第三章 风力发电机组的结构特点与运行环境

第一节 概 述

风力发电机的功能是将风轮获取的空气动能转换成机械能，再将机械能转换为电能。对风力发电机组的基本要求是能在风电场所处的气候和环境条件下长期安全运行，以较低的成本获取最大的年发电量。

风力发电机地处气候变化多端的高山、荒原和海岸，风的速度和方向不断变化，有时甚至非常激烈。装有发电设备的狭小机舱安装在高高的塔架上，各个部件随时承受着复杂多变的载荷作用，出现故障的概率比地面设备高好几倍。并且在机舱内对故障的处理也十分困难，许多情况下要动用大型起重机械；花费大量的人力物力。因此，风力发电机组对其零部件要求极其严格，对结构设计、材料选用、加工工艺和质量控制都提出了远高于普通设备的要求。

图3-1 风力发电设备示意图

一般并网型风力发电机组的整体结构分为风轮（包括叶片、轮毂和变桨距系统）、机舱（包括传动系统、发电机系统、辅助系统、控制系统等）、塔架和基础等几大部分。图3-1为风力发电设备示意图。机械传动、偏航、液压、制动、发电机和控制等系统大部分都装在机舱内部，机舱外伸部分则是轮毂支撑的风轮。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，可随时依据风向变化调整迎风方向。

支撑风力发电机的塔架建立在坚实的基础上，塔顶法兰与偏航轴承的固定圈连接，塔架底部与基础牢固结合。用钢筋混凝土制成的塔架基础必须保证机组在极端恶劣的气象条件下能够保持塔筒垂直，使机组稳定运行。

风电机组的主要部件布置要使得机组在运行时，机头（机舱与风轮）重心与塔架和基础中心相一致，整个机舱底部与塔架的连接应能抵御风轮对塔架造成的动力负载和疲劳负荷作用。

机舱外壳是玻璃纤维和环氧树脂制成的机舱罩，具有成本低、重量轻、强度高的特点，能有效地防雨、防潮和抵御盐雾、风砂的侵蚀。机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；有的机舱内还安装有加热器，在冬季寒冷的环境下，用来保持机舱内适当的温度，有利于机组运转。

图3-2是上风向、三叶片、水平轴、变桨变速带齿轮箱的兆瓦级风电主流机型示意图。风电机的风轮叶片1旋转产生的能量，通过轮毂2、主轴5、齿轮箱6的高速轴和柔性联轴器8传送到发电机9。之所以使用齿轮箱，是为了将风轮上的低转速高转矩能量，转换为用于发电机上的高转速低转矩能量；这样就可以使用结构较小的普通电机发电。

如果不使用齿轮增速箱，在很低的风轮转速下只能用一个极数较多的发电机，例如对应30r/min的风轮转速需要使用200极的发电机，而发电机转子的质量与转矩大小成比例，这样的发电机将会非常庞大和笨重。

直驱式风力发电机没有齿轮增速箱，由风轮直接驱动发电机，也称为无齿轮箱风力发电机，如图3-8所示。直驱式风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。随着近几年电力电子技术的高速发展和大功率电力电子元件成本的降低，其优势才逐渐凸显。当然，直驱式发电机应用于风电机上还是有一些问题需要研究解决，如减轻发电机的体积和重量，方便运输；最适合的机型（同步、永磁、可变磁阻等）选择；电流和压力的波动的影响；变流器的选择；设计低损耗的发电机；永磁发电机导致过量的铁损耗；磁性材料的选择；在运行或失效的情况下如何防止消磁状况等。

图3-2 兆瓦级风电主流机型示意图

1—叶片；2—轮毂；3—机舱内框架；4—轮毂与主轴连接；5—主轴；6—齿轮箱；7—高速轴刹车盘；8—柔性联轴器；9—发电机；10—散热器；11—冷却水箱；12—测风系统；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

图3-3 直驱式风力发电机组

1—叶片；2—发电机；3—偏航驱动；4—机舱；5—风向测量；6—主销；7—轮毂；8—变桨驱动

采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高，在我国应用较广。永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等。此外还有双凸极发电机与开关磁阻发电机等直驱机型。

外转子永磁直驱式风力发电机的电机绕组设在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁碗构成。外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。

盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构。

电励磁同步发电机也可应用于直驱发电机组。它的特点是转子由直流励磁绕组构成，一般采用凸极或隐极结构，发电机的定子与异步电机的定子三相绕组相似。电励磁同步发电机的主要优点是通过调节励磁电流来调节磁场，从而实现变速运行时电压恒定，并可满足电网低电压穿越的要求，但电励磁同步发电机需要全功率整流，电机结构比较复杂，成本较高。