风力发电机主要种类以及应用技术

风力发电机主要种类以及应用技术

【摘要】：随着经济的发展和人民生活水平的提高，对电能的需求越来越大，传统的火力发电已经很难满足当代社会对电力能源的需求。风力发电技术因为无污染、可无限循环使用，近几年取得了很大的进展，在很多地区得到了广泛的应用。风力发电技术的应用前景和发展潜力非常可观，文章对风力发电机的种类与应用技术进行了分析与探讨。

【关键词】：风力发电机；种类；技术

中图分类号：tm315文献标识码： a 文章编号：

引言

目前投入商业运行的并网风力发电机组可分为定桨定速型和变桨变速型两大类，主要采用笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁同步发电机三种发电机。常见的风力发电机结构主要由塔架、轮毂、桨叶、主轴、变速箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成，不同类型的机组，在结构上有所不同，在工作原理上也存在着一定的差异。

一、风机的主要分类

风力发电机按风轮主轴方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机；水平轴风机的轴一般与地面平行，与叶片垂直，垂直轴风机的轴一般与地面垂直，与扇叶平行；按对风方向可分为上风向风力发电机和下风向风力发电机，上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮来迎风，而下风向风机则不需要调向装置，

可以直接自动对准风向方向；按偏航的形式可分为被动偏航与主动偏航风机，被动偏航是叶片被风向带动来获得迎风向的位置，主动偏航是偏航装置主动带动叶片调节迎风向的位置；按传动方式可分为有齿轮箱传动和直驱型风机，有齿轮箱的风机一般叶片转速较慢，叶片直径在100m以上，转速在15r/min或更低，无齿轮箱风机是将叶片和发电机直接连在一起的结构；按发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机，笼式异步发电机的转子为笼型，结构简单可靠、易于入网，双馈异步发电机的转子为绕线型，定子与电网直接连接输送电能，永磁型同步发电机的转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通常是低速多极式；按照塔架的不同又分为桁架式风力机和塔筒式风力机，桁架式风力机的桁架采用了类似电力塔的结构形式，它的风阻小、便于运输，塔筒式风力机的结构刚性好，便于维护、安装和调节。

根据风机，能否变桨和变速运行，行业界将风机分为定桨定速和变桨变速两大类，下面主要针对他们的一些特点进行阐述。

二、定桨定速型风机

定桨定速机型风机主要特点是桨叶与轮毂是固定的，当风速变化时，桨叶的角度不会随风的角度变化而变化。叶片经过特殊的设计，可以依靠其气动特性保持叶轮转速相对不变。当风速高于风轮的额定风速时，叶片会通过自动失速来将功率限制在额定值附近，防止转速过快造成过载，所以又称失速式风机。

定桨定速型风机结构主要由塔架、轮毂、桨叶、主轴、变速箱、

发电机、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。桨叶与齿轮增速箱通过主轴连接，发电机采用笼式异步发电机，为了提高发电机的效率，多采用双绕组发电机，控制系统根据不同的风速切换大/小电机，低风速时切入小发电机，高风速时大发电机工作。为了减小风机并网时对电网的冲击，定桨定速型，风机采用晶闸管软并网，再由并网开关（或接触器）旁路晶闸管，将并网冲击减少到最低。大多数失速式风机因起动困难而设计有电动机起动程序（motor start），起动程序由小发电机执行。为保证风机在突然失电情况下的制动能力，定桨距风机的叶片安装有叶尖扰流器，在紧急情况下，叶尖扰流器释放并旋转90°，形成阻尼板，对风机进行空气动力刹车，低速或高速轴上的盘式制动器与扰流器配合保证机组可靠制动。由于发电机采用笼式异步发电机，风机在并网状态时，需从电网吸收大量的无功电流用于励磁，因而功率因素较低，必须配置一定数量的移相电容器进行补偿。

三、变桨变速型风机

变桨距变速型风机的典型代表是vestas公司生产的

v80/v90-1.8mw机组，变桨变速型的特点是桨叶与轮毂之间通过轴承相连，变桨是指整个叶片围绕中心轴旋转，使叶片攻角可以沿轴向0～90°的范围内变化，从而使输出功率不超过容许值，变速是指电机转速是随着风速的变化而变化的，输出频率由变频装置来恒定，变桨变速型风机一般是1mw以上级居多，是目前风机的主流产品。变桨变速型风机按变桨执行机构的动力形式可分为电动和液压

变桨控制；按采用的发电机类型主要可分双馈异步发电机和永磁同步发电机；按传动方式又可分为齿轮增速和直驱（半直驱）式。定桨定速型风机和采用双馈发电机的风机，由于其额定转速较高，必须要采用齿轮箱来增速，而永磁同步发电机可采用多极化设计，发电机转速可低至十几转，因而可采用直驱式。

变桨距控制

变桨距控制主要有两个作用：一是在高于额定风速的情况下通过增大桨距角改变气流对叶片的攻角，将输出功率稳定在额定功率下，保证功率曲线的平滑，防止风机过负荷。二是当发电机与电网脱网时，可以进行空气动力制动，配合高速轴制动器对风机叶轮快速刹车。风机变桨执行机构的动力形式可分为两种，即电-液伺服变桨和电动伺服变桨。

电-液伺服变桨俗称液压变桨，液压执行机构具有单位体积小、重量轻，动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点。电动伺服变桨俗称电动变桨，电动执行机构具有适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄漏、无污染、维护方便等优点，随着电动机、变频和控制技术的发展，电动变桨近年来得到了广泛的应用，国内绝大多数的风机组装企业采用了电动变桨技术。

2、采用双馈异步电机的发电机

双馈型风机的结构由塔架、轮毂、桨叶、主轴、变速箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成，某些机型采用无主轴结构，叶轮直接耦合在齿轮箱上。双馈型风机变频系统基本上

采用交—直—交电压型。双馈异步发电机由变频装置为其提供交流励磁，交流励磁与直流励磁不同，它不仅可以调节励磁电流的幅值，还可以改变励磁电流的频率和相位。调节励磁电流的频率，保证风机在变速运行的情况下发出恒定频率的电能；改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的，因而机组的功率因素本身是可调的，不需要另外增加功率因素补偿装置。

双馈异步发电机的工作原理是由变频器在转子绕组中产生一个

低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速n1，与转子由风力带动所产生的机械转速n2相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场，合成磁场的旋转速度等于同步转速n，即n1+n2=n。最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频（50hz）电压输出到电网。当风速发生变化时，转速n2也随着发生变化，cpu根据n1+n2=n的公式计算出变频器需输出转子电流频率，通过改变转子电流的频率调节旋转磁场n1的转速，就能够补偿发电机转子转速的变化，从而保持输出到电网的频率恒定不变。

由于双馈异步发电机在变频器中仅流过转差功率，因此变频器所需容量比较小，一般为发电机额定功率的10%～30%左右，变频器的损耗小投资也相对较低，技术相对比较成熟，是当前最主流的风机，但其电气连接和变桨系统较为复杂。世界上绝大多数的风电制造企业生产双馈型风机。

3、采用永磁同步发电机的风机

目前国内一些厂家研发生产采用永磁同步发电机的风机，由于永