第一节 风力发电机组的概述

一、风力发电机组的工作原理

风力发电机组是将风的动能转换为电能的系统。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。风力发电机组的工作原理如图1-1所示。

图1-1 风力发电机组的工作原理

1.能量流

风力机所捕获的是风的动能，风的动能大小可以由风功率来表示。风功率是指单位时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能。因为在t时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能为

式中 W——风能，单位为J；

ρ——空气密度，单位为kg／m³；

v——来流速度，单位为m／s；

A——面积，单位为m²。

所以风功率为

由式（1-1）可见，风功率与风速的立方成正比。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。风轮的输出功率为

P_r＝M_rΩ_r

式中 P_r——风轮的输出功率，单位为W；

M_r——风轮的输出转矩，单位为N·m；

Ω_r——风轮的角速度，单位为rad／s。

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

P_m＝M_mΩ_m＝M_rΩ_rη_m （1-2）

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——主传动系统的输出角速度，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，发电系统把机械能变为电能。发电系统的输出功率为

式中 P_e——发电系统的输出功率，单位是W；

U——三相绕组上的线电压，单位是V；

I——流过绕组的线电流，单位是A；

cosφ——功率因数；

η_e——发电系统的总效率。

对于并网型风力发电机组，发电系统输出的电流经过变压器升压后，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。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、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（在指定的径向位置叶片弦线与风轮旋转面间的夹角），从而控制风力发电机组输出功率。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的子系统，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，这里介绍的是比较典型的情况。

二、风力发电机组的构成

从整体上看，风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础等部分，如图1-2所示。

风轮是由叶片和轮毂组成的。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩，驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到主传动系统。机舱是由底盘、导流罩和机舱罩组成的，底盘上安装了除主控制器以外的主要部件。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上、下机舱的扶梯，大型机组还设有升降梯。基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况，设计成不同的形式，其中心预置与塔架连接的基础部件必须保证将风力发电机组牢牢固定在基础上，而基础周围必须设置预防雷击的接地装置。

图1-2 风力发电机组的外观

图1-3 风力发电机组内部结构

图1-3为一种变桨距、变速型的风力发电机组内部结构。它由以下基本部分组成：

（1）变桨距系统 设在轮毂之中。对于电力变距系统来说，包括变距电动机、变距控制器、电池盒等。

（2）发电系统 包括发电机、变流器等。

（3）主传动系统 包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。

（4）偏航系统 由电动机、减速器、变距轴承、制动机构等组成。

（5）控制系统 包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件。

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，设有循环油冷却风扇和加热器。

三、风力发电机组的分类

风力发电机组的类型主要从两个方面来分，一方面是按功率大小来分，另一方面是按结构形式来分。

1.按装机容量大小分

（1）微型0.1～1kW；

（2）小型1～100kW；

（3）中型100～1000kW；

（4）大型1000kW以上。

2.按风轮轴方向分

（1）水平轴机组 水平轴机组是风轮轴基本上平行于风向的风力发电机组。工作时，风轮的旋转平面与风向垂直。

水平轴机组随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向机组，如图1-1所示。风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，叫做下风向机组。上风向机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风。而下风向机组则能够自动地对准风向，从而免去了调向装置。但对于下风向机组，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样，塔架就干扰了流过叶片的气流，形成所谓塔影响效应，影响风力机的出力，使性能有所降低。

图1-4 垂直轴风力发电机组

（2）垂直轴机组 垂直轴机组是风轮轴垂直于风向的风力发电机组，如图1-4所示。其主要特点是可以接收来自任何方向的风，因而，当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构简化。垂直轴机组的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上。

由于垂直轴机组需要大量材料，占地面积大，目前，商用大型风力发电机组较少采用。

3.按桨距角的变化分

（1）定桨距机组 叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性。当风速超过额定风速时，利用叶片本身的空气动力特性，减小旋转力矩（失速），维持输出功率相对稳定。

（2）变桨距（正变距）机组 当风速过高时，这种机组通过改变桨距角，使功率输出保持稳定。同时，机组在起动过程也需要通过变距来获得足够的起动转矩。采用变桨距技术的风力发电机组还可使叶片和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组十分有利。

（3）主动失速型（负变距）机组 这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角（叶片翼型上合成气流方向与翼型几何弦的夹角），使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获，因此称为负变距型机组。

4.按发电机转速高低分

（1）高转速发电机型 发电机转子的转速在同步转速附近。通常，风轮的转速较低，达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱的增速作用来实现。齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。故也将齿轮箱称之为增速箱。

（2）直接驱动型 应用多极同步风力发电机，可以使机组在低转速下运行。能够去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。

（3）中转速发电机型（“半直驱”）这种机组的工作原理是以上两种形式的综合。采用中转速发电机，减少了传统齿轮箱的传动比，同时，也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。

5.按发电机转速变化分

（1）定速（又称恒速）定速风力发电机组是指其发电机的转速恒定不变，即不随风速的变化而变化，始终在一个恒定不变的转速下运行。

（2）多态定速 多态定速风力发电机组中包含两台或多台发电机，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。

（3）变速 变速风力发电机组中的发电机在转速随风速时刻变化的状态下工作。目前，主流的大型风力发电机组都采用变速恒频运行方式。