兆瓦风机原理及介绍

• 四、叶片数量
•
◆单叶片
◆双叶片
◆三叶片
◆多叶片
风力机的分类
• 叶片的数量由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、 美学要求等等。大型风力发电机可由1、2或者3片叶片构成。叶片较少的风力 发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。而如果叶 片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流，从 美学角度上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。
偏航系统
序 号
名称
数 量
单重（Kg) 总重（Kg)
1
偏航编码器装 配
1
3.09
3.09
2 偏航编码齿轮 1
0.27
0.27
3
偏航编码器支 架
1
2.41
2.41
4 偏航制动盘 1 1617.71 1617.71
5 制动器支座 1 1768.18 1768.18
6
偏航驱动
4
550
2200
7
偏航轴承
1
1416
风机主轴
• 材料:42CrMo4+QT (常温)
•
34CrNiMo6+QT (低温)
• 重量:8040 kg
风机齿轮箱
• 类型
三级齿轮箱(2级行星齿轮和1
级直齿轮)
• 额定功率时效率
>0.965
• 额定功率 (输入)
1663 kW
• 额定转矩 (输入） 912.5 kNm
• 齿轮箱传动比
100.74/100.48
•
◆水平轴风力机
◆垂直轴风力机
• 二、桨叶受力方式
•
◆升力型风力机
◆阻力型风力机
• 三、风机接受风的方向
•
◆上风向
◆下风向
• 水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向 之分；风轮在塔架的前面迎风旋转, 叫做上风向风力机。风轮安装在 塔架的下风位置的, 则称为下风向风力机。上风向风力机必须有某种 调向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向, 从 而免除了调向装置。但对于下风向风力机, 由于一部分空气通过塔架 后再吹向风轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效 应, 使性能有所降低。
• NHCE-900盘式制动器为主动式、 自定位盘式制动器，也就是通过液 压油的压力来制动的。
高速轴联轴器
• 联轴器功能： • 连接齿轮箱输出轴与发电机轴； • 补偿两平行性偏差和角度误差； • 转矩限制； • 防止寄生电流通过联轴器从发电机
转子流向齿轮箱；
风机变频器
• 专为双馈式风力发电机设计的。功能：通过控制转子对发电机激磁， 在指定的范围内将发电机与电网同步，并网/脱网操作；产生所需要 的转矩/功率；产生所需要的无功功率。
风机塔筒
第三塔架 第二塔架 第一塔架
风机轮毂及变桨系统
风机传动链
• 传动链特点： • 双轴承支撑的锻压主轴、三级增速齿轮箱、双馈式异步发电机。 • 齿轮箱不承担转子重量和推力，只承担扭矩(齿轮箱悬挂在传动轴上) ，可靠
性大大提高。 • 发电机的独立壳体安装在主体结构上。 • 发电机壳体不承受转子负载。 • 转子负载不对齿轮箱产生冲击。 • 机舱布局宽敞，检修、维护方便。
风力机将主要向兆瓦级大机组发展
现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个
高度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科
学以及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯等各方面知识 为一体的复杂的机电能量转换系统。
风力机分类
• 一、旋转主轴方向（即主轴与地面相对位置）
用于大容量机型。
• 八、按发电机类型
•
◆异步发电机型
◆同步发电机型
•
绕线式双馈异步发电机－－转子为绕线型。定子与电网直接连接输送电能，
同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率。
变速恒频机理
• 图中分别为DIFG定、转子电流的频 率，为定子磁场的转速，即同步转 速，为转子磁场相对于转子的转速， 为DFIG转子的电转速。由电机学的 知识可知，DFIG 稳定运行时，定、 转子旋转磁场相对静止，即
• 五、功率传递的机械连接方式
•
◆有齿轮箱型风机
◆直驱型风机
•
有齿轮箱风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万向弹性联轴节将转矩传递
到发电机的传动轴，联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收矢量
的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。
• 而直驱型风机采用了多项先进技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而 直接传递到发电机的传动轴，使风机发出的电能同样能并网输出。
1416
8 偏航制动器 12
75
900
系 统
偏航系统
5MF.201.001 A 8211.72
偏航制动器
1.5MW机组偏航系统通常采 用8~10组偏航制动器，每 组制动器由上、下两个闸 体组成；刹车夹为液压卡 钳形式，在偏航刹车时， 由液压系统提供140160bar之间的压力，使刹 车片紧压在刹车盘上，提 供制动力；偏航时保持 45bar的余压，产生一定的 阻尼力矩，使偏航运转更 加平稳，减少机组的振动。
风机偏航系统
• 偏航系统的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相配 合，调节整个机舱的对风向位置，根据风速仪和风标仪的传感检测， 自动使风轮对准风向，以提高风力发电机组的发电效率；其二是提供 必要的紧锁力矩，以保证风力发电机组的安全运行。
• 偏航电机下面有一个小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮叫偏航轴承，由偏 航电机驱动。偏航轴承承载机组中主要部件的重量，并传递气动推力 到塔架，轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合。明阳 1.5MW 风力发电机组的偏航系统采用内齿形式。
• 风轮转速范围(正常运行) 9.7 – 19.5
rpm
• 风轮额定转速
17.4 rpm
• 极限载荷时的最大转速
24.3 rpm
(A1-DLC1.6c2-1)
• 主轴倾角
5°
• 风轮旋转方向 (从主轴侧看) 右
高速轴制动器
高速轴制动器（antec）
• 风力发电机的主制动器是空气动力 制动器，机械制动器为第二制动系 统；
的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、
有功功率和无功功率的目的，既提高了机组 的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。
• 变频控制：
•
为了保证转子转速最优，风轮叶片的角度
通过变桨系统进行调整。但是，角度的调整
是一个非常缓慢的过程，为了补偿转子转速
的快速变化，变频控制单元快速增加或降低
• Crowbar用来在电网出现异常情况时防止出现低电压，通过产生容性 无功功率来支撑电网运行。Crowbar可以根据电网电压对转子侧变流 器的影响开通或关断，保证传动单元在电网电压快速变化时能正常工 作。
• 变频器可以控制风力发电机组机的功率因数，从容性0.9 到 1.0 再到感 性0.9，可以根据用户的要求在±0.9范围内进行任意功率因数的设定。
准备运行
自动偏航 变桨动作 自检测
启动
正常运行
监测/监视 故障处理 服务/维修
无故障情况下
转矩控制 变桨控制
电气安全保护
• 发电机外部定子接线箱上部装有发电机防雷箱，可以保护 发电机免遭雷击。定子绕组和前后轴承等处的温度通过 PT100温度传感器被连续地监控。
• 电气设备保护装置还包括： • 1)连接到电网的具有过载、短路保护的空气开关。 • 2)发电机定子电路的必要保护。 • 3)变换电源的保护。 • 4)在发电机中对谐波电流进行滤波的电抗器。 • 5)保证与电网电磁兼容的滤波器。 • 6)IGBT的电子保护。
• 驱动装置由驱动电动机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构等组 成。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均无振动现象。在风力发电中， 叶轮应该总是处在对风状态，以便于风轮最大程度的吸收风能。偏航 电机就起转动机舱使叶轮对风的作用。
• 应用齿轮驱动偏航系统，为避免因振荡的风向变化而引起偏航齿轮产 生交变载荷，采用偏航制动器来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿 轮的交变应力引起轮齿过早损坏。
风电产业
风能是一种干净的自然能源，没有常规能源（如煤电，油电）与核电 会造成环境污染的问题，平均每装一台单机容量为1兆瓦的风能发电机， 每年可以减排2000吨二氧化碳（相当于种植1平方英里的树木）、10吨 二氧化硫、6吨二氧化碳。风能产生1兆瓦小时的电量可以减少0.8到0.9 吨的温室气体，相当于煤或矿物燃料一年产生的气体量，而且风机不 会危害鸟类和其它野生动物。在常规能源告急和全球生态环境恶化的 双重压力下，风能作为一种高效的新能源有着巨大的发展潜力。
• 1.5MW风机液压站系统有两个主控制回 路：转子制动回路和偏航刹车回路。系 统正常工作压力范围在140-160bar之间， 系统压力由电机泵组（序号90、60）作 为动力单元提供，并由压力传感器来加 以精确显示，动力源的断合利用压力传 感器和电气联动控制来实现。
1.5MW风机安全与控制方案
基本概念
有
• 平均湿度:
70 %
用于南方地区的常温型风机:
• 待机环境温度范围: -20 ℃～+50 ℃
• 运行环境温度范围: -10 ℃～ +40 ℃
• 平均环境温度:
~ 20°C
• 平均湿度:
82 %
兆瓦风机主要零部件说明
• 1．叶片 2．变桨系统 3．轮毂 4．发电机转子 5．发电机定子 6．偏航系统 • 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
发电机
原理
双馈异步发电机
额定功率
1550 kW
额定转矩 (发电机输入)
8.46 kNm
最大过载转矩 (由过载安全耦合限定)
13.49 kNm
速度范围 rpm
1000 rpm -2016
最大机械转速
2450 rpm
当发电机与电网相连时，最大转速
2050 rpm
额定功率下发电机的效率
> 96.6 %
发电机
适于风电机组运行的环境条件
用于北方地区的低温型风机:
• 待机环境温度范围: -40～ +50℃
• 运行环境温度范围: -30～ +40 ℃ (至海拔 1250 m)
-30～ +35 ℃ (海拔 1250 至 1500 m)
• 海拔高度:
1000～1500 m
• 地震风险:
有wenku.baidu.com
• 结冰风险:
有
• 沙尘暴风险:
控制与电气设备
• 控制系统是用PLC语言开发的一个 软件PLC控制系统。
• 软件是基于安全和控制原理图设计 的。
• 电缆和额外的软件功能，比如可视 化
• 和远程访问软件由明阳风电负责开 发。
•
控制与电气设备
• 双馈风力机的控制手段：
• 通过变频器控制器对逆变电路中功率器件
的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流
• 六、按桨叶接收风能的功率调节方式
•
◆定桨距（失速型）机组
◆变桨距机组
•
风力机的分类
• 定桨距机组桨叶与轮毂的连接是固定的，当风速变化时，桨叶的迎风角度不 能随之变化，该机组结构简单、性能可靠，在20年来的风能开发中一直占主 导地位；而变桨距机组叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范 围内（一般0－90度）调节变化，其性能相对提高很多，但结构也趋于复杂。
风机液压系统
• 1.5兆瓦机组HYDAC液压站主要参数：
• ◆工作介质：Esso Univis HVI 26 • ◆油箱容积：12L • ◆电机功率：0.75 KW • ◆电机频率：400 V • ◆电机转速：1450 RPM • ◆泵出口流量：1.6 L/min • ◆工作压力：160 bar左右
• 七、按照叶轮转速是否恒定
•
◆恒速风力发电机组
◆变速风力发电机组
•
恒速风力发电机组设计简单可靠，造价低，维护量少，直接并网；缺点是
气动效率低，结构载荷高，给电网造成电网波动，从电网吸收无功功率。而
变速风力发电机组气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支
撑结构轻。缺点是功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。常
• 变频器主要组成有：并网开关、转子侧变流器、网侧变流器、LCL 滤 波器、du/dt 滤波器、传动单元主接触器和充电电路。
• 变频器的结构设计为IP54 的防水型空冷柜体。柜体结构中带有电气加 热控制部分，能够保证在很冷的环境下进行安全的启动程序。
• 安装地海拔高度 0 到4000 米，超过1000 米时需降容使用。海拔高度 在1000-2000 米之内，每升高100 米，降容1%。
• 从上式可知，当发电机转速变化时， 可通过调节转子励磁电流频率保持 定子输出电能频率恒定，这是变速 恒频运行的原理。当发电机亚同步 运行时，转子绕组相序与定子相同； 当发电机超同步运行时，转子绕组 相序与定子相反；当发电机同步速 运行时，转子进行直流励磁。
风电机组整体解决方案
风电机组叶片制造工艺