大型
风力发电机组
目 录
目 录 1
风力发电机组的分类特点 2
1.1垂直轴风力发电机组 2
1.2水平轴风力发电机组 3
1.2.2上风向风电机 4
2按照有无齿轮箱分类 4
2.1直驱型风力发电机 4
2.2双馈式风力发电机 7
2.3直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较 8
3按功率调节方式分类 11
3.1 定桨距风力发电机 11
3.2变桨失速型风力发电机组 13
3.2.1变桨失速型风力发电机组运行方式 13
3.2.2 变桨距风力发电机组输出功率的特点 14
风力发电机组的分类特点
1按照风轮形式分类
1.1垂直轴风力发电机组
垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。阻力型的气动力效率远小于升力型，
故当今大型并网型垂直轴风力机的风轮全部为升力型。
阻力型的风轮转矩是由两边物体阻力不同形成的，其典型代表是风杯，大型风力机不用。
升力型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，尤其是风轮像打蛋形的最流行，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。 特点如下
1）安全性。采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决；
2）噪音。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度；
3）抗风能力。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风；
4）回转半径。由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；
5）发电曲线特性。启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5～8米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%～30%；
6）利用风速范围。采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.5～25m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；
7）刹车装置。可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；
8）运行维护。采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。
由于垂直轴风电机与水平轴风电机比较其优越性不多，现在已经基本退出了市场。
1.2水平轴风力发电机组
水平轴（风轮）风力发电机组，是指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，上风向机组其风轮面对风向，安置在塔架前方。上风向机组需要主动调向机构以保证风轮能随时对准风向。下风向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几乎都是水平轴上风向型。
1.2.1 下风向风力发电机
下风向风力发电机，只在中、小功率机型中出现过。
下风向风电机的特点是：
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，同时使疲劳载的幅值增大，同样的叶片疲劳寿命较上风向机型机低，因此下风向机组当前很少采用。
但近期为了减轻风力发电机的重量、降低风力发电机的造价，又有人提出了下风向柔性结构的设计方案，但至今尚无商品机型。
1.2.2上风向风电机
水平轴上风向三叶片风力发电机是当代大型风力发电机的主流；两叶片的产品也比较多见。
两叶片风电机在同样风轮直径（扫掠面积）的情况下其转速较快才能产出相同的功率。要求叶片的寿命（循环次数）比三叶片机型的高。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大。两个叶片相对三叶片的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，两叶片是比较合适的。
2按照有无齿轮箱分类
变速变桨风电机组的风能转换效率更高，能够有效降低风电机组的运行噪声，具有更好的电能质量，通过主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷，使得风电机组功率重量
比提高，这些因素都促成了变速变桨技术成为当今风力发电机组的主流技术。
目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网，而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。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。
还有一种介于二者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机，是直驱式和传统型风力发电机的混合。
2.1直驱型风力发电机
直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
直接驱动式变速恒频（DDVSCF）风力发电系统框图如图1所示，风轮与同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。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。
与双馈式风力发电系统相比，直驱式风力发电系统的优点在于：传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和利用率；变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音、提高了整机效率；可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；部件数量的减少了，使整机的生产周期大大缩短；利用现代电力电子技术可以实现对电网有功功率无功功率的灵活控制；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：由于功率变换器与发电机组和电网全功率连接，功率变换器造价昂贵，控制复杂；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。
图1 直接驱动式风力发电系统框图
直驱式风力发电系统（direct drive wind energy generation system－DDWEGS）的发电机主要有两种类型：转子电励磁的集中绕组同步发电机以及转子永磁材料励磁的永磁同步发电机，如图2、图3所示。转子电励磁式DDWEGS由于需要给转子提供励磁电流，需要滑环和电刷，这两个部件故障率很高，需要定期更换，因此维护量大，相对DFWEGS来说只省去了齿轮箱设备。而转子永磁体励磁式DDWEGS采用永磁材料建立转子磁场，省去了滑环和电刷等设备，也省去了齿轮箱，无需定期维护，系统结构紧凑、整机可靠性、效率很高。
图2 电励磁式直驱风力发电机结构图
因此，永磁式DDWEGS系统最优、效率最高、维护量最小。尽管直驱式风力发电系统变流器以及永磁同步发电机造价昂贵，但是由于其可靠性和能量转换效率高，维护量小，整机生产周期小等优点，特别适合于海上风力发电，因此这种结构具有很好的应用前景。
图3 永磁材料励磁式直驱风力发电机结构图
直驱式风力发电系统使用永磁同步发电机发电，无需励磁控制，电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小。随着永磁材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出现，在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用的越来越广泛。
有的直驱机组方案，将风轮与外转子合二为一，取消了轮毂，叶片直接装在转子外部。进一步简化了结构、减轻重量。
直驱风力发电机的特点是：
1）由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。
2）最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。
3）运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。
4）采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。
5）采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。
6）发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。
缺点是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。
2.2双馈式风力发电机
交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。双馈风电机组中，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联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。
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