风力发电机的简介

浅析风力发电机组

一．引言

随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。

二．风力发电机组的分类

（1）风力发电机组类型按容量分

容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW 为大型机组 ,大于10000kW 为特大型机组。

（2）风力发电机组类型按风轮轴方向分

水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。

垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。 （3）风力发电机组类型按功率调节方式分

定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变， 风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。

变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。

主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。 （4）风力发电机组类型按传动形式分

高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、 齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。 齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。

直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱， 风

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力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。

中传动比齿轮箱（“半直驱”）型机组：采用一级行星齿轮副，其增速比约为高传动比齿轮副的 1/10，因而减少了多极同步风力发电机的极数和体积。 （5）风力发电机组类型按转速变化分 定速机组： 转速恒定不变，不随风速变化。

多态定速机组： 包含两台不同转速和容量的发电机，可根据风速的变化，选投其中一台运行。

变速机组： 发电机转速随风速变化。

三．典型风力发电机的结构特点

风电机组并网发电时，必须保证输出电能的频率与电网频率一致，即频率恒定。恒速恒频技术是指，不管风速怎样变化，保持发电机转速(风轮转速)不变，以输出恒频的电能。由于结构简单、技术可靠，恒速恒频技术被广泛应用于中小型风电机组，而大型风电机组正逐步过渡到采用变速恒频技术。

图1 变桨距主动偏航风力发电机组机舱构成

变速恒频技术是指发电机转速(风轮转速)随风速变化而改变，然后通过电力电子控制方法得到固定频率的电能。变速恒频风电机组的运行特点是风轮和发电机转速可以在很大范围内变化而不会影响输出电能的频率，这样，可调节风力机的尖速比始终处于最佳值，从而最大限度的利用风能。面对现代风力发电系统不断向大型化和变速变桨矩方向发展的要求，当今风电行业普遍采用的是变速恒频的发电技术。目前，大型机组常用的变速恒频方案有两种，即双馈异步发电机组成的变速恒频系统和永磁同步发电机组成的变速恒频系统。

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3.1双馈异步风力发电机

? 双馈异步风力发电机的结构及其原理

双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈异步风力发电机也称作变速恒频发电系统（如图2），其风力机可变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风力机的风能利用系数Cp得到优化,获得高的利用率，并实现发电机较平滑的电功率输出。

图2 双馈异步发电机变速恒频风力发电系统原理图

双馈异步发电机的定子结构与异步风力发电机相同，但转子中带有集电环和电刷，转子侧可加入交流励磁，既能输入电能也可输出电能。其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一个频率、相位、幅值可调的 AC-AC 或 AC-DC-AC 变流器提供低频励磁电源，实现恒频输出。其风力发电系统工作原理见图2。当转子绕组通过低频励磁电流时，转子中形成一个低频旋转磁场，该磁场的旋转速度 n2 与转子的机械转速 n1 叠加等于定子的同步转速 ne，即 n1 ±n2 =ne，在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速 n1 随之变化，在 n1 变化的同时，相应改变转子励磁电流的频率和旋转磁场的速度 n2，以补偿转子机械转速 n1 的变化，从而达到变速恒频发电的目的。 ? 双馈异步发电机的运行方式

根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈发电机三种运行方式： 1）亚同步运行状态：在此种状态下发电机本身旋转速度n<转速），由通入交流电流此n+

（通入50Hz交流电同步

的电流产生的旋转磁场转速与转子的旋转转速方向相同，因

=。

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2）超同步运行状态。：此种状态n>其所产生的旋转磁场转速

，改变通入转子绕组的频率为

=

的电流相序，侧为了实现

的转

的转向与转子的转向相反，因此有n-

向相反，在有亚同步运行转向超同步运行时，转子三相绕组必须能自动改变其相序；反之，也是一样。

3）同步运行状态：此种状态下 n=

，通入交流频率

=0，这表明通入转子绕组的

电流的频率为0，也即是直流电流，此时与普通的发电机一样。 ? 双馈异步发电机的特点

双馈式风力发电机组具有以下特点：

1.技术成熟、质量可靠。自工业化革命以来，齿轮传动已经成为技术最成熟、最主流的传动方式，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、钟表等工业和生活领域。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈机组采用的大功率大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始应用，其在风电中的故障率已低于电气系统和发电机系统。叶轮+齿轮箱+发电机的传动链结构简单，各类载荷分配合理，整体质量可靠性高。

2.效率高、性价比优。该技术有效分配了机械传动系统和发电系统的参数配置，通过高速比齿轮箱提高电机转速，大幅提高发电机效率。同时该机型仅有占额定功率1/5～1/3的转差功率通过变流器，变流器的能量损失小。整机效率高、性价比优。

3.可维护性好。双馈式风力发电机组一般采用叶片+轮毂+齿轮箱+联轴器+发电机的传动结构，这种结构各主要部件相对独立，可以分别进行维护和维修。现场维修容易，时间响应及时。

4.电能质量好，低电压穿越能力强。双馈式风力发电机组采用双馈式感应电机和部分功率变流技术，发出的70%以上的电能通过定子输送到电网，产生的谐波小、电能质量好。同时，该技术具有功率因数可调、有功功率和无功功率控制方便，低电压穿越性能好等特点，可实现电网友好型接入。 ? 双馈异步发电机的市场应用

双馈异步发电机通过控制励磁电流的幅值和相位，实现发电机有功和无功功率的独立调节，无需附加无功补偿设备。由于变流器供给的转差功率容量一般不超过发电机额定功率的 30%，使变流器的成本及控制难度大大降低，故此类风力发电机适合用于大型变速恒频风电系统。

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全球权威风能产业研究机构BTM最新发布的2009年全球风电产业报告显示，2009年全球新增风电装机1380万千瓦，在已装机的风力发电机组中，86%的风力发电机组采用带齿轮箱的风力发电机组。在全球前十大风电设备生产企业中，有VESTAS、GE WIND、华锐风电、GAMESA、东汽、SUZLON、SIEMENS、REPOWER等八家企业采用齿轮箱技术。在直驱风电产品中，约8.5%的机组采用电励磁直驱方式，而永磁直驱不足5%。目前，全球已并网运行的800多台海上风力发电机组，全部采用带齿轮箱的传动形式。

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从目前国内的情况来看，带齿轮箱机组变桨变速双馈式风力发电机组的装机容量比例最大，代表厂家包括华锐风电、东汽、国电联合动力、明阳、上海电气和北重等，市场份额超过80%;直驱式变桨变速型风机也有一定装机容量，代表厂家包括金风科技、湘电风能等。

风力发电机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、及时而低成本的维修将是市场选择的最重要标准。带齿轮箱机组技术已经在过去的十多年中成为大型风力发电机组的主流技术;永磁直驱技术目前尚未得到市场长时间的运营检验。从我国目前情况来看，带齿轮箱机组占据风电技术的主流地位。

2.2直驱式永磁发电机

一些企业认为齿轮箱是故障较高的部件，采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组可靠性，降低故障率，提高风电机组寿命，因此，这些企业看好直驱机组未来发展潜力和市场需求，使得拥有直驱风电机组生产技术的厂商数量在逐渐增加，包括Enercon、金风科技、西门子、GE、湘电风能、航天万源和东方电机等。 ? 直驱式永磁发电机的结构及其原理

直驱永磁风力发电系统主要包括桨距控制式风力机、永磁同步发电机、背靠背全功率变频器以及控制系统等四大部分，其基本结构如图3所示。其中背靠背全功率变频器系统又可以分为：发电机侧变频器（generator-side converter ）、直流环节（DC-link）和电网侧变频器（grid-side converter）。桨距控制式风力机和永磁同步发电机直接耦合，发电机的输出经发电机侧变频器整流后由电容支撑，再经电网侧变频器将能量馈送给电网。

图3 直驱永磁发电机组结构图

直驱永磁发电机的功能：将机械能转变为电能；控制器的功能：将三相交流电整流、稳压为电压恒定的直流电；逆变器的功能：将直流电逆变为三相200V50HZ的正弦交流电。 直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，

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将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。

? 直驱式永磁风力发电机的特点

永磁同步发电机的定子结构与一般同步发电机相同，转子采用永磁结构，无励磁绕组及滑环碳刷。发电机轴直接连到风力机轴上，转子的转速随风速变化。由于发电机为直接驱动结构，省去了齿轮箱，系统运行噪声低、可靠性高。但是直接耦合的永磁发电机转速很低，发电机极数多、体积大、制造成本高。

直驱式永磁风力发电机具有一下特点：

（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率； （2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率； （3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音； （4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本； （5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率； （6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿； （7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

在直驱式永磁风力发电机的结构上还有一个重要的特点，那就是绕组的槽数与磁极数不成整数关系，这是因为当所有磁极与槽数整齐对应时，磁力线有最短磁路，转子与定子间的强大吸引力会使发电机起动非常困难。而且叶轮轴直接与发电机轴相连，电力并不稳定，通过整流器，滤波器和逆变器一些列设备将电能输送电网，但是期间为了保证质量较高较稳定的电能输出，逆变器起到了及其关键的作用，同时，逆变器的高昂价格也成为制约直驱式永磁风力发电机在风力发电应用的一个主要因素。 ? 直驱式永磁风力发电机的市场应用

近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。但是昂贵的永磁材料价格和后续维护的难度也或许令一些企业望而却步，我们也或许现在无法定论直驱永磁技术和双馈感应技术的孰高孰低。但是，直驱永磁发电机组具有的效率高，运行可靠，维护量小，对电网冲击小，风速适应范围宽，控制简单，有功和无功功率调节灵活的优点却是无可争议的。

直驱式永磁风力发电机运行时，全部功率经 AC-DC-AC 变换，故与双馈异步发电机相比，其变流器容量要大得多。但全容量的变流器更容易维持低电压运行，满足电网对风电并网日

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益严格的要求。在大功率变流装置技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用永磁同步发电机。

四．风力发电机组的维护和运行故障 4.1风力发电机组的维护

风机维护可分为定期检修和日常排故维护两种方式。 ? 风机的定期检修维护

定期的维护保养可以让设备保持最佳期的状态，并延长风机的使用寿命。定期检修维护工作的主要内容有：风机联接件之间的螺栓力矩检查（包括电气连接），各传动部件之间的润滑和各项功能测试。其中功能测试主要有过速测试，紧急停机测试，液压系统各元件定值测试，振动开关测试，扭缆开关测试。还可以对控制器的极限定值进行一些常规测试。定期维护除以上三大项以外，还要检查液压油位，各传感器有无损坏，传感器的电源是否可靠工作，闸片及闸盘的磨损情况等方面。 ? 风机的日常排故维护

风机在运行当中，也会出现一些故障必须到现场去处理，这样我们就可顺便进行一下常规维护。首先要仔细观察风机内的安全平台和梯子是否牢固，有无连接螺栓松动，控制柜内有无糊味，电缆线有无位移，扭偏航齿的润滑是否干枯变质，偏航齿轮箱、液压油及齿轮箱油位是否正常，液压站的表计压力是否正常，转动部件与旋转部件之间有无磨损，看各油管接头有无渗漏，齿轮油及液压油的滤清器的指示是否在正常位置等。第二是听，听一下控制柜里是否有放电的声音，有声音就可能是有接线端子松动，或接触不良，须仔细检查，听偏航时的声音是否正常，有无干磨的声响，听发电机轴承有无异响，听齿轮箱有无异响，听闸盘与闸垫之间有无异响，听叶片的切风声音是否正常。第三，清理干净自己的工作现场，并将液压站各元件及管接头擦净，以便于今后观察有无泄漏。

下面列举了一些需要定期检查的项目：

1.每隔三个月检查发电机驱动轴和发电机输出轴的连接情况（误差为0.5mm）。

2. 每隔三个月检查固定发电机的螺栓，防止因螺栓不紧固带来的传动的误差及噪音污染。 3. 每隔一年为风力发电机组更换润滑油使发电机可以顺畅平稳工作。 4. 每隔半年清理发电机防止户外风沙或污染使发电机组内部部件工作更平稳。 5.每隔一年清空润滑圈，同时目测润滑油是否泄漏并尽量除去泄漏的润滑油。 6.风电机重要安全控制系统，要定期检测试验。检测试验只限于熟悉设备和操作的专责人员操作。

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7.每年对接地电阻测试一次，要考虑季节因素影响保证其不大于规定的接地电阻值。 8.每年远程控制系统通信信道测试进行一次。信噪比、传输电平、传输速率技术指标应达到额定值。

4.2风力发电机组的运行故障

风力发电机组的控制系统是采用工业微处理器进行控制，一般都由多个CPU并列运行，其自身的抗干扰能力强，并且通过通信线路与计算机相连，可进行远程控制，这大大降低了运行的工作量。所以风机的运行工作就是进行远程故障排除和运行数据统计分析及故障原因分析。

1．远程故障排除

风机的大部分故障都可以进行远程复位控制和自动复位控制。为了进行双向保护，风机设置了多重保护故障，如电网电压高、低，电网频率高、低等，这些故障是可自动复位的。由于风能的不可控制性，所以过风速的极限值也可自动复位。还有温度的限定值也可自动复位，如发电机温度高，齿轮箱温度高、低，环境温度低等。风机的过负荷故障也是可自动复位的。

2．运行数据统计分析

对风电场设备在运行中发生的情况进行详细的统计分析是风电场管理的一项重要内容。通过运行数据的统计分析，可对运行维护工作进行考核量化，也可对风电场的设计，风资源的评估，设备选型提供有效的理论依据。

3．故障原因分析

我们通过对风机各种故障深入的分析，可以减少排除故障的时间或防止多发性故障的发生次数，减少停机时间，提高设备完好率和可利用率。

五．总结

风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的基础和保障。风力发电是一个集计算机技术、空气动力学、结构力学和材料科学等综合性学科的技术。 随着风电技术的持续改进和机组制造成本的不断降低， 风电的市场竞争力将逐渐提升，风电的发展前景广阔。通过对机械创新设计这门课程的学习和在国电联合动力的实践参观，我更加深刻的了解了风电设备的一些基本知识，更看到了风电这个新兴产业的蓬勃发展。

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