发电机和机组冷却系统优化方案

（一）发电机

感应发电机因其结构紧凑、价格便宜，且并网方法简单，并网运行稳定，调节维护方便，在传统的风电机组中得到广泛应用。

齿轮箱高速轴和发电机轴通过柔性联轴器连接，发电机通过4个橡胶减震器与机舱底盘连接，这种结构可以有效地降低发电机噪声。风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组大多数时间内在较低风速下运行。

发电机系统包括发电机、变流器、水循环装置（水泵、水箱）或空冷装置。

常见的发电机有异步发电机和同步发电机两种。

1.同步发电机

图341所示为同步发电机，其转子通过滑环应用直流电励磁，在定子绕组上生成交流电压。定子绕组上流动电流的频率生成电枢场，而流过直流电的转子绕组生成励磁场并按同步转速转动。转子的旋转方向和转速总是与旋转的定子场的转动同步，没有相对运动（即没有滑差）。

从动力学观点来看，同步发电机与固定频率的电网直接耦合是最为不利的，按技术可能性来考虑，这只是一种极端情形，只有当磁极转角很小的时候，机组才能用风轮平衡发电机的动力负载。在负载冲击很大时，例如阵风很大的情况下可能会出现严重过载的危险。而同步电机避振能力很弱，对较小负载峰值的反应也有产生振动的倾向，风轮输入功率的每个变化都会不受平衡地输送到电网上，对电网造成不良影响。

同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用；另一种是通过交—直—交变流并网。

2.异步发电机

图342是异步发电机示意图。异步发电机通过转子和旋转定子场之间的相对运动（滑差）产生感应电场，并通过这种方式在转子绕组中生成电压，与之相应的磁场在转子上产生作用力。异步发电机的转子可以设计为短路转子，或者配置附加滑环，设计成所谓的滑环转子。滑环转子可以通过外部控制方式来影响转子特性，以取得较高的滑差率，从而使转子转速在与固定频率的电网直接耦合时有较大的可调范围，改善风电机的并网特性。

图341　同步发电机示意图

nA—旋转定子场（电网频率）；
nE—转子转速；M—驱动
力矩；θ—磁极转角(www.xing528.com)

图342　异步发电机示意图

nA—旋转定子场（电网频率）；
nE—转子转速；
M—驱动力矩

异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略为升高，增加了输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，额定功率保持稳定不再增加。反之，当风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后应脱开电网。有的风力发电机组为了充分利用低风速时的风能，采用了可变极数的异步发电机，例如双速电机，从4极（额定转速1500r/min）变为6极（额定转速1000r/min），但是这种发电机仍然可以认为其转速基本上是恒定的。

普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网，无需同步调节装置，缺点是风轮转速固定后效率较低，而且在多变的风速作用下，负载处于不稳定状态。为了克服这些不足之处，相继开发出了高滑差异步发电机和变转速双馈异步发电机。双馈异步发电机借助于转子电路中的变频器在并入电网运行申，可以实现±40%的转速可变运行。

对于异步发电机的运转，重要的是为生成和保持磁场必须向转子提供励磁电流，该无功电流需求取决于电机的功率，在并入电网运行时从电网中获取。对功率较大的发电机则通过设置电容器来减小无功电流。多年来，经过努力，异步发电机能成功地直联电网。功率较小时，在同步转速范围内可以不进行励磁而直接联在电网上，无需采取更多的同步措施。

对于大型的异步发电机，不希望并网时产生冲击，所以设备中有一个软并网装置，在达到发电机的同步转数之后，首先由一个带相角控制的晶闸管调节器将其接通，几秒钟之后晶闸管调节器才通过电网接触器桥接。

为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电机组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称为直驱式风力发电机组，其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化。风轮可以转换更多的风能。但是这种发电机结构复杂，外形尺寸庞大、制造工艺要求很高，需要全功率的变流装置才能与电网频率同步，经过转换又会损失部分能量。

（二）齿轮箱及发电机冷却系统

为保证齿轮箱和发电机在正常的工作条件下运行，防止发生过热，需要设置循环冷却装置。

发电机冷却水自发电机壳体水套，经水泵强制循环，通过热交换器和蓄水箱后，返回发电机壳体水套。所使用的冷却水是防冻液与蒸馏水按一定比例混合，调整冰点应满足当地最低气温的要求。

齿轮箱的油液自箱体底部油池，经油泵强制循环，通过过滤器、热交换器冷却后，返回齿轮箱。在齿轮箱油冷却系统中设有压力继电器，如果齿轮箱齿轮或轴承损坏，则产生的金属铁屑会在油循环过程中堵塞过滤器，当压力超过设定值时，压力继电器动作，油便从旁路直接返回油箱，同时，电控系统报警，提醒运行人员停机检查。