水平轴风力机优化设计

大部分风力机都是水平轴型的，图1-7显示了风电场中的水平轴风力机。水平轴风力机安装在塔杆或塔架的顶端，其叶片数量可以是1～3个或多个，最常见的是三叶片。风扫过叶片时带动其旋转，叶片随后驱动风轮旋转。水平轴风力机的风轮与叶片通常通过一根传动轴与发电机相连，有的在叶片与发电机之间也可能有齿轮箱与传动系统。有可能采用齿轮箱的原因是叶片运转于非常低的速度下（10～20r/min），而发电机则需要运行于接近1800r/min的转速下。齿轮箱与传动系统的作用是将转速提升为1800r/min左右。

水平轴风力机又可进一步分为上风向式与下风向式：前者风首先扫掠过叶片，然后经过机舱；后者先经过机舱，然后扫掠过叶片。图1-8与图1-9分别给出了上风向式与下风向式水平轴风力机的例子。

图1-7 风电场中水平轴风力机的例子（图片来源：Vestas Wind System A/S）

图1-8 上风向式风力机的例子

（在上风向式风力机中，风从左方首先扫掠过叶片，然后经过位于机舱的发电机）(www.xing528.com)

图1-9 下风向式风力机的例子

（在下风向式风力机中，风首先经过机舱，然后扫掠过叶片）

上风向式风力机设计中的一个问题是风轮必须具备足够的刚度和非韧性，并且需安装在塔架前方一定距离的位置，因为在强风作用下叶片会发生一定程度的弯曲。如果叶片位置安装距离不够，强风会导致叶片向塔架方向弯曲，叶片旋转时会被损坏。第二个问题是上风向式风力机需要采取保持风轮面向风向（对风）的措施，这由偏航机构来实现。偏航控制是风力机方向的控制，可以设计为采用尾舵实现风力机自动对风，而大型的风力机一般采用能调整机舱方位的高转矩电动机或液压马达来实现风轮对风。除了对风，偏航系统还可在风速过高的情况下使风力机偏离风向，限制大风速情况下的转速越限。

大型风力机采用主动偏航控制风轮方位以实现对风或侧风，这种主动偏航控制一般采用永磁电动机或液压马达驱动安装机舱的底盘。偏航电动机由PLC控制，PLC接收自风速计和风向仪的风速信号和风向信号，并将其与风轮方位^[1]比较。在这些大型风力机中，风轮安装在一个多速传动系统的输入端，发电机与传动系统的输出端相连。为了使发电机输出电能频率为60Hz，一些风力机需要严格控制发电机转速。可采用偏航控制与变桨控制改变风力机相对风向的方向，从而调整风力机转速。如果风速过高，变桨控制将会调整叶片节距减少对风能的捕获，如果叶片方位的变化不足以降低风轮转速时，偏航控制将会轻微地旋转风力机以使得风轮不再处于完全对风的位置，进一步降低风力机转速直到处于安全范围内。如果风速太高，有损坏风力机叶片的危险时，制动机构就会动作实现完全制动。本书第5章将会详细介绍风力机及发电机的控制技术。另外一种称为直驱型机组的水平轴风力机没有变速传动环节，不需要通过控制风力机转速来获得发电机的60Hz电能输出，因为它利用逆变器来控制电能频率。

在下风向式风力机中，风轮连同发电机、轮毂机构均处于下风向或机舱的后端，因此叶片的弯曲将会使叶尖向远离塔架的方向移动。一些小型的下风式风力机可不需要偏航机构而实现对风，这种偏航方式称为被动偏航，它可降低系统的造价。为了避免机舱持续旋转超过一定的圈数（360°），必须对偏航旋转量进行限制与控制，否则连接发电机与地面设备的电力电缆会发生缠绕。在一些大型风力机中，偏航控制系统包括一个旋转计数器，风力机的旋转可被限制在5圈左右。另外一种替代方法是采用集电环，它可在风力机连续转动时保持持续的电气连接。然而，集电环也存在一定的问题：由于发电机输出的电能经过集电环到达地面，集电环磨损迅速，需要在风力机生命周期内对其保持维护。其次集电环位于塔架顶端，对其进行检查和维护需要攀爬塔架。