1.3 风力发电机组的类型及构成

1.3.1 主要类型

风力发电机组单机容量从最初的数十千瓦级已经发展到兆瓦级，控制方式从基本单一的定桨距、定速控制向变桨距、变速恒频发展。根据机械功率的调节方式、齿轮箱的传动形式和发电机的驱动类型，可对风力发电机组作以下三种分类方式。

1.按机械功率调节方式分类

（1）定桨距控制。桨叶与轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时，输出功率随风速增加而下降。定桨距风力发电机不能有效利用风能，不能辅助启动。

（2）变桨距控制。风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。因此，机械功率不完全依靠叶片的气动特性调节，而主要依靠叶片攻角调节。在额定风速下，最佳攻角处于桨距角0°附近。

（3）主动失速控制。主动失速又称负变距，风速低于额定风速时，叶片的桨距角是固定不变的；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片处于失速状态，限制增加风轮吸收功率，减小功率输出；而当叶片失速导致功率下降，功率输出低于额定功率时，适当调节叶片的桨距角，提高功率输出，可以更加精确地控制功率输出。对于变桨距和主动失速控制方式，叶片和轮毂都通过变桨轴承连接，即都通过变桨实现控制。主动失速控制的敏感性很高，需要准确控制桨距角，造价高。

2.按传动形式分类

（1）高传动比齿轮箱型。用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机，减小发电机体积重量，降低电气系统成本。但风力发电机组对齿轮箱依赖较大，由于齿轮箱导致的风力发电机组故障率高，齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染，且导致系统的噪声大、效率低、寿命短，因此产生了直驱风力发电机组。

（2）直接驱动型。应用多极同步风力发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，解决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。但发电机极数较多，体积较大。

（3）中传动比齿轮箱（半直驱）型。这种风机的工作原理是以上两种形式的综合。中传动比型风力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。

3.按发电机调速类型分类

（1）定速恒频机组。采用异步电机直接并网，无电力电子变流器，转子通过齿轮箱与低速风机相连，转速由电网频率决定。定速恒频机组的优点是简单可靠，造价低，因而在早期的小型风电场中获得广泛应用。定速异步发电机组结构简单、可靠性高，但只能运行在固定转速或在几个固定转速间切换，不能连续调节转速以捕获最大风电功率。此外，在风机转速基本不变的情况下，风速的波动直接反映在转矩和功率的波动上，因此机械疲劳应力与输出功率波动都比较大。此外，每台风力发电机需配备无功补偿装置为异步电机提供励磁所需的无功功率，并且采用软启动装置限制启动电流。

（2）变速恒频机组。异步发电机或同步发电机通过电力电子变流器并网，转速可调，有多种组合形式。目前实际应用的变速恒频机组主要有两种类型：采用绕线式异步发电机通过转子侧的部分功率变流器并网的双馈风力发电机组；采用永磁同步发电机通过全功率变流器并网的直驱永磁同步风力发电机组。与定速恒频机组相比，变速恒频风力发电机组可调节转速，进行最大功率跟踪控制，提高了风能利用率；风速变化而引起的机械功率波动可变为转子动能，从而减小机械应力，对输出功率的波动也可起到平滑作用。

目前，在风力发电领域广泛应用的风力发电机组主要有三种类型，即固定转速的鼠笼异步发电机组、可调速的双馈异步发电机组和直驱永磁同步发电机组。

早期的小型风电场主要应用定速异步发电机组，其定子侧直接并网，转子通过齿轮箱与低速风力发电机相连，每台风力发电机需配备无功补偿装置为异步电机提供励磁所需的无功功率。定速异步发电机组结构简单、可靠性高，但只能运行在固定转速或在几个固定转速间切换，不能连续调节转速以捕获最大风电功率。此外，在风力发电机转速基本不变的情况下，风速的波动直接反映在转矩和功率的波动上，因此机械疲劳应力与输出功率波动都比较大。

变速风力发电系统的特点是在有效的风速范围内，发电机组的转速和发电机组定子侧产生的交流电能的频率是变化的，直驱永磁同步机组和双馈异步发电机组都属于变速机组。直驱永磁同步机组，风轮与发电机的转子直接耦合，而不经过齿轮箱，故此转速都比较低，因此只能采用低速的永磁同步发电机。因为无齿轮箱，可靠性高；但采用低速永磁同步发电机，体积大，造价高；而且发电机的全部功率都需要变流器送入电网，变流器的容量大，成本高。与采用全功率变频器驱动的直驱永磁同步发电机组相比，双馈异步发电机组的发电机为绕线转子异步电机，其定子侧直接与电网相连，而绕线转子侧通过双PWM变流器接入电网。双馈感应式发电机，一般采用升速齿轮箱将风轮的转速增加若干倍，传递机械功率给发电机转子时转速明显提高，因而可采用高速发电机，体积小，质量轻。双馈变流器的容量仅与发电机的转差功率相关，效率高，价格低廉。这种方案的缺点是升速齿轮箱结构复杂，噪声大，易疲劳损坏。表1-1给出了这三种主流机型的比较。

1.3.2 主要设备

风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、变流器等设备以及控制系统构成，典型的风力发电系统组成如图1-1所示。风轮首先捕获波动的风能并转换为旋转的机械能，再由发电机将机械能转换为电能后经由变压器馈入电网。

图1-1 风力发电系统主要组成

风轮由叶片、轮毂和变桨系统组成，是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。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，通过轮毂将转矩输入到主传动系统。轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。每个叶片有一套独立的变桨机构，可主动对叶片捕获的风能进行调节。叶片的数量通常为3个，叶片半径越大，旋转速度越慢，兆瓦级风力机的旋转转速一般为10～15r/min。由于风力机转速较慢，因此在其与发电机的连接中需要齿轮箱将低转速转换为高转速。

齿轮箱、传动链、发电机和控制柜等主要设备安装于机舱内。机舱用于保护电气设备免受风沙、雨雪、冰雹以及烟雾等恶劣环境的直接侵害，顶部装有风速风向仪。双馈型机舱长度一般在8m以上，宽度和高度在3m以上，一般采用拼装结构；直驱型风力发电机组的机舱较短小，一般整体制造。机舱在偏航系统的驱动下，可实现风轮的自动对风。由于风的方向和速度经常变化，为了使风力机能有效地捕捉风能，设置了偏航装置以跟踪风向的变化，保证风轮基本上始终处于迎风状况。偏航系统采用主动对风的齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。通过风向仪和地理方位检测风轮轴线与风向的偏差，采用电力或液压驱动来完成对风。

齿轮箱作为风力发电机组中一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机。使用齿轮箱，可以将风力机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。由于齿轮箱速比较高，并且受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，通常采用一级平行轴加两级行星等多级齿轮箱结构，以提高其运行可靠性。

发电机将叶轮转动的机械动能转换为电能输送给电网。与其他发电形式相比，风力发电使用的发电机类型较多，既可采用笼型、绕线型的异步发电机，也有采用电励磁和永磁的同步发电机。此外，风力发电机受风的随机性影响，效率低、易过载，并且散热条件差、振动强烈。

风力发电机组的电控系统贯穿于风力发电机组的每个部分，相当于风力发电系统的神经。电控系统主要包括主控系统、变流器、变桨和偏航控制系统，由控制柜、变流柜、机舱控制柜、三套变桨柜、传感器和连接电缆等组成。其主要作用是保证风力发电机组的可靠运行，获取最大风能转化效率，以及提供良好的电力质量。其控制内容包括正常运行控制、安全保护、运行状态监测等三个方面。