风力机基本结构简介

认识风力机的基本结构及发电原理是学习风能与风力机的重要基础。图1-1所示为一台小型水平轴风力机。水平轴风力机的基本结构包括安装于轮毂上的叶片、轮毂、低速轴、齿轮箱、高速轴与发电机。有时轮毂与涡轮叶片通称为风轮。风轮通过传动轴与发电机相连接，当叶片与风轮驱动转轴旋转时，后者就会带动发电机运转发电。有些风力机采用直流发电机，而有些采用交流发电机，分别发出直流、交流电能。电功率的计量单位为瓦（W），1瓦是电压为1伏（V）情况下1安（A）的电流产生的功率。本书第12章将对电能的基本知识进行完整的介绍。风力发电机容量是由它所能发出的功率来表示，单位为瓦（W）。1000W用“千瓦（kW）”表示，也就相当于10个100W灯泡的功率之和。电力公司采用“千瓦时（kW·h）”作为单位来计量用户电费，该单位表示了一段时间（1h）内以一定功率（1kW）工作时消耗的电能大小。可通过比较常用的家用电器的耗电量来更好地理解“1kW·h”的含义。例如，在工作1h的情况下，一台400W的典型自动洗衣机耗电0.4kW·h，一台4000W的电动干衣机耗电4kW·h，一台120W的台式计算机耗电0.12kW·h。必须避免混淆功率与能量的概念，“W”是表示任何一瞬间电能功率大小的单位，表示该瞬间一个负荷的电压与电流的大小；“W·h”是电能的单位，可用来计量用户的耗电量和计算电费。

图1-1 小型风力机的基本结构

一些大型风力发电机的容量用“兆瓦（MW）”表示，1MW=10⁶W。图1-2、图1-3分别是安装在野外及海上的兆瓦级风力机的例子。当一个风电场包括大量的风力机时，它们总的输出功率可超过1000MW，即1吉瓦（GW）。1GW=10⁹W（10亿W）、1000MW或者10⁶kW。一个典型的美国家庭一个月和一年的用电量分别是938kW·h和11256kW·h，一些节能型家庭每年大约用电8900kW·h。典型的工业及民用负载将在1.11节与1.12节介绍。

图1-2 野外兆瓦级风力机（图片来源：Fotolia，LLC）

图1-3 海上大型兆瓦级风力机（图片来源：Vestas Wind System A/S）

图1-1所示的小型风力机通过它的尾翼来实现对风。发电机与风轮安装在具有一定高度的塔架（塔杆）上是为了更好地获取风能，进而使其驱动叶片并带动发电机运转发电。小型风力机发出的电能可直接供给家庭或小功率应用场合，或者存储在电池中备用。一般地，这种发电机发出的电能较少，可用于照明、烧水、电热等，在一些偏远的地区也可用来泵水。(www.xing528.com)

图1-4表示了大型水平轴风力机的基本结构。风力机的主要部件包括风轮、低速轴、齿轮箱、高速轴与发电机等、除风轮以外其他部件均安装在位于塔架顶端的封闭型机舱里。图中的叶片安装在与低速轴相连的轮毂上，在风能直接驱动下风轮的转速为10～20r/min，这是“低速轴”这个名字命名的原因。齿轮箱内部包括复杂齿轮装置，可将低速轴的转速提升为1800r/min，正是由于这个原因，连接齿轮箱与发电机的传动轴称为高速轴。低速轴、齿轮箱、高速轴与发电机安装在机舱内部，可以避免外部天气的影响。

图1-4 大型水平轴风力机的基本结构（图片来源：Nordex）

水平轴风力机采用齿轮箱或齿轮装置将叶片的低转速转换为更高的转速，以便发电机能发出60Hz的交流电能。因为美国电网的频率为60Hz，绝大多数电器与电动机的工作频率也设计为60Hz。最佳的叶片转速为10～20r/min，在这个转速基础上通过采用合适的齿轮箱变速比，可以使高速轴运转在发电机需要的转速下。

风力机有两种控制方法来获得发电机60Hz的输出频率。一种方法是控制发电机的转速，通过控制叶片节距与实现偏航使叶片加速或减速，从而合理地控制高速轴运行在可实现发电机60Hz频率输出的转速上。

另外一种方法是允许风轮自由运行在风力所允许的任意转速下，而将发电机输出的电能送入电力电子变流器，也就是逆变器。变流器输入任意频率和电压的单相或三相交流电能，通过整流器变换为直流，在直流环节中采用电容器和电抗器来实现稳压与滤波，最后变流器的后端部分将直流电能变换为单相或三相60Hz交流电能。单相与三相电能、频率与逆变器等术语知识将在第12章进行详细介绍。在这种类型的风力机中，叶片的转速没有被控制运行在对应风力机额定容量的工作点上，发电机可以输出任意频率与电压的电能。如果风力机输出超过其额定容量，叶片节距调节（变桨）机构将会动作以限制功率。发电机输出的变压变频的交流电能，通过逆变器变换为恒压恒频，实现发电机的并网。

为了将变流器输出的690V电压提升为适应电网电压的12470V，则需要一台变压器进行电压变换。有些风电系统被设计为直接使用变流器中的直流电能，此时变流器的输出为直流电能而非交流电能。