掉落，制动器液压站会立即卸压，使风电机组停机。

变桨变速型风电机组的制动系统包括叶片变桨制动和高速轴机械制动，叶片变桨制动是通过改变叶片功角，减少叶片升力，以达到降低叶片转速直至停机；高速轴机械制动是通过刹车片与刹车盘间磨擦力，实现停机。在正常停机状态，先启动叶片变桨制动，减速至一定转速或时间后，机械制动动作，停机。紧急停机状态下，叶片变桨制动和高速轴机械制动同时动作，确保风电机组在短时间内停机。

制动盘通过胀紧式联轴器与齿轮箱高速轴连接，制动器安装在齿轮箱的箱体或机舱底座上。

制动系统的刹车片一般带有温度传感器和磨损自动保护，分别提供刹车过热和刹车片磨损保护。