风力发电机结构及原理培训
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产品技术基础培训之
风力发电机组工作原理基础
江苏华创光电科技有限公司
目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
风电机组控制系统
2
风力发电背景
一、化石能源枯竭
全球能源形势
矿物燃料消耗过度 每年消耗56亿吨煤
环境压力日益严重 至2030年二氧化碳排 放上涨50%，每年420 多亿吨
风力机的结构组成
风轮 将风能转化为机械能，600 kW的风力机叶片的长度为21米。 叶片 控制系统
组成：轮毂
类型：单叶片、双叶片、三叶片和多叶片 定桨风轮和变桨风轮 轮毂：连接主轴与叶片，将风力对叶 片的作用载荷传递给主轴以及齿轮 箱 变桨电机 叶片 轮毂 主轴 主传动系统
13
2、风力机的结构组成
5
风能
• 风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处 受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因 而引起大气层中压力分布不均，在水平方向高压空气向低压 地区流动，即形成风。 • 风能作为一种高效清洁的永不枯竭的能源正受到越来越多国 家的高度重视。 • 全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为 2×107MW，是全球可开发利用水能资源总量的10多倍，相当 于10800亿吨标准煤产生的能量，约是全世界目前能源消费量
齿轮箱 一侧连接低速轴，另一侧连接高速轴 高速轴 转速大约为1500转/分，它的作用是带动
发电机。同时在高速轴上安装有一套机械刹车
发电机 发电机通常被称为感应型发电机或异步发
电机
16
2、风力机的结构组成 控制器 计算机持续监控风力发电机的 状态，控制偏航。在任何故障状态 下，计算机立即控制风机停机。 液压系统 作用是控制风力发电机气动 刹车装置。 冷却系统 包含有冷却发电机的风扇， 冷却齿轮油的散热器，一些风力发 电机还装设有发电机水冷装置。 偏航系统 通过偏航电机推动机舱对风
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电机 的设计成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性； 其缺点是：直驱发电机体积大而笨重 ，电机设计成本较高。
。
23
目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
风电机组控制系统
24
风力机控制系统
25
主控制系统
26
27
•变桨控制系统：控制时一般都以发电机额定功率或转子转速为界，即当发电 机输出功率（转速）低于额定值时，进行变速恒频控制，最大捕获风能；而 当输出功率（转速）高于额定值时，进行变桨距控制，维持发电机功率在额 定值附近。要实现真正的独立变桨,输入变量包括桨叶节距角变化和风速，以 及每个桨叶受力等,实现多变量控制。
30
电动变桨
驱动器、编码器、限位开关、电池（超级电容）
31
偏航系统
32
偏航系统组成部件
33
偏航系统组成部件
34
偏航系统组成部件
35
偏航系统组成部件
36
37
22
直驱机型
直驱式的特点： 风轮直接与低速（多极）励磁同步发电机（也有利用永磁同步发电的）相连，省去了 故障多发部件-齿轮箱。电机全功率通过电力电子装置连接到电网。利用电力电子技术 可以控制系统输出的有功和无功功率，同样也可以使机组捕获最大风能；
齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且
化石燃料占二氧化碳排放量比重
化石能源 煤 2006二氧化碳排放量 Mt 8336 2008二氧化碳排放量 Mt 8672 百分比 73.5%
石油
燃气
882
2217
859
2320
7.2%
19.6%
总量
11435
11851
100%
4
世界能源利用发展趋势从依赖常规化石能源如石油、煤、天然气）转向充分利用 可再生能源（风能、太阳能、生物质能等）。其中风电可以减少温室气体排放， 平均每提供100万千瓦时的电量，可以减少600吨二氧化碳排放量。 2009年，全球二氧化碳含量由于风能的应用减少了228.7Mt，相当于全年因发电而 产生的二氧化碳总量的1.93%。 特点： 风能是一种取之不尽用之不竭的能源 利用风能可以在相对短的时间内产出大量电能 风能是一种不产生二氧化碳的能源形式，有利于减少温室气体的排放
的100倍。
6
目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
风电机组控制系统
7
风电机组的工作原理和结构
风
电
机组
风电机组的工作原理和结构
风力发电机组（以下简称风力机）是一种 将风能转换为电能的Hale Waihona Puke Baidu量转换装置
风
叶轮
传动系
发电机
电
控制系统
目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
结构和功能
变桨电机：
每个叶片都有一个变桨电机，并带有刹车、测速传感器、编码器及强 制空冷装置。
备用电源：用于电网断电和安全链中断时叶片的变桨控制。
充电器：带有充电控制和电压检测装置。 转换器：三相两路装置，用于向变桨电机输送直流电。 变桨控制器 除变桨电机，其余部件都在轴控制柜或公用控制柜内，每个叶片都有 单独控制器。
风电机组控制系统
10
风电机组的工作原理和结构
轮毂
风轮
変桨 导流罩 主轴系统
风电机组
机舱
增速箱 发电机 偏航 刹车
塔架
散热排风 机舱罩
风速风向仪
11
机舱内部结构
轮毂：连接主轴与叶片，将风力对叶片的作用载荷传递给主轴以及齿轮箱 轴承：支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度
12
28
液压变桨 系统组成： 油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄 压器以及三套独立的变桨装置
优点：单位体积小、重量轻、扭矩大无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行顺桨作业；增容便捷。 缺点：漏油，对环境要求较高（温度）
29
原理
液压变桨
变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系 统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、 D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。
14
2、风力机的结构组成 主传动系统
主 轴：支撑轮毂和传递负载（轴向力，剪力（径向力）， 弯矩和扭矩）
低速轴 ：联接叶轮轮毂与齿轮箱。低 速轴是中空轴，内部穿过液压管路控 制气动刹车
高速轴 ：转速大约为1500转/分， 它的作用是带动发电机。同时在 高速轴上安装有一套机械刹车。
15
2、风力机的结构组成 主传动系统
17
2、风力机的结构组成
塔架
作用是承载机舱和叶轮。 一台600千瓦风力发电机的塔架 约为40-60米高。塔架有锥形圆 柱钢塔架，也有桁架式塔架 ， 在其内部装有梯子。
风速仪和风向标
速和风向。
用于测量风
18
叶片的制造
叶片必须有足够的强度，因此，在 每一个叶片内部都有一根与叶片长 度几乎一样长的梁。
能源安全受到挑战 石油价格波动，煤炭 价格持续上涨
25亿吨石油
煤炭150年，石油80年枯竭
3
二、碳排放和温室效应 各种全球变暖背景下的极端气候影响在世界各国频频上演，暴雪、飓风、洪 水、干旱……全球气候变暖还引起冰川崩塌消融、海平面上升、粮食减产、物种 灭绝……全球气候变化是由化石燃料燃烧排放大量温室气体而造成的。
19
叶片的制造
叶片分为两扇，分别进行生 产，然后，将两扇组合起来， 就形成了一个完整的的叶片。 图中的工人正在给玻璃钢上 铺塑胶。
在两扇叶片组合之前，先 将那根梁放在中间
20
叶片的制造
两扇叶片放入一个模具 然后合上。然后将给其 加热，使得玻璃钢更加 坚固。 叶片表面必须足够光滑， 使得风穿过叶片表面时 不会减速。因此，在一 些刮擦痕处须填充玻璃 纤维。最后，对叶片进 行打磨抛光直到叶片表 面光滑为止。
21
双馈机型
◎此技术路线为技术最成熟、市场占有率最高的技术路线。
双馈式的特点： 双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率变换器（一般为双 PWM 交—直—交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的
1/4左右，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。
该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出频率和转子机械频率的关 系，通过改变转子的励磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最大 风能捕获。 对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的有功和无功的解偶控制， 可以为电网输出无功，保证了输出电能质量。
•主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自 动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故 障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制 、保护功能。 •对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统 以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实 时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶 片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统 （变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节 。
风力发电机组工作原理基础
江苏华创光电科技有限公司
目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
风电机组控制系统
2
风力发电背景
一、化石能源枯竭
全球能源形势
矿物燃料消耗过度 每年消耗56亿吨煤
环境压力日益严重 至2030年二氧化碳排 放上涨50%，每年420 多亿吨
风力机的结构组成
风轮 将风能转化为机械能，600 kW的风力机叶片的长度为21米。 叶片 控制系统
组成：轮毂
类型：单叶片、双叶片、三叶片和多叶片 定桨风轮和变桨风轮 轮毂：连接主轴与叶片，将风力对叶 片的作用载荷传递给主轴以及齿轮 箱 变桨电机 叶片 轮毂 主轴 主传动系统
13
2、风力机的结构组成
5
风能
• 风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处 受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因 而引起大气层中压力分布不均，在水平方向高压空气向低压 地区流动，即形成风。 • 风能作为一种高效清洁的永不枯竭的能源正受到越来越多国 家的高度重视。 • 全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为 2×107MW，是全球可开发利用水能资源总量的10多倍，相当 于10800亿吨标准煤产生的能量，约是全世界目前能源消费量
齿轮箱 一侧连接低速轴，另一侧连接高速轴 高速轴 转速大约为1500转/分，它的作用是带动
发电机。同时在高速轴上安装有一套机械刹车
发电机 发电机通常被称为感应型发电机或异步发
电机
16
2、风力机的结构组成 控制器 计算机持续监控风力发电机的 状态，控制偏航。在任何故障状态 下，计算机立即控制风机停机。 液压系统 作用是控制风力发电机气动 刹车装置。 冷却系统 包含有冷却发电机的风扇， 冷却齿轮油的散热器，一些风力发 电机还装设有发电机水冷装置。 偏航系统 通过偏航电机推动机舱对风
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电机 的设计成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性； 其缺点是：直驱发电机体积大而笨重 ，电机设计成本较高。
。
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目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
风电机组控制系统
24
风力机控制系统
25
主控制系统
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27
•变桨控制系统：控制时一般都以发电机额定功率或转子转速为界，即当发电 机输出功率（转速）低于额定值时，进行变速恒频控制，最大捕获风能；而 当输出功率（转速）高于额定值时，进行变桨距控制，维持发电机功率在额 定值附近。要实现真正的独立变桨,输入变量包括桨叶节距角变化和风速，以 及每个桨叶受力等,实现多变量控制。
30
电动变桨
驱动器、编码器、限位开关、电池（超级电容）
31
偏航系统
32
偏航系统组成部件
33
偏航系统组成部件
34
偏航系统组成部件
35
偏航系统组成部件
36
37
22
直驱机型
直驱式的特点： 风轮直接与低速（多极）励磁同步发电机（也有利用永磁同步发电的）相连，省去了 故障多发部件-齿轮箱。电机全功率通过电力电子装置连接到电网。利用电力电子技术 可以控制系统输出的有功和无功功率，同样也可以使机组捕获最大风能；
齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且
化石燃料占二氧化碳排放量比重
化石能源 煤 2006二氧化碳排放量 Mt 8336 2008二氧化碳排放量 Mt 8672 百分比 73.5%
石油
燃气
882
2217
859
2320
7.2%
19.6%
总量
11435
11851
100%
4
世界能源利用发展趋势从依赖常规化石能源如石油、煤、天然气）转向充分利用 可再生能源（风能、太阳能、生物质能等）。其中风电可以减少温室气体排放， 平均每提供100万千瓦时的电量，可以减少600吨二氧化碳排放量。 2009年，全球二氧化碳含量由于风能的应用减少了228.7Mt，相当于全年因发电而 产生的二氧化碳总量的1.93%。 特点： 风能是一种取之不尽用之不竭的能源 利用风能可以在相对短的时间内产出大量电能 风能是一种不产生二氧化碳的能源形式，有利于减少温室气体的排放
的100倍。
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目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
风电机组控制系统
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风电机组的工作原理和结构
风
电
机组
风电机组的工作原理和结构
风力发电机组（以下简称风力机）是一种 将风能转换为电能的Hale Waihona Puke Baidu量转换装置
风
叶轮
传动系
发电机
电
控制系统
目录
风力发电背景
风电机组的工作原理
风电机组的结构
结构和功能
变桨电机：
每个叶片都有一个变桨电机，并带有刹车、测速传感器、编码器及强 制空冷装置。
备用电源：用于电网断电和安全链中断时叶片的变桨控制。
充电器：带有充电控制和电压检测装置。 转换器：三相两路装置，用于向变桨电机输送直流电。 变桨控制器 除变桨电机，其余部件都在轴控制柜或公用控制柜内，每个叶片都有 单独控制器。
风电机组控制系统
10
风电机组的工作原理和结构
轮毂
风轮
変桨 导流罩 主轴系统
风电机组
机舱
增速箱 发电机 偏航 刹车
塔架
散热排风 机舱罩
风速风向仪
11
机舱内部结构
轮毂：连接主轴与叶片，将风力对叶片的作用载荷传递给主轴以及齿轮箱 轴承：支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度
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28
液压变桨 系统组成： 油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄 压器以及三套独立的变桨装置
优点：单位体积小、重量轻、扭矩大无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行顺桨作业；增容便捷。 缺点：漏油，对环境要求较高（温度）
29
原理
液压变桨
变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系 统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、 D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。
14
2、风力机的结构组成 主传动系统
主 轴：支撑轮毂和传递负载（轴向力，剪力（径向力）， 弯矩和扭矩）
低速轴 ：联接叶轮轮毂与齿轮箱。低 速轴是中空轴，内部穿过液压管路控 制气动刹车
高速轴 ：转速大约为1500转/分， 它的作用是带动发电机。同时在 高速轴上安装有一套机械刹车。
15
2、风力机的结构组成 主传动系统
17
2、风力机的结构组成
塔架
作用是承载机舱和叶轮。 一台600千瓦风力发电机的塔架 约为40-60米高。塔架有锥形圆 柱钢塔架，也有桁架式塔架 ， 在其内部装有梯子。
风速仪和风向标
速和风向。
用于测量风
18
叶片的制造
叶片必须有足够的强度，因此，在 每一个叶片内部都有一根与叶片长 度几乎一样长的梁。
能源安全受到挑战 石油价格波动，煤炭 价格持续上涨
25亿吨石油
煤炭150年，石油80年枯竭
3
二、碳排放和温室效应 各种全球变暖背景下的极端气候影响在世界各国频频上演，暴雪、飓风、洪 水、干旱……全球气候变暖还引起冰川崩塌消融、海平面上升、粮食减产、物种 灭绝……全球气候变化是由化石燃料燃烧排放大量温室气体而造成的。
19
叶片的制造
叶片分为两扇，分别进行生 产，然后，将两扇组合起来， 就形成了一个完整的的叶片。 图中的工人正在给玻璃钢上 铺塑胶。
在两扇叶片组合之前，先 将那根梁放在中间
20
叶片的制造
两扇叶片放入一个模具 然后合上。然后将给其 加热，使得玻璃钢更加 坚固。 叶片表面必须足够光滑， 使得风穿过叶片表面时 不会减速。因此，在一 些刮擦痕处须填充玻璃 纤维。最后，对叶片进 行打磨抛光直到叶片表 面光滑为止。
21
双馈机型
◎此技术路线为技术最成熟、市场占有率最高的技术路线。
双馈式的特点： 双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率变换器（一般为双 PWM 交—直—交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的
1/4左右，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。
该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出频率和转子机械频率的关 系，通过改变转子的励磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最大 风能捕获。 对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的有功和无功的解偶控制， 可以为电网输出无功，保证了输出电能质量。
•主控系统：主控系统是风机控制系统的主体，它实现自 动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故 障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制 、保护功能。 •对外的三个主要接口系统就是监控系统、变桨控制系统 以及变频系统（变频器），它与监控系统接口完成风机实 时数据及统计数据的交换，与变桨控制系统接口完成对叶 片的控制，实现最大风能捕获以及恒速运行，与变频系统 （变频器）接口实现对有功功率以及无功功率的自动调节 。