小型上风式水平轴风力机：3.4水平轴风力机的设计及控制策略

水平轴风力机具有主轴和发电机，二者位于在塔架顶部或接近顶部的机舱内。图3-15所示为一个小的民用型水平轴风力机。图3-16为两台风力机装置，每台单机容量为2MW，它们的电能输出送入公用电网。图3-17所示为一个大的商用风力机，大概生产80～100kW的电能。

图3-15 小型民用水平轴风力机

图3-16 大型并网水平轴风力机（图片来源：Vestas风电公司）

图3-17 商用水平轴风力机

图3-18所示为一个大型的水平轴风力机的基本组成部分。风力机叶片有三个，根据箭头指示的风向这是一个上风式水平轴风力机，叶片被固定在转子上并且它具有可变的节距角控制使得风力机叶片节距角被调整实现最大的风电能量转换。这类风力机还有一个制动装置在不安全情况或维修时使叶片停转，当进行制动时，叶片必须被旋转到制动位置，这样风就不会使它们旋转。

风力机叶片和转子被固定在低速轴的前端，低速轴后方连接有主齿轮箱，发电机被安装在齿轮箱输出的高速轴上，意味着当风使叶片旋转，能量从低速转轴传到齿轮箱上，通过变速箱和高速转轴传到发电机上。计算机或PLC实现对叶片节距角、偏航位置和发电机负荷的控制。风速计测量风速，风向标测量风向，信息被送到控制器来决定风力机的偏航方位和进行必要的节距角调整，从而获取最大的风能。所有的上述部件放在机舱中，后者为发电机和齿轮箱提供了保护作用。(www.xing528.com)

偏航机构位于机舱下方，由偏航驱动器（即一个大的齿轮）和偏航电动机（有一个齿轮固定在转轴上，转轴套进更大的偏航齿轮）组成。偏航系统的齿轮传动比使电动机有足够的能量和转矩旋转机舱使叶片对风。偏航机构的这些部件安装在塔架上，塔架一般有40～100m（约130～328ft）高，塔架越高，获取的风能越多。今天，绝大部分大型风电机组的塔架有65～100m高，最近在德国，已经安装了138m（453ft）高的塔架，可以获取更多的风能。

水平轴风力机使用齿轮箱或齿轮装置实现风轮转速和发电机转速的匹配，保证发电机产生精确的60Hz交流电压。控制发电机输出电压频率恒为60Hz存在以下几种方法。

图3-18 大型水平轴风力机的基本组成部分（图片来源：美国能源部）

一个是控制发电机转速，使发电机以能产生60Hz电压的精确转速旋转，这通过调整叶片节距角使叶片速度上升或下降来控制高速轴的转速。对一些大型风力机来说，叶片旋转速度为10～22r/min，可以通过合适的齿轮传动比使高速轴转速提高为1800r/min，这个速度可使发电机产生60Hz电压。

另一个控制发电机的输出频率的方法是使用双馈感应发电机，通过变频器控制交流励磁电流使得输出为60Hz。这类发电机的励磁电流来自电网，频率是60Hz，当励磁电流控制为60Hz时，发电机输出也为60Hz。

还有一种方法是发电机运行任意转速下，当发电机任意转速旋转时产生的电压频率可变，输出电压被送到变频器（电力电子频率变换器），变频器接收任意频率的单相或三相交流电压，利用整流器把交流电压变为直流电压，在直流回路里通过电容或电感滤波，最后将直流电压逆变为60Hz单相或三相电压。如果电压需要升高，使用变压器。有时一些设备会使用变频器回路里的直流电压，所以在此处，直流电压被直接利用而不是送到变频器输出交流电压。