风力发电机组基本结构与工作原理

电气工程新技术专题

题目：风力发电机组基本结构与工作原理

及其控制技术

专业：电气工程及其自动化

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本周的电气工程新技术专题中，主要讲解了一些关于风力发电机组的基本姐与工作原理方面的知识，使我们对此有了初步的认识，下面我将简单叙述一下我对风力发电机的了解。

风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义的说，它是一种以太阳微热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。风力发电机利用的是自然能源，相对柴油发电要好得多。但若应急来用的话还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。

一、风力发电机的基本结构

风力发电机组是由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。

各主要组成部分功能简述如下：

（1）叶片叶片是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。

（2）变浆系统变浆系统通过改变叶片的桨距角，使叶片在不同风速时处于最佳的吸收风能的状态，当风速超过切出风速时，使叶片顺桨刹车。

（3）齿轮箱齿轮箱是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。

（4）发电机发电机是将叶轮转动的机械动能转换为电能的部件。转子与变频器连接，可向转子回路提供可调频率的电压，输出转速可以在同步转速±30%范围内调节。

（5）偏航系统偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。同时提供必要的锁紧力矩，以保障机组安全运行。

（6）轮毂系统轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。轮毂结构是3个放射形喇叭口拟合在一起的。

（7）底座总成底座总成主要有底座、下平台总成、内平台总成、机舱梯子

等组成。通过偏航轴承与塔架相连，并通过偏航系统带动机舱总成、发电机总成、变浆系统总成。

二、风力发电机的工作原理

简单来说，风力发电机的工作原理是通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。

大型与电网接驳的风力发电机的最常见的结构是横轴式三叶片风轮，并安装在直立管状塔杆上风轮叶片由复合材料制造。不像小型风力发电机，大型风电机的风轮转动相当慢。比较简单的风力发电机是采用固定速度的。通常采用两个不同的速度-在弱风下用低速和在强风下用高速。这些定速风电机的感应式异步发电机能够直接发产生电网频率的交流电。

比较新型的设计一般是可变速的（比如V52-850千瓦风电机转速为每分钟14转到每分钟31.4转）。利用可变速操作，风轮的空气动力效率可以得到改善，从而提取更多的能量，而且在弱风情况下噪音更低。因此，变速的风电机设计比起定速风电机，越来越受欢迎。

机舱上安装的感测器探测风向，透过转向机械装置令机舱和风轮自动转向，面向来风，风轮的旋转运动通过齿轮变速箱传送到机舱内的发电机（如果没有齿轮变速箱则直接传送到发电机）。

所有风力发电机的功率输出是随著风力而变的。强风下最常见的两种限制功率输出的方法（从而限制风轮所承受压力）是失速调节和斜角调节。使用失速调节的风电机，超过额定风速的强风会导致通过叶片的气流产生扰流，令风轮失速。当风力过强时，业片尾部制动装置会动作，令风轮剎车。使用斜角调节的风电机，每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随著风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风，从而令风轮剎车。

三、风力发电机组控制技术

风力发电机组的控制系统是机组正常运行的核心，其控制技术是风力发电机组的关键技术之一，与风力发电机组的其他部分关系密切，其精确的控制、完善

的功能将直接影响机组的安全与效率。

目前，风力发电机组控制技术主要向变桨距调节取代定桨距失速调节，变速运行方式取代恒速运行方式发展。

（一）定桨距风力发电机组的基本运行过程

待机状态：当风速v＞3m/s，但不足以将风力发电机组拖动到切入的转速，或者风力发电机组从小功率（逆功率）状态切出，没有重新并入电网，这时的风力机处于自由转动状态；称为待机状态。

风力发电机组的自起动：风力发电机组的自起动是指风轮在自然风速的作用下，不依靠其他外力的协助，将发电机拖动到额定转速。

（二）变桨距风力发电机组的运行状态

起动状态（转速控制）：当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动。

欠功率状态（不控制）：是指发电机并人电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。此时，变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。

额定功率状态（功率控制）：当风速达到或超过额定风速后，风电机组进入额定功率状态。

（三）变桨距控制型风轮的特点

优点：起动性好；刹车机构简单叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；额定功率以前的功率输出饱满；额定点以后的输出功率平滑；风轮叶根承受的静、动载荷小。

缺点：由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；功率调节系统复杂，费用高

使用风力发电机就是源源不断的把风能变成我们家庭使用的标准市电，其节约的程度是明显的。近年来新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。