风力发电机组的组成和工作原理

2.1.1.1　组成

1.风力机

风力机是风力发电机组的重要部件，风以一定的风速和攻角作用在风力机的桨叶上，使风轮受到旋转力矩的作用而旋转，同时将风能转化为机械能来驱动发电机旋转。风力机有定桨距和变桨距之分。风力机的转速很低，一般在十几转每分至几十转每分之间，需要经过传动装置升速后，才能够驱动发电机运行。直驱式低速风力发电机组可以由风力机直接驱动发电机旋转，省去中间的传动机构，显著提高了风电转换效率，同时降低了噪声的维护费用，也提高了风力发电系统运行的可靠性。

2.传动系统

传动系统是指从主轴到发电机轴之间的主传动链，包括主轴及主轴承、齿轮箱、联轴器等，其功能是将风力机的动力传递给发电机。主轴即风轮的转轴，用于支承风轮，并将风轮产生的扭矩传递给齿轮箱或发电机，将风轮产生的推力传递给机舱底座和塔架。齿轮箱位于风轮和发电机之间，是传动系统的关键部件，风力发电机组通过齿轮箱将风轮的低转速变换成发电机所要求的高转速，同时将风轮产生的扭矩传递给发电机。

3.发电机

发电机的任务是将风力机轴上输出的机械能转换成电能。发电机的选型与风力机类型以及控制系统直接相关。目前，风力发电机广泛采用感应发电机、双馈（绕线式转子）感应发电机和同步发电机。对于定桨距风力机，系统采用恒频恒速控制时，应选用感应发电机，为提高风电转换效率，感应发电机常采用双速型。对于变桨距风力机，系统采用变速恒频控制时，应选用双馈（绕线式转子）感应发电机或同步发电机。同步发电机中，一般采用永磁同步发电机，为降低控制成本，提高系统的控制性能，也可采用混合励磁（既有电励磁又有永磁）同步发电机。对于直驱式风力发电机组，一般采用低速（多级）永磁同步发电机。

4.偏航系统

偏航系统主要用于风轮对风，使风轮能够最大限度地将风能转换成轴上的机械能。大中型风力发电机组都需要设置偏航系统。偏航系统设置在机舱底座与塔架之间，由偏航驱动装置为偏航运动提供动力。偏航驱动装置大多采用电动式，也可采用液压式结构。偏航传感器用来采集和记录偏航位置，当偏航角度达到设定值时，控制器将自动启动解缆程序。解缆操作是偏航系统的另一个功能。风力发电机组的电力电缆和通信电缆需要从机舱通过塔架最终连接到地面的控制柜上，由于偏航系统需要经常进行对风操作，将引起电缆的扭转。当在一个方向上扭缆严重时，机组就需要停机并进行解缆操作。

5.液压系统

液压系统是通过油压液体实现动力传输和运动控制的机械单元。液压系统具有功率密度大、传动平稳、容易实现无级调速、易于更换元件、过载保护可靠等特点。

6.控制系统

控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。风力发电机组的控制系统一般以PLC为核心，包括硬件系统和软件系统。传感信号表明了风力发电机组目前运行的状态，当与机组的给定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，使系统能够在给定的状态下运行，从而完成各种控制功能。主要的控制功能有变桨距控制、失速控制、发电机转矩控制以及偏航控制等。控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可能采用液压执行机构。(www.xing528.com)

图2-1　风力发电机组整机系统

1—叶轮；2—机舱；3—塔架；4—基础；φ—直径

风力发电机组整机系统如图2-1所示。风力发电机组的样式虽多，但总的来说其原理和结构大同小异。风力发电机组主要由叶轮、机舱、塔架和基础四部分组成，具体包括风力机、变桨距系统、传动系统、制动系统、偏航系统、液压系统、发电系统、控制系统及支撑系统等。

2.1.1.2　工作原理

风力发电机组的工作原理简单地说就是风轮在风力的推动下产生旋转，将风的动能变成风轮旋转的动能，实现风能向机械能的转换；旋转的风轮通过传动系统驱动发电机旋转，将风轮的输出功率传递给发电机，发电机把机械能转换成电能，在控制系统的作用下实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换。具体来讲，叶片通过变桨距轴承被安装到轮毂上，共同组成风轮，风轮吸收风的动能并转换成风轮的旋转机械能。对于双馈式的风力发电机组，机械能通过连接在轮毂上的齿轮箱主轴传入齿轮箱。齿轮箱把风轮输入的大转矩、低转速能量通过其内部的齿轮系统转化为小转矩、高转速的形式后，通过联轴器传递给发电机。对于直驱式风力发电机组，发电机轴直接连接在风轮上，风轮旋转将机械能通过主轴直接传递给发电机。发电机将机械能转换成电能，通过电子变流装置输入电网。图2-2所示为双馈式风力发电机组内部结构。图2-3所示为直驱式风力发电机组内部结构。

图2-2　双馈式风力发电机组内部结构

1—轮毂与变桨系统；2—主轴部件；3—齿轮箱；4—齿轮箱冷却与润滑系统；5—刹车系统；6—联轴器；7—发电机；8—机架系统；9—偏航系统

图2-3　直驱式风力发电机组内部结构

1—叶片；2—变桨系统；3—轮毂；4—发电机转子；5—发电机定子；6—偏航驱动；7—测风系统；8—辅助提升机；9—顶舱控制柜；10—底座；11—机舱罩；12—塔架