风力发电机组原理与应用

传动系统-齿轮箱
• 配有高效率的润滑和风冷系统,保证齿轮箱良好的运 行状态及使用寿命。 • 在齿轮箱的在线过滤装置外另设计离线过滤装置作为 辅助过滤系统选配。能延长换油周期一至两年，大大 节约业主维护成本及维护工作量。
传动系统-联轴器
• 传动链后端通过联轴器将齿轮箱与发电机相连。 • 联轴器采用德国CENTA连杆式联轴器。对装配误差 有极佳的容错性。同时对运动过程中的振动有良好 的抗震纠错能力 • 联轴器配有打滑装置，在转速及载荷突然变化的情 况下发挥作用，保护齿轮箱。
基础：
四、TD-1500风力发电机组部件组成
TD-1500风力发电机组部件系统
• • • • • • • • 1、风轮系统 2、传动系统 3、发电系统 4、底架及偏航系统 5、润滑系统 6、刹车系统 7、温控系统 8、塔架系统
风轮系统-轮毂
• 轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置，它将风轮 的力和力矩传递到主传动机构中。 • 承载叶片的轮毂采用球型三通形式，有良好的制造及安 装性能。
风轮系统-变桨轴承
• 变桨轴承为双排四点接触球轴承，有足够 的刚度和可靠性，保证变桨的平顺性。 • 配有专用集中润滑系统，定期自动对轴承 和齿面进行润滑，提高系统使用寿命。
风轮系统-变桨控制
• 每个叶片有单 独的变桨控制 ，保证足够的 安全性及制动 可靠性。单独 配对的变桨电 池保证断电时 仍可以有效制 动，提高了安 全性。
底架及偏航系统
• 偏航系统由偏航减速器、偏航轴承、偏航 制动器及偏航解缆装置组成。 • 偏航系统通过检测风信息，使风机始终对 着主风向，充分捕捉风能，提高发电机组 的发电效率。解缆装置防止电缆连续扭转 发生损伤。
润滑系统
• 润滑系统包括主轴润滑、变桨润滑及偏航润滑系统。 • 通过选择润滑性能优秀及符合项目当地使用环境及工况的 润滑油，保证机械系统工作极少磨损提高效率。 • 润滑系统配有自动润滑，定时自动给系统加油，保证及时 充分的润滑效果，减少维护工作量。 • 充分考虑废油回收，给每个润滑点设计单独的废油回收装 置，保证不外泄，不污染环境。
二、有关风力发电机组的基本概念及分类
原理：是将风的动能转换为电能的系统
类型：永磁直驱与双馈异步
双馈风力发电机与直驱风力发电机的主要 区别是有无齿轮箱的使用。 双馈机组有齿轮箱，但是变流器是部分 功率逆变； 直驱机组无齿轮箱，是全功率逆变的。
永磁直驱优点：
（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； （2）发电机与电网之间采用全功率变流器，发电机与电网之 间的相互影响减小； （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）可以实现对电网有功、无功功率的灵活控制； （7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。
风力发电机组原理与应用
江苏九鼎天地风能有限公司 二0一四年四月
主要内容：
一、天地风能风力发电机组发展历史 二、有关风力发电机组的基本概念及分类 三、风力发电机组构成 四、TD-1500风力发电机组部件介绍 五、TD-1500风力发电机组优异特点小结
一、天地风能风力发电机组发展历史
2008年6月，天地风能研发中心在上海科技创业中心成立； 2009年3月9日，首台TD77-1500风机进入总装阶段； 2009年7月28日，样机下线； 2009年10月1日，样机以250KW限功率试运行； 2010年1月初，完成1000小时无故障运行联合验收，取得业主 “TD77-1.5MW风机在运行中与同类产品相比较已经处于领先水 平”的评价；
三、风力发电机组构成
一般的风电机组的基本结构包括：
风轮、机舱、塔架、基础。
风轮：包括叶片、轮 毂、变桨系统等
机舱：
发 电 机
联 轴 器
主
控 系 统
齿 轮 箱
主 轴 与 主 轴 承
变 桨 系 统
ห้องสมุดไป่ตู้
轮 毂
温 控 系 统
液 压 系 统
制 动 系 统
底 架
偏 航 系 统
防 雷 系 统
润 滑 系 统
塔架：
风轮系统-叶片
• 风机叶片采用德国翼型设计技术，玻璃纤维 复合材料制造,最宽弦长达3.1米。 • 优异的翼型可以使风能利用系数达到0.49.
风轮系统-变桨
• 变桨系统作用是风速超过额 定风速时，改变迎风角度来 控制稳定的功率输出；同时 在风机故障或风速过高时顺 桨保护风机。
• 变桨系统由变桨控制柜控制 变桨电机转动，带动变桨减 速箱，通过齿轮传动带动变 桨轴承转动，从而带动叶片 变桨。
机舱温控系统
• 机舱温控系统对机舱内的温度进行自动控制，保证机 舱温度处于各部件的工作温度范围。 • 强效的抽风系统能对机舱温度过高时，进行有效冷却 。 • 科学的加热器分布设计，保证机舱内各重点区域的充 分加热。
塔架系统
• 三段式圆筒设计，保证运输便利性及制作工 艺性。 • 精确的塔筒固有频率计算，保证与传动链固 有频率足够的偏差，杜绝共振产生的可能性 。 • 塔筒采用Q345-E焊接而成，拥有优良的焊接 性能与足够的强度，同时在低温环境下有足 够的冲击韧性。
传动系统-支撑方式
• 天地风能TD77-1500传动链主体采用经典的三点 悬浮式支撑方式。前端采用球面双列滚柱可调 心轴承支撑，可承受较强轴向载荷，且可减弱 传动链弯矩对轴承、齿轮箱的影响，后端齿轮 箱通过两弹性支撑支撑，可大大减小对齿轮箱 ，包括主轴、轴承的冲击。
传动系统-主轴
• 主轴安装在风轮和齿轮箱之间，前端通过 螺栓与轮毂刚性连接，后端与齿轮箱低速 轴连接，承力大且复杂。
5.3超低温运行
• 环境温度为-35℃时，仍能够继续安全运行。 • 创新点：
– 低温材质。 – 耐低温油品油脂。 – 灵敏的温控系统，优化加热系统、低温启动运行参 数，极端低温能生存，超低温能发电。 – 优化的结构设计，减少大温差范围胀差影响。 – 以5万KW的风电场为例，与目前运行温度为-30℃的 同类风机相比，单日可增加发电收入40万元。
发电系统-发电机与变频器
• 发电机采用绕线式转子双馈，其定子并网，转子 由变频器提供三相滑差频率进行交流励磁。 • 发电系统能根据电网情况为电网提供无功输出。 • 变流器使电源系统的电压、频率、相数和其他电 量或特性发生变化的电器设备。 • 发电系统具有低电压穿越的扩展能力。
底架及偏航系统
• 底架上承载着风轮系统及传动系统，是整个机舱与风轮的 基座。风轮传递过来的载荷，通过底架传递到塔筒。 • 底架由Q345-E材料焊接而成，生产周期短，拥有较好的强 度及可焊接性，以及不错的低温韧性，在低温下有良好的 耐冲击性能。
5.4电网友好
• 风机具有有功无功调节和低电压穿越能力，确保电网发生波动 时风机不解列； • 拥有风功率预测系统，能够完成风电场48小时内的短期功率预 测和15分钟至4小时的超短期功率预测； • 集中优化配置有功功率和无功功率控制系统，实现风机的远程 调节控制。 • 创新点 低电压穿越 产能预报 灵敏的传感器 高效的通讯方式
双馈异步缺点：
（1）双馈式风力发电机组低风速下的风轮机转速也很低， 直接用风轮机带动双馈电机转子将满足不了双馈发电机对 转子转速的要求，必须引入齿轮箱升速后，再同双馈发电 机转子连接进行发电。然而齿轮箱成本很高，且易出现故 障，需要经常维护，可靠性差；同时齿轮箱也是风力发电 系统产生噪声污染的一个主要因素。 （2）当低负荷运行时，效率低。 （3）电机转子绕组带有滑环、碳刷，增加维护和故障率。 （4）控制系统结构复杂。
液压系统
• 液压系统给偏航刹车及高速轴刹车提供动 力。 • 液压系统采用高性能HAWE液压站，满足液 压动力需求、准确迅速的压力响应及较低 的故障率。
刹车系统
• 刹车系统分为气动、机械刹车及手动锁紧。满足GL设计规 范，几种刹车形式配合使用，满足更高安全性的需要。 • 气动刹车：风机停机时叶片顺桨。 • 机械刹车：机组紧急停机时，叶片气动刹车后，待风轮转 速降到一定速度时，高速轴制动器通过液压系统给力抱死 刹车盘，机组平稳停机。 • 手动锁紧：风轮内部维护时，在气动刹车、机械刹车都实 施的前提下，插上主轴锁销，保证在风轮内人员的安全。
5.2 高可靠性
• 风机经受了近一个月连续满负荷运行的考验（ 962798kwh），电机、变频、齿轮箱、变桨系统 工作可靠，无异常响声； • 在瞬态风达到30米/秒和风向极不稳定的条件下 ，机舱整体无异常振动； • 风机经受住了在较大风速、阵风和风向多变条件 的考验； • 关键部件疲劳寿命均高于20年； • 风机可利用率达97%。
风轮系统-轮毂
• 轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置，它将风轮 的力和力矩传递到主传动机构中。 • 承载叶片的轮毂采用球型三通形式，有良好的制造及安 装性能。
风轮系统-轮毂
• 轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置，它将风轮 的力和力矩传递到主传动机构中。 • 承载叶片的轮毂采用球型三通形式，有良好的制造及安 装性能。
2010年12月30日，样机单日最高发电量37005kwh； 2010年4月29日，机组设计取得中国船级社评估认证证 书； 2010年度，机组设计进行了近200项的优化改进； 2010年底，公司完成了小批量生产，机组在内蒙古赤 峰全部并网运行。 2012年度，公司完成了小批量生产，机组在新疆哈密 全部并网运行。 2013年度，公司在哈密地区，投资建成生产设备厂。
TD-1500机组实际运行优势

高发电效率


高可靠性
超低温运行


电网友好
抗沙尘抗雷暴
操作简便
易维护
5.1 高发电效率
– 额定风速低：10.8m/s；气温低于-10℃时，仅 为9.6m/s。 – 满载范围宽：9.6m/s-25m/s，单日最高发电量 达37005KWh。 – 创新点：
• 宽幅叶片设计。叶片扫风面积较同类叶片多6%，发 电量较同类风机增加10%； • 精致的系统集成； • 卓越的控制策略。
双馈异步优点：
（1）双馈感应发电机可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，
在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的 运行效率，延长了机组的使用寿命。 （2）简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更 加灵活、方便，提高了机组运行效率。 （3）通过交流励磁使发电机吸收更多无功功率，参与电网的无功功率 调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与 稳定性。 （4）双馈感应发电机通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定 子输出电压，使其满足并网要求，实现安全快速的“柔性”并网操作。 （5）需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体 积减小，成本降低，投资减少。
永磁直驱缺点：
（1）采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，成 本高。由于运输问题，电机的直径不能超过4m，随着机组 容量的增大，给电机设计、加工制造带来困难。 （2）定子绕组绝缘等级要求较高。 （3）采用全容量逆变装置，功率变换器设备投资大，增 加控制系统成本。 （4）由于结构简化，使机舱重心前倾，设计和控制上难 度加大。
塔架系统
• 各段塔筒间通过L型，高强度合金钢环锻法 兰及高强度螺栓连接，保证足够可靠的连 接强度。 • 塔筒顶部直径2550mm，底部4200mm，总重 量108t，总高度63m。
五、TD-1500风力发电机组优异特点小结
TD-1500机组技术设计优点
轮毂的仰角、锥角以及刚性叶片的应用，使机组 重心接近塔架中心 变速运行，恒频输出 高可靠性的齿轮箱 优化的控制策略，有效的降低了机组的疲劳和极 限载荷 基于载荷计算的设计方案，运行平稳可靠 完善的低电压穿越能力 采用冗余设计、UPS电源与软刹车技术，具有更高 的安全性 优异的叶片翼型设计，转换效率高 采用软并网、软启动技术，延长风机使用寿命
传动系统-轴承座
• 与主轴与轴承配套的轴承座采用与轮毂相 同的QT350或QT400材料，拥有良好吸收冲 击及抗震性能。 • 良好的润滑油路及腔室设计以及耐久的密 封机构设计保证轴承的使用寿命大大延长 。
传动系统-齿轮箱
• 除了直驱式风力发电机组外，其他型式的 机组都要应用齿轮箱，齿轮箱是通过齿轮 副进行动力传输的。传动比1:100。