变浆距双馈型风力发电机组的结构和原理-訾恒编著

第四章变浆距双馈型风力发电机组的结构和原理

概述：变浆距风力发电机是在定浆距风力发电机成功运用的基础上发展起来的机型，它的桨叶角度可以调节，以达到最佳的叶尖速比，使得风力机的风能利用率大大提高。变浆距风机相对于定浆距风机的优势是十分明显的，当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，可以使功率输出保持稳定。在风力发电机启动时需要较大的气动扭矩，也需要通过变浆系统的动作以获得足够的气动转矩。其实风机设计人员最初设计的风力发电机都是倾向于变浆距的，但是由于技术条件有限，控制系统、变浆系统不成熟，在极端条件下往往不能满足风力发电机的安全运行条件。所以变浆距风机在很长一段时间里得不到发展。

经过定浆距风机的运行实践，设计人员对风力发电机组的运行工况和各种受力状态有了更深入的了解，变浆距风机的先天优势重新进入设计人员的视线，变浆距风机的设计重新被重视起来，当前的变浆距风力发电机已经成为市场的主流，目前投入商业运行的变浆距双馈型机组有很多，但其结构和原理大同小异，其中丹麦维斯塔斯的V90系列应用较为广泛，市场占有率较高，结构也很典型。这一章将以Vestas的V90-1.8/2.0MW风机为例来学习变浆距双馈型机组的结构和原理。

4.1维斯塔斯V90-1.8/2.0MW风机的特点

维斯塔斯是进入中国市场的第一家风机供应商，拥有20%的全球市场份额，是世界风能解决方案的领先供应商。已在全球六大洲66个国家和地区安装了43,000多台风机。维斯塔斯拥有中国最大的风力发电制造厂，生产发电机、叶片、机舱、轮毂和控制系统。已经在中国三个不同的省份拥有五家风机制造工厂。维斯塔斯V80/V90-1.8/2.0MW风机是维斯塔斯公司目前的主力机型，属于桨距调节的上风向风机，配有主动偏航和三叶片风轮。V90-1.8/2.0MW风机采用了先进的叶片设计和技术，其叶片的重量与V80-2.0MW风机叶片的重量相同，但叶片的扫掠面积增加了27%。其机舱采用的是V80的设计，但齿轮箱和传动系统都有所改进，能够承受来自转子的更大的负荷。因此，V80和V90风机的主要构

造区别不大，所以我们之后的介绍以V90系列为例。

V90-1.8/2.0MW风机风机风轮直径为90米，额定功率为1.8/2.0MW。独特的OptiSpeed（最佳转速）功能（控制系统中详细介绍）可使风轮变速运转。所有的V90风机都配有独特的维斯塔斯桨距调节系统。通过该系统，叶片桨距角可不断根据当前风况调到最佳角度，从而优化了风机出力和噪声水平。

主轴通过变速箱将动力传递到发电机。变速箱为行星齿轮和斜齿轮组合变速箱。动力从变速箱通过一个免维护复合联轴器传递到发电机。发电机为专用绕线转子四极异步发电机。

在高风速时，OptiSpeed和桨距调节使功率在不同的空气温度和密度下始终保持额定出力。在低风速时，OptiTip（最佳浆距）系统和OptiSpeed通过选择最佳转速和桨距角来优化出力。

风机通过全顺桨叶片实现制动。变速箱高速轴上装有机械刹车单元。由一台基于微处理器的控制器VMP控制器（维斯塔斯多处理器控制器）监控风机的所有功能。控制系统和变压器都装在机舱内。叶片位置由液压/机械变桨系统调节，该系统可使叶片旋转95°，同时也为盘式制动器系统提供压力。在急停操作模式下，风机通过全顺桨叶片（空气动力制动装置）实现制动。

四个电动偏航齿轮使偏航小齿轮旋转，它们与装在塔架顶部带齿的大偏航环啮合。偏航轴承系统为具有内置摩擦的滑动轴承系统。

玻璃纤维增强的机舱壳为机舱内所有部件提供防雨、防雪、防尘、防晒等保护。中心开口提供从塔架到机舱的通道。机舱内有一架800kg维护用起重机，其吊重能力可以被扩大到能提升7,500kg的主要部件。

维斯塔斯V90-1.8/2.0MW的技术参数

转子直径: 90米

扫风面积: 6,362平方米

额定转速: 14.9转/分

运行范围: 9.0-14.9转/分

叶片数量: 3

功率调节: 变桨/OptiSpeed

空气制动: 通过三个独立的桨距执行机构调节的全叶片桨距

轮毂高度: 80米，95米，105米

切入风速: 3.5米/秒 2.5米/秒

额定风速: 12米/秒13米/秒

切出风速: 25米/秒25米/秒/ 21米/秒

发电机类型: 异步发电机异步发电机

额定输出: 1,800 kW 2,000 kW

运行数据: 50 Hz 690 V 50 Hz 690 V

齿轮箱类型: 行星/斜齿轮

控制类型: 微处理器监控所有风机功能,备选远程监控。输出调节及优化通过OptiSpeed和OptiTip® 桨距调节实现。

机舱重量：68 t

叶轮重量：38 t

轮毂高度：

80米150 t 150 t -

95米200 t - 200 t

105米- - 225 t

机舱配置如图1所示。

图1 机械结构

1. 基架1

2. 偏航齿轮

2. 主轴1

3. 偏航环

3. 风轮轮毂1

4. 偏航控制

4. 叶片1

5. VMP顶部控制器

5. 叶片轴承1

6. VMP轮毂控制器

6. 变速箱1

7. 变压器

7. 转矩臂18. 发电机冷却器

8. 盘式制动器19. 变速箱冷却器

9. 发电机20. 变桨液压缸

10. 复合联轴器21. 起重机

11. 液压单元

4.2维斯塔斯V90-1.8/2.0MW风机的结构

㈠风轮

概述:上一章我们已经学习了定浆距风力机的风轮构成，变浆距风机的风轮和定浆距风机的风轮主体机构是相似的，区别是变浆距风机的桨叶的迎角是可以调节的，因此轮毂上应该装有变浆轴承、变浆执行机构和变浆控制系统。

①桨叶

维斯塔斯在叶片设计方面具有优势，其叶片重量一直是最轻的。V90风机在这一方面实现了新的突破。其叶片是由玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维组成。每个叶片包含两个叶片外壳，粘合到一个支撑梁上。V90新型叶片采用了几种轻质材料，特别是承重翼梁采用了碳纤维材料。碳纤维不仅比以前叶片中的玻璃纤维轻，而且强度大、刚度好，可显著减少材料用量。虽然V90风机的扫风面积比V80多27%，但其叶片重量实际上与较短的V80叶片基本相同。V90叶片的外形就空气动力学而言比以往的风机更优越。通过优化总负荷对风机的影响与年发电量之间的关系，维斯塔斯研发出了具有全新的平面外形和曲线形后缘的翼型。V90叶片的翼面不仅提高了风机效率，同时降低了叶片前缘对尘土的敏感度，优化了连续翼面厚度之间的几何关系。桨叶上装有接闪器，防止雷电损坏桨叶。

②轮毂和变浆轴承

变浆距轮毂为铸造结构，叶片与轮毂的连接部分装有用来调节叶片桨距的轴承，在轮毂内还装有浆距调节的执行机构和控制系统，其它部分和金风系列相似不再累述。变浆轴承是一个四点球轴承，带有内外密封，用螺栓连接到风轮轮毂上。专用螺纹插件将叶片与变浆轴承连接起来。对于电机驱动的齿轮式变浆机组，轴承会带有内齿，和变浆减速器齿轮咬合，实现变浆。此外金风直驱式机组采用