风力发电机组的构成与分类

风力发电机组的构成与分类

从不同角度分析，风力发电机组有多种分类方式。图1-1所示为风力发电机组的配置关系，可以清楚地说明风力发电机组的分类。

图1-1 风力发电机组的配置关系

一、风力发电机组的构成

不同类型的风力发电机组其组成不完全相同，主要包括风轮、传动系统、发电机系统、制动系统、偏航系统、控制系统、变桨系统等，风力发电机组的主要组成部分如图1-2所示。

图1-2 风力发电机组的主要组成部分

1—叶片；2—轮毂；3—机舱；4—叶轮轴与主轴连接；5—主轴；6—齿轮箱；7—刹车机构；8—联轴器；9—发电机；10—散热器；11—冷却风扇；12—风速仪和风向标；13—控制系统；14—液压系统；15—偏航驱动；16—偏航轴承；17

—机舱盖；18—塔架；19—变桨距部分

1.风轮

风轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风轮叶片旋转，再通过齿轮箱将转速提升，带动发电机发电。风力机通常有两片或三片叶片，叶尖速度50～70m/s。在此叶尖速度下，通常三叶片风轮效率更好，两叶片风轮效率仅降低2%～3%。对于外形均衡的叶片，叶片少的风轮转速更快，但会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。三叶片风轮的受力更平衡，轮毂结构更简单。

早期的风力机叶片为钢制和铝制，随着科技的发展，目前叶片材料多采用玻璃纤维复合材料（GRP）和碳纤维复合材料（CFRP）。对于小型的风力发电机组，如风轮直径小于5m，在选择材料上，通常更关心效率而不是重量、硬度或叶片的其他特性。对于大型风力发电机组，对叶片特性要求较高，所以材料的选择更为重要。世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。

2.传动系统

风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等，但不是所有风力机都必须具备这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴；也有些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接与发电机相连接。

齿轮箱是传动装置的主要部件。它的主要功能是将风轮在风力作用下产生的动能传递给发电机并使其达到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，因此也将齿轮箱称为增速箱。如600kW的风力机风轮转速通常为27r/min，相应的发电机转速通常为1500r/min。

3.发电机系统

发电机系统主要由发电机、循环变流器、水循环装置（电机、水泵、水箱等）或空冷装置等组成。核心是发电机，也是本书的重点，关于风力发电机组的分类将在1.2节讨论，发电机及其控制的详细内容将在后面各章中详细分析。

4.制动系统

风力发电机组的制动分为气动制动与机械制动两部分。风的速度很不稳定，在大风的作用下，风轮会越转越快，系统可能被吹垮，因此常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

5.偏航系统

偏航系统使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。中小型风力机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致为：当风向变化时，位于风轮后面的两个舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。

大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括异步风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、回转体大齿轮等。其工作原理为：风向标作为异步元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，

将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

6.控制系统

控制系统是现代风力发电机组的神经中枢。现代风力发电机组无人值守，兆瓦级风力发电机组一般在风速4m/s左右自动启动，在14m/s左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，风力发电机组一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25m/s时自动停机。现代风力发电机组的存活风速为60～70m/s，也就是说在如此大的风速下风力发电机组也不会被吹坏。通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7～36.9m/s。在这样恶劣的条件下，风力发电机组的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，使之在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网，并能够监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压等，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。

7.变桨系统

变桨距控制是根据风速的变化调整叶片的桨距角，从而控制风力发电机的输出功率。变桨系统通常由轴承、驱动装置（电机+减速器）、蓄电池、逆变器等组成，变桨速度为16°/s左右。

目前，国际上常见的变桨系统有两种类型：一种是液压驱动连杆机构，推动轴承，实现变桨；另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，兆瓦级风力发电机组多采用电机驱动变桨。出于安全考虑，要配置蓄电池，防止电网突然掉电或电信号突然中断，使风力发电机组能够安全平稳地实现顺桨制动。

二、风力发电机组的分类

（一）按照风轮形式分类

1.垂直轴风力发电机组

垂直轴风力发电机组按形成转矩的机理分为升力型和阻力型两类。

升力型风力发电机组的气动力效率远大于阻力型风力发电机组，因此当前大型并网型垂直轴风力发电机组全部为升力型。阻力型风力发电机组的风轮转矩是由叶片凹凸面阻力不同形成的，其典型代表是风杯，对大型风力发电机组不适用。

升力型风力发电机组的风轮转矩由叶片的升力提供，是垂直轴风力发电机的主流，其中打蛋形风轮应用最多，当这种风轮叶片的主导载荷是离心力时，叶片只有轴向力而没有弯矩，叶片结构最轻。

与水平轴风力发电机组相比，垂直轴风力发电机组除在风向改变时无需对风外，其优越性并不明显，因而目前使用量很小。

2.水平轴风力发电机组

水平轴风力发电机组的风轮轴线基本与地面平行，安置在垂直地面的塔架上，是当前使用最广泛的机型。

水平轴风力发电机组还可分为上风向及下风向两种机型。上风向风力发电机组其风轮面对风向，安置在塔架前方，需要主动调向机构以保证风轮能随时对准风向。下风向风力发电机组其风轮背对风向，安置在塔架后方。当前大型并网风力发电机组几乎都是水平轴上风向型。

（1）上风向风力发电机组。水平轴上风向三叶片风力发电机组是当代大型风力发电机组的主流，两叶片上风向风力发电机组也比较多见。

两叶片风力发电机组在同样风轮直径（扫掠面积）下其转速更快才能产出与三叶片机组相同的功率，因此，对叶片寿命（循环次数）的要求比三叶片机组要高。由于转速快叶尖速度高，风轮的噪声水平也高，因此对周围的环境影响较大。两叶片相对三叶片，其质量平衡及气动力平衡都比较困难，因此功率和载荷波动较大。其优点是叶片少、成本相对低，对于噪声要求不高的离岸型风力发电机组，两叶片是比较合适的。

（2）下风向风力发电机组。下风向风力发电机组只在中、小功率机型中出现。其特点如下：

1）风轮（被动）对风，不需要偏航驱动机构。因为风轮处于塔架的下风向，是静平衡状态，实际上由于偏航使电缆扭绞，仍需要解扭措施。原则上可采用滑环机构避免扭绞，但不可靠。2）风轮在下风向受塔影影响较大，这一方面影响了风能利用系数，同时使疲劳载荷的幅值增大，叶片疲劳寿命也比上风向机型短，因此下风向风力发电机组很少采用。

（二）按照速度与频率的关系分类

1.恒速恒频风力发电机组

当风力发电机与电网并联运行时，要求风力发电机的频率与电网频率保持一致，即恒频。恒速恒频指在风力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到恒定的频率。

恒频恒速发电机组通常采用异步发电机和同步发电机作为并网运行的发电机，采用定桨距失速或主动失速调节实现功率控制。

当采用同步发电机作为并网运行的发电机时，由于风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，常采用自动准同步并网和自同步并网方式，前者由于风速的不确定性，并网比较困难，后者并网操作较简单，并网在短时间内可完成，但要克服合闸时有冲击电流的缺点。

当采用异步发电机作为并网运行的发电机时，由于靠转差率调整负荷，所以控制装置简单，并网后不会产生振荡和失步，运行稳定。其缺点是直接并网时产生的过大冲击电流会造成电压大幅度下降，对系统安全运行构成威胁。异步发电机本身不发出无功功率，需要无功补偿，正常运行时需要相应采取有效措施才能保障风力发电机组安全运行。

总的来说，恒速恒频风力发电控制技术的优点是成本低、结构简单，不存在复杂的电路控制系统需要维护。其缺点是由于异步电机的转子始终运行于近似同步转速、同步电机始终运行于同步转速，无法实现风力机在不同风速状态下的转速调节，导致风力机在扫风面积上无法实现最大气动能量的捕获。由于这种风力发电机组自身不具备无功功率控制的能力，通常在电网接入环节安装无功补偿装置，如电容器组或SVG，其容量根据发电机组容量按一定的比例进行设计。

2.变速恒频风力发电机组

变速恒频是指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，通过其他控制方式得到恒定的频率。

变速恒频发电是20世纪70年代中后期逐渐发展起来的一种新型风力发电技术，通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位或变桨距控制实现转速的调节，可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，进而实现风能最大转换效率；同时又可以采用一定的控制策略灵活调节系统的有功功率、无功功率，抑制谐波，减少损耗，提高系统效率，因此可以大大提高风电场并网的稳定性。尽管变速系统与恒速系统相比风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成

本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。

变速恒频发电机组通常为“变速风力机+变速发电机”形式，采用变桨距结构，启动时通过调节桨距控制发电机转速。

变速恒频风力发电机有低速直驱永磁风力发电机和带多级齿轮箱的高速双馈异步发电机两种基本形式，最近又从直驱永磁风力发电机和高速双馈异步发电机中分别派生出两种新结构，即带一级增速齿轮箱的半直驱永磁风力发电机和无刷双馈风力发电机，如图1-3所示。

图1-3 变速恒频风力发电机组的不同结构的发电机表1-1为变速恒频风力发电机组与恒速恒频风力发电机组典型方案比较，分别在发电机类型、电力电子装置应用、无功补偿、变速装置、风能捕获效率、转速控制和电网柔性接入等方面进行分析对比。

表1-1 大功率风力发电系统典型方案比较

（三）按照有无齿轮箱分类

1.有齿轮箱的双馈异步风力发电机组

双馈异步风力发电机组由定子绕组直连三相电网的绕线型异步发电机、增速齿轮箱和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT变流器等组成，如图1-4所示。传动系统采用增速齿轮箱，提高了电机的转速，进而减小了发电机的体积。

图1-4 双馈式变速恒频风力发电机组结构框图

双馈异步风力发电机组的变流器由转子侧变流器和电网侧变流器两部分组成，彼此独立控制。变流器的主要原理是转子侧变流器通过控制转子电流分量控

制有功功率和无功功率，而电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在零无功功率状态下。

功率是馈入转子还是从转子提取取决于传动链的运行条件，在超同步状态，功率从转子通过变流器馈入电网；在欠同步状态，功率反方向传送。这两种情况（超同步和欠同步）下，定子都向电网馈电。

（1）优点。在风力发电中采用交流励磁双馈风力发电方案，可以获得以下优越的性能：

1）调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。

2）调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。

3）由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了柔性连接，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，使其满足要求。

4）由于控制方案是在转子电路中实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变频器的容量，减少了变频器的成本。

5）可维护性好。双馈式风力发电机组的传动结构一般包括叶片、轮毂、齿轮箱、联轴器、发电机，各主要部件相对独立，可以分别进行维护和维修，且现场维修容易，时间响应及时。

（2）缺点。这种双馈式风力发电机组也有以下缺点：

1）齿轮箱问题。双馈风力发电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来连接，这就增加了机组的总成本；而且齿轮箱噪声大、故障率较高、需要定期维护，并且增加了机械损耗。

2）电刷问题。一方面，电刷和滑环间存在机械磨损；另一方面，电刷的存在降低了机组的可靠性。

2.无齿轮箱的直驱式风力发电机组

直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网，如图1-5所示。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都有了进一步的提高。

图1-5 直驱式风力发电机组框图

直驱式风力发电机组首先将风能转化为频率、幅值均变化的三相交流电，经过整流之后变为直流，然后通过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。通过中间电力电子变流器环节对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。

与双馈式风力发电机组相比，直驱式风力发电机组的优点在于：①传动系统部件减少，提高了风力发电机组的可靠性和利用率；②变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；③机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪声、提高了整机效率；④可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；⑤部件数量的减少使整机的生产周期大大缩短；⑥利用现代电力电子技术可以实现对电网有功功率和无功功率的灵活控制；⑦发电机与电网之间采用全功率变流器，使发电机与电网之间的相互影响减少，电网故障时对发电机的损害较小。其缺点在于：①功率变换器与发电机组和电网全功率连接，但其造价昂贵，控制复杂；②用于直接驱动发电的发电机工作在低转速、高转矩状态，电机设计困难、极数多、体积大、造价高、运输困难。

3.半直驱式永磁风力发电机

除了有增速齿轮箱外，半直驱式永磁发电机和直驱式永磁发电机具有相似结构和性能。半直驱式永磁发电机的体积和成本比直驱式永磁发电机小，可靠性比双馈异步发电机高。在功率一定时，电机的体积取决于额定转速，如何选择增速

齿轮箱的传送比是半直驱式永磁发电机的关键问题。基于制造容易、结构简单、成本低的要求，选择一级增速齿轮箱更为适合。

额定转速为20r/min，额定功率为1.5MW的直驱式永磁发电机的定子外径和铁芯长度分别为3800mm和1100mm，那么，经过一级增速齿轮箱增速后额定转速变为255r/min的半直驱式永磁发电机定子外径和铁芯长度分别为2200mm和445mm。可见，半直驱式永磁发电机的体积、重量、成本都大大降低，而效率达到97.8%，比直驱式永磁发电机的效率95.4%还高。

半直驱式永磁发电机的效率高主要是定子绕组的铜耗降低，这是因为相对于直驱式永磁发电机，转子转速提高了，绕组匝数降低了。

（四）按照功率调节方式分类

1.定桨距风力发电机组

定桨距失速型风力发电机组主要由风轮、增速机构、制动机构、发电机、偏航系统、塔架、机舱、加温加压系统以及控制系统等组成。定桨距风力发电机组的主要结构特点是叶片与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，叶片节距角不能随之变化。这一特点使得当风速高于风轮的设计点风速（额定风速）时，叶片必须能够自动地将功率限制在额定值附近，叶片的这一特性称为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突甩负载的情况下，叶片自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。

20世纪70年代失速性能良好的叶片的出现解决了风力发电机组对自动失速性能的要求，20世纪80年代叶尖扰流器的应用解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，这些使定桨距失速型风力发电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位，最新推出的兆瓦级风力发电机组仍有机型采用该项技术。

定桨距失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单、制造成本低、可靠性高。但失速型风力发电机组的风能利用系数低，叶片上有复杂的液压传动机构和扰流器，叶片质量大，制造工艺难度大，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。

定桨距风力发电机组输出功率的特点如下：

（1）风力发电机组的输出功率主要取决于风速，同时也受气压、气温和气流扰动等因素的影响。定桨距风力发电机组叶片的失速性能只与风速有关，当风

速达到叶片气动外形所决定的失速调节风速时，不论是否满足输出功率，叶片的失速性能都要起作用。定桨距风力发电机组的主动失速性能使其输出功率始终限定在额定值附近。

（2）定桨距风力发电机组中发电机额定转速的设定也对输出功率有影响。定桨距失速型风力发电机组的节距角和转速都是固定不变的，这使风力发电机组的功率曲线上只有一点具有最大风能利用系数，对应于某个叶尖速比。当风速变化时，风能利用系数也随之改变。要在变化的风速下保持最大风能利用系数，必须保持发电机转速与风速之比不变，而在风力发电机组中，其发电机额定转速有很大的变化，因此额定转速较低的发电机在低风速下具有较高的风能利用系数，额定转速较高的发电机在高风速时具有较高的风能利用系数。

2.变桨距风力发电机组

变桨距风轮运行是通过改变桨距角使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化，从而在低风速时能够更充分地利用风能，具有较好的气动输出性能，而在高风速时，又可通过改变攻角的变化来降低叶片的气动性能，使高风速区风轮功率降低，达到调速限功的目的。变桨距失速型风力发电机组的典型代表是Vestas 公司生产的V39/V42/V44

600kW机组。

-

（1）运行方式。变桨距风力发电机组的整个叶片围绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内（一般为0°～90°）变化，以调节输出功率不超过设计容许值。变桨距风力发电机组出现故障需停机时，一般先使叶片顺桨，使功率减小，在发电机与电网断开之前功率减小至零，即当发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载过程。由于变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需要很大的刹车，所以其启动性能较好。但却增加了一套变桨距机构，从而增加了故障发生的概率，而且在处理变桨距机构叶片轴承故障时难度很大，所以其安装、维护费用相对偏高。

变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。

1）启动状态。当变桨距风力发电机组的风轮从静止到启动，且发电机未并入电网时都称为启动状态，这时变桨距的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值调整节距角进行速度控制，在控制过程中，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过发电机同步转速时，叶片节距角就向迎风面积减小的方向转动一个角度；反之，则向迎风面积增大的方向转动一个角度。

2）欠功率状态。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网，这时如果风速低于额定风速，这种状态就是欠功率状态。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于叶片的气动性能。

3）额定功率状态。当发电机并入电网，且风速大于额定风速时，风力发电机组就进入额定功率状态，这时变桨距控制方式由转速控制切换到功率控制，具体来说，就是功率反馈信号与给定值（额定功率）进行比较，当功率超过额定功率时，叶片节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之，则向迎风面积增大的方向转动一个角度。

（2）输出功率的特点。对于变桨距风力发电机组，由于叶片节距可以控制，所以即使风速超过额定点，其额定功率仍然具有较高的风能利用系数，功率曲线在额定点后也相对平稳，不但保证了较高的发电量，而且有效地减少了风力发电机因风速的变化对电网造成的不良影响，尤其是解决了高次谐波与功率因数等问题，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的，因此更具优越性。另外，变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，前者额定风速比后者的要低。因此，这种新型的变速风力发电机组是发展的主流方向。