风力发电机的构成及安全保障措施

（1）风力发电机组 风力发电机组一般由叶片（集风装置）、发电机（包括传动装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。图5-32为风力发电机组的结构示意图。

图5-32 风力发电机组的结构示意图

叶片是集风装置，它把流动空气具有的动能转变为叶片旋转的机械能。一般风力发电由两个或三个叶片构成。叶片在风的作用下，产生阻力和升力，设计优良的叶片可以产生大的升力和小的阻力。

风力发电机目前有直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机三种。小功率风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的电流通过整流装置转换成直流电。与直流发电机相比，同步发电机效率高，而且在低风速下比直流发电机发出的电能多，能适应比较宽的风速范围，缺点是成本较高。

调向器的作用是尽量使风力发电机的叶片随时都迎着风向，从而最大限度地获取风能。除了下风式风力发电机外，一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制叶片的迎风方向的。

限速安全机构用来保证风力发电机的安全运行。叶片转速和功率随风速的提高而增加，风速过高会导致叶片转速过高和发电机超负荷，从而危及风力发电机的安全运行。

塔架是风力发电机的支撑机构，也是风力发电机的重要部件。

目前，风力发电系统在应用上分为并网风电系统和独立风电系统两类。

并网风电系统的风电机组直接与电网相连接。由于涡轮风机的转速随着外来风速改变，不能保持一个恒定的发电频率，因而需要有一套交流变频系统相配套，将涡轮风机产生的电力转变为交流电网频率的交流电后再进入电网。由于风电输出功率的不稳定性，电网系统内还需要配置一定的备用负荷。

独立风电系统主要建造在电网不易到达的边远地区。同样，由于风力发电机输出功率的不稳定和随机性，需要配置储能装置，在风力发电机组不能提供足够的电力时，为照明、广播通信、医疗设施等提供应急电力。目前蓄电池是风力发电机采用的最为普遍的储能装置。风力发电机组在为用电装置提供电力的同时，将过剩的电力通过逆变器转换成直流电，向蓄电池充电；在风力发电机电力不足时，储存在蓄电池内的电能通过逆变器将直流电转变为交流电后再向用电负荷供电。因此，独立的风电系统由风力发电机、逆变器和蓄电池三部分组成。另外，还有一种独立风电系统是混合型风电系统，除了风力发电机外，还带有一套备用的发电系统，通常采用柴油机。在风力发电机不能提供足够的电力时，柴油机投入运行。

（2）定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组 并网型风力发电机组从20世纪80年代中期开始，逐步实现了商业化和产业化，目前主要分为定桨距风电机组和变桨距风电机组两种。(www.xing528.com)

定桨距风力发电机组的主要结构特点是桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能迎风变化。因此，定桨距风电机组必须解决两个问题：

一是当风速高于叶轮的设计点风速即额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，以免超过材料的物理性能极限。桨叶的这一特性被当成自动失速控制。二是运行中的风电机组在突然失去电网负荷（突甩负荷）的情况下，桨叶必须具备制动能力，使机组能够在大风情况下安全停机。早期的定桨距风电机组风轮并不具备制动能力，脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械制动装置制动，这对于大型风电机组的整体结构强度造成严重影响。20世纪70年代，用玻璃钢复合材料成功研制了失速性能好的风力机桨叶，解决了定桨距风电机组在大风时的功率控制问题；80年代又将尖叶扰流器应用在风电机组上，解决了突甩负荷情况下的安全停机问题，使定桨距（失速型）风电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位。最新推出的兆瓦级风电机组仍有机型采用该项技术。

变桨距风力发电机是指整个叶片绕叶片中心旋转，使叶片攻角在一定范围内（一般为0°～90°）变化，以便调节输出功率不超过设计允许值。与定桨距风电机组相比，变桨距风电机组具有如下优点：

一是在额定功率点以上输出功率平稳。当功率在额定功率点以下时，控制器将叶片节距角置于0°附近，不作变化，相当于定桨距风电机组；当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。二是在额定点具有较高的风能利用系数。在相同的额定功率点，变桨距机组的额定风速比定桨距机组要低。定桨距风电机组一般在低风速段的风能利用系数较高，在风速过了额定点后风能利用系数开始大幅下降，因为此时桨叶已开始失速，风速升高，功率反而下降。而由于变桨距风电机组的桨叶节距可以控制，无须担心风速超过额定点后的功率控制问题，使得额定功率点仍然具有较高的功率系数。三是可以确保高风速段的额定功率。由于变桨距风电机组的桨叶节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的，不受气流密度变化的影响。无论由于温度变化还是海拔引起空气密度变化，变桨距系统都能通过调整叶片角度使之获得额定功率输出，保证较高的发电量。与功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨距风电机组相比，具有明显的优越性。四是起动与制动性能好。变桨距风电机组在低风速时，桨叶节距可以转动到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩。在变桨距风电机组上，一般不再设计电动机起动的程序。当风电机组需要脱离电网时，变桨距系统可以转动叶片使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至零，使发电机与电网脱开时，没有转矩作用于风电机组，避免了在定桨距风电机组每次脱网时所要经历的突甩负荷的过程。

变桨距风力发电机组比较适于高原空气密度低的地区运行，避免了当失速安装角确定后，有可能夏季发电低而冬季又超发的问题。变桨距风电机组适合于额定风速以上风速较多的地区，这样发电量的提高比较显著。从今后的发展趋势看，大型风电机组将会普遍采用变桨距技术。

（3）变速运行风电机组与恒速运行风电机组 目前市场上的恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构（4极/6极）的异步发电机，双速运行。在高风速段，发电机运行在较高转速上，4极电机工作；在低风速段，发电机运行在较低转速上，6极电机工作。也有如西班牙的生态技术公司那样，采用两个容量相同的异步发电机的恒速风力发电机。恒速运行的风力机的好处是控制简单，可靠性好，一般单机容量为600～750kW的风电机组多采用恒速运行方式。恒速运行的缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力机经常工作在风能利用系数较低的点上，风能得不到充分利用。

变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极同步发电机。双馈电机的转子侧通过功率转换器（一般为双PWM交直流型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/3，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。多极同步发电机的定子则通过功率变换器连接到电网，该功率变换器的容量要大于等于发电机的容量。

变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖比较接近最佳值，从而最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率。在德国2004年上半年所安装的风电机组中有90.5%的风电机组采用了变速运行方式。

无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大。齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪声，更是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了发电机的设计成本，但却有效地提高了系统的效率以及运行的可靠性。

（4）风电并网技术 风力发电能够顺利并入一个国家或地区电网的电量主要取决于电力系统对供电波动反应的能力。变化不定的风力给电网带来的问题远比怀疑论者估计的低。很多涉及现代欧洲电网系统的评估表明，电网系统中风电容量占20%并不存在技术问题。但是，当大规模的风电并入电网以后，风电与电网之间的相互影响及相互作用规律还需要进一步研究。