风力发电机组的构造与原理分析

不同类型的风力发电机组其组成不完全相同，主要包括风轮、传动系统、发电机系统、制动系统、偏航系统、控制系统、变桨系统等，风力发电机组的主要组成部分如图1-2所示。

图1-2　风力发电机组的主要组成部分

1—叶片；2—轮毂；3—机舱；4—叶轮轴与主轴连接；5—主轴；6—齿轮箱；7—刹车机构；8—联轴器；9—发电机；10—散热器；11—冷却风扇；12—风速仪和风向标；13—控制系统；14—液压系统；15—偏航驱动；16—偏航轴承；17—机舱盖；18—塔架；19—变桨距部分

1.风轮

风轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风轮叶片旋转，再通过齿轮箱将转速提升，带动发电机发电。风力机通常有两片或三片叶片，叶尖速度50～70m/s。在此叶尖速度下，通常三叶片风轮效率更好，两叶片风轮效率仅降低2%～3%。对于外形均衡的叶片，叶片少的风轮转速更快，但会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。三叶片风轮的受力更平衡，轮毂结构更简单。

早期的风力机叶片为钢制和铝制，随着科技的发展，目前叶片材料多采用玻璃纤维复合材料（GRP）和碳纤维复合材料（CFRP）。对于小型的风力发电机组，如风轮直径小于5m，在选择材料上，通常更关心效率而不是重量、硬度或叶片的其他特性。对于大型风力发电机组，对叶片特性要求较高，所以材料的选择更为重要。世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。

2.传动系统

风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等，但不是所有风力机都必须具备这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴；也有些风力机（特别是小型风力机）设计成无齿轮箱的，风轮直接与发电机相连接。

齿轮箱是传动装置的主要部件。它的主要功能是将风轮在风力作用下产生的动能传递给发电机并使其达到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，因此也将齿轮箱称为增速箱。如600kW的风力机风轮转速通常为27r/min，相应的发电机转速通常为1500r/min。

3.发电机系统(www.xing528.com)

发电机系统主要由发电机、循环变流器、水循环装置（电机、水泵、水箱等）或空冷装置等组成。核心是发电机，也是本书的重点，关于风力发电机组的分类将在1.2节讨论，发电机及其控制的详细内容将在后面各章中详细分析。

4.制动系统

风力发电机组的制动分为气动制动与机械制动两部分。风的速度很不稳定，在大风的作用下，风轮会越转越快，系统可能被吹垮，因此常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

5.偏航系统

偏航系统使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。中小型风力机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致为：当风向变化时，位于风轮后面的两个舵轮（其旋转平面与风轮旋转平面垂直）旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。

大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括异步风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、回转体大齿轮等。其工作原理为：风向标作为异步元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。

6.控制系统

控制系统是现代风力发电机组的神经中枢。现代风力发电机组无人值守，兆瓦级风力发电机组一般在风速4m/s左右自动启动，在14m/s左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，风力发电机组一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25m/s时自动停机。现代风力发电机组的存活风速为60～70m/s，也就是说在如此大的风速下风力发电机组也不会被吹坏。通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7～36.9m/s。在这样恶劣的条件下，风力发电机组的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，使之在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网，并能够监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压等，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。

7.变桨系统

变桨距控制是根据风速的变化调整叶片的桨距角，从而控制风力发电机的输出功率。变桨系统通常由轴承、驱动装置（电机+减速器）、蓄电池、逆变器等组成，变桨速度为16°/s左右。

目前，国际上常见的变桨系统有两种类型：一种是液压驱动连杆机构，推动轴承，实现变桨；另一种是电机经减速驱动轴承，实现变桨。由于高压油的传递需要通过静止部件向旋转部件（轮毂）传递，难以很好地实现，易发生漏油；电信号的传递较易实现，兆瓦级风力发电机组多采用电机驱动变桨。出于安全考虑，要配置蓄电池，防止电网突然掉电或电信号突然中断，使风力发电机组能够安全平稳地实现顺桨制动。