第五节 常用国产风力发电机组简介

并网型风力发电机组主要有定桨距失速调节型和变速变距型两种型式。定桨距失速调节型属于恒速机型，一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，转子、叶轮的变化范围小，捕获风能的效率低。变速变距型，一般采用双馈电机或者永磁同步电机，通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转速可以跟随风速的改变在很宽的范围内变化，保持最佳尖速比运行，从而使风能利用系数在很大的风速变化范围内均能保持最大值，能量捕获效率最大。发电机发出的电能通过变流器调节，变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。相比之下，变速型风力发电机具有不可比拟的优势。

目前常用的变速变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案，一种是增速齿轮箱+绕线式异步电动机+双馈电力电子变换器；另一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器。两种方案各有优缺点，前者采用高速电机，体积小、重量轻，双馈变流器的容量仅与电机的转差容量相关，效率高、价格低廉，缺点是升速齿轮箱结构复杂，易疲劳损坏；后者无齿轮箱，可靠性高，但采用低速永磁电机，体积大，运输困难，变频器需要全功率，成本提高。除了上述两个方案外，还引入了两个折中方案，一个是低速集成齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器；另一个是高速齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器。这两个折中方案也具有很大的发展潜力。

我国风力发电行业起步较晚，但发展速度却异常迅猛，在短短的几年内走过了发达国家需要十多年发展的路，市场上有各式各样的风电机组产品可供选用，下面介绍几种常用国产兆瓦级风力发电机组。

一、FL1500风力发电机组

国产的FL1500型风力发电机是双馈型风力发电机组，用于把风能转化为电能，并对电网进行供电。该机组技术成熟，具有变桨、变速恒频的功能，是特别为高效利用陆地风能而开发的机型。

1.FL1500风力发电机组的结构

图3-48所示为FL1500风力发电机组的结构，由图可知，叶片2通过变桨轴承被安装到轮毂3上，共同组成风轮。风轮吸收风的动能转换成风轮的旋转机械能，通过连接在轮毂上的主轴传入增速箱5。增速箱5经两级行星一级平行轴齿轮传动提高转速，通过联轴器11传递给发电机16。图3-49是FL1500机组（去除机舱外壳）结构。

图3-48 FL1500风力发电机组

1—轮毂罩；2—叶片；3—轮毂；4—变桨机构；5—增速箱；6—减噪装置；7—冷却风扇；8—主机架；9—吊车机构；10一制动器；11—联轴器；12—机舱罩；13—控制及变频柜支架；14—风向标；15—发电机水冷装置；16—发电机；17—偏航机构；18—增速箱油冷装置

图3-49 FL1500机组（去除机舱外壳）结构

1—轮毂；2—变桨系统；3—齿轮箱；4—减噪装置；5—齿轮箱润滑冷却装置；6—制动连接装置；7—发电机；8—主变频柜；9—风速仪；10—水冷装置；11—主机架；12—偏航系统；13—吊车；14—塔筒；15—叶片

增速箱通过减噪装置6固定在主机架8上。在增速箱与主机架、增速箱与减噪装置之间均有弹性部件，此结构可以大大吸收风轮和增速箱所产生的振动，降低振动对系统的影响。增速箱和发电机之间的弹性联轴器11是一种柔性联轴器，它本身可以吸收载荷的冲击和振动，并且可以补偿两连接轴之间的线性偏差和角度误差。在增速箱输出轴的制动盘上，装有常闭式液压制动器10，用于紧急情况下使轴系制动。

发电机安装在机舱的尾部，它将机械能转变成电能并向电网供电。由于其工作环境的特殊，限制了发电机的体积和重量。发电机的极对数要少，因此需要的转速较高。

FL1500采用了双馈感应发电机的形式。发电机的定子直接连接到三相电源上，转子和变频器相连。

为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，FL1500型风力发电机设有偏航机构。通过风向标14采集到风向信号，经处理后由控制系统发出偏航信号，四组偏航驱动电机减速器使机舱免受环境影响，且减少噪声排放。围绕塔筒转动，实现偏航。轮毂罩1和机舱罩12组成一个密封体，保护设备不受环境影响，且减少噪声排放。

2.FL1500风力发电机组的特点

（1）可采用70m和77m两种风轮直径，分别适用于国际电工标准IECⅡ类风况和IECⅢ类风况，工作寿命20年。

（2）采取变速恒频控制以及同步投入等多种控制手段；大幅度提高电能质量，并具有相当大的抗电网跌落能力。控制系统采用先进的CPUKT98中央处理器和多功能控制器完成整台风力发电机的控制和数据采样，实现风力发电机的全自动控制和远程监控。

（3）通过双馈异步发电机和IGBT控制器，可以做到功率控制和抑制冲击电流的发生，风速变化引起的出力变化小，变速运行，发电量大，并网时对于电网冲击电流小。

（4）变速恒频及磁链解耦控制大幅延长了核心部件的使用寿命，同时显著提高发电量。利用IGBT（脉宽调制）可变速控制，可以按功率因数为1控制出力。发电机也因为利用了IGBT，在已励磁的状态下同步投入，可以防止突入电流的干扰。

（5）采用电动变桨，能够更为快速、准确地控制桨距。三个变桨距系统互相独立，即使其中之一出故障，也能安全停机。电动变桨可靠性好，维护工作量少。装有蓄电池，在主电路失电的紧急情况下仍能实现桨距调节，从而保证了机组的安全。

（6）偏航系统布置了四组电机减速器，系统采用变频调速实现机舱的准确对风。在塔体上部法兰的上下及侧面布置滑动板，使机舱在此滑动板上滑动并旋转，能够用滑动板承受荷重。滑动板具有摩擦力，可以省去液压偏航制动器。

（7）主轴内置于齿轮箱内，同外置主轴相比，机舱重心可以更加靠近塔架中心，减少了由于风载荷及设备自重对偏航系统、塔架基础的倾覆力矩，减少部件和整机的承载能力和机舱的体积。

（8）叶片前端部采用金属制品结构，以保护叶尖不受损坏。在各可动部分都装设电刷，可迅速泄放电流。机舱顶部还设置避雷针，防止雷击损害。

FL1500风力发电机在设计时已充分考虑机组应用的恶劣气象条件，无论是台风，含盐分很高的气候还是昼夜温差变化大的地区，都具有很好适应性。机组的零部件均经过严格的质量控制，在出厂前进行了充分的检测试验，为其可靠运行提供了保证。

二、FD70A型和FD77A型风力发电机组

1.基本参数

FD70A型和FD77A型风力发电机组的基本参数见表3-3。

2.主要技术特点

（1）变速运行、恒频输出、4极双馈异步发电机+配有脉宽调制的IGBT模块的变频器。

（2）每只叶片有独立的变桨距电气系统“失效保护”。

（3）轮毂的仰角和锥角以及刚性叶片的应用，使机器的重心接近塔架中心。

（4）负荷能力裕量及高安全性。

（5）与常规火电站等同的电力输出特性。

（6）三点式支撑，简化轴系结构。

（7）齿轮箱具有高可靠性。

3.风轮参数

FD70A型和FD77A型风电机组的风轮参数见表3-4。

FD70A型和FD77A型中的数字分别代表叶片长度34m和37.3m、叶片重5393kg和6285kg，叶片材料为玻璃纤维加强塑料（GRP）。

图3-50为FD70A型和FD77A型机舱俯视图。

图3-50 FD70A型和FD77A型机舱俯视图

4.传动链的特点

三点式支承的经典设计——减小对主轴承、主轴和齿轮箱的冲击。主轴承采用双列球面滚子轴承，优选高性能的轴承座和耐久的润滑以获得最长的寿命。主轴采用优质合金钢锻件制造（材料：30CrNiMo8或34CrNiMo6）。高刚性的机架将负荷直接传递到塔架。

齿轮箱采用一级行星和两级平行轴斜齿轮或采用双联齿轮分流和一级平行轴斜齿轮传动，高的效率和直接连接的冷油系统使运行平稳，明显降低油箱温度。两级滤油系统确保润滑油保持具有较高的品质。

齿轮箱设计准则是：设定负荷时留有余地，比德国劳氏（GL）规范要求高的安全系数：齿面接触安全系数为1.45（＞1.2）；齿根弯曲安全系数为1.8（＞1.5）；轴承最低寿命为175000h；较低的油温（＜65℃）；可靠性、运行平稳性、效率和重量均优于同类产品。

FD70A型和FD77A型风电机组的齿轮箱参数见表3-5。

5.发电机和变频器特点

四极双馈异步发电机和脉宽调制IGBT变频器，实现变速运行、恒频输出。全封闭发电机附设空气—空气冷却器以降低温度。可选择最佳的转速变化范围。通过变频器的最大功率仅300kW，变频器的损失小，具有较高的效率和可靠性。

发电机和变频器参数形式：四极双馈异步发电机额定出力1500kW，转速1000～1800r/min；额定电压690V；保护等级IP54，变频器脉宽调制变频器功率300kW。

6.变桨距系统的特点

每片叶片有单独的变桨距电力驱动装置（失效保护）。变桨系统由变桨轴承、变桨控制器、整流器、蓄电池、变桨驱动器和中心润滑系统组成。停电时也能进行变桨驱动。采用封闭结构，备有中心润滑系统定时对轴承和齿轮加注油脂（一套润滑系统为三套变桨轴承供油脂）。采用电动柱塞泵定时供油脂，油脂的储量可用一年。备有废油脂接收装置，废油脂不会外泄。

7.偏航系统

带有外齿圈的四点接触轴承，由3组电动齿轮减速机驱动（驱动电机带有磁力制动装置）。由7个制动器组成的制动系统，在运转时通过降低油压减小压紧力，不运转时将机舱牢固地固定在塔架上。四点接触轴承最大限度地减小摩擦力并为制动器通风。

8.制动系统

（1）主轴制动分为：正常停机，顺桨；快速停机，顺桨；紧急停机，顺桨+液压制动；维修作业，顺桨+液压制动+风轮锁定。

（2）偏航制动。分为液压制动和磁力制动。

9.液压系统

向主轴制动器和偏航制动钳提供高压油。备有蓄能器，停电时仍能向制动器供油。轴系转子制动器2件，偏航制动器7件。

10.并网兼容能力

（1）稳定运行电压范围（690V±10%）。

（2）宽的周波范围（47.5～51.5Hz）。

（3）无功功率管理（+0.95～-0.95）。

（4）对电网的冲击小。阵风时风轮转速增加，把风能余量存储在风轮转动惯量中；风速下降时，再将风轮动能缓慢释放出来变为电能送给电网，可减少对电网的冲击。

11.主要零部件重量

机舱56000kg；风轮（含叶片）约32000kg（FD70A），约35000kg（FD77A）；叶片（每片）5393kg（34m），6285kg（37.3m）；齿轮箱16000kg；发电机6800kg；轮毂16000kg；主轴7150kg；塔架90400kg（轮毂高61.5m时），100400kg（轮毂高65m时）；174000kg（轮毂高90m时）；263500kg（轮毂高100m时）。

12.塔架参数

FD70A和FD77A型风电机组塔架参数见表3-6。

三、GW1500直驱式风力发电机组

GW1500直驱式风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机发电的总体设计方案。在运行期间，变桨距调节的叶片会在风速变化的时候绕其轴转动。因此，在整个风速范围内可以具有最佳的桨距角和较低的切入风速。在高风速下，改变桨距角以减少桨距角，从而减小了在叶片上的气动力，这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。

图3-51 金风科技1.5MW直驱机组

1—叶片；2—变桨机构；3—轮毂；4—发电机转子；5—发电机定子；6—偏航驱动；7—测风系统；8—辅助提升机；9—顶舱控制柜；10—底座；11—塔架

由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。其主要部件包括叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等，如图3-51所示。

GW1500使用低速多极永磁发电机，通过一台全功率变频器将频率变化的电流送入电网。发电机轴直接连接到风轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。