风力发电机组简介讲解学习

风力发电机组简介

风力发电机组构成与机组简介

1.风电机组构成

风力发电机组主要由风力机、传动装置、发电机、控制系统等部分组成。

电网

风力机是风力发电机组的重要部件，风以一定的风速和攻角作用在风力机的桨叶上，使风轮受到旋转力矩的作用而旋转，同时将风能转化为机械能来驱动发电机旋转。有定桨距和变桨距风力机之分。风力机的转速很低，一般在十几r/min~几十r/min范围内，需要经过传动装置升速后，才能驱动发电机运行。直驱式低速风力发电机组可以由风力机直接驱动发电机旋转，省去中间的传动机构，显著提高了风电转换效率，同时降低了噪声和维护费用，也提高了风力发电系统运行的可靠性。

发电机的任务是将风力机轴上输出的机械能转换成电能。发电机的选型与风力机类型以及控制系统直接相关。目前，风力发电机广泛采用感应发电机、

双馈（绕线转子）感应发电机和同步发电机。对于定桨距风力机，系统采用恒频恒速控制时，应选用感应发电机，为提高风电转换效率，感应发电机常采用双速型。对于变桨距风力机，系统采用变速恒频控制时，应选用双馈（绕线转子）感应发电机或同步发电机。同步发电机中，一般采用永磁同步发电机，为降低控制成本，提高系统的控制性能，也可采用混合励磁（既有电励磁又有永磁）同步发电机。对于直驱式风力发电机组，一般采用低速（多级）永磁同步发电机。

控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。风力发电机组的控制系统一般以PLC为核心，包括硬件系统和软件系统。传感信号表明了风力发电机组目前运行的状态，当与机组的给定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，是系统能够在给定的状态下运行，从而完成各种控制功能。主要的控制功能有：变桨距控制、失速控制、发电机转矩控制以及偏航控制等。控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可能采用液压执行机构。

目前，风力发电机组主要有恒速恒频控制和变速恒频控制这两种系统控制方式。前者采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速调节或者主动失速调节来实现功率控制。后者采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟随风速变化，以保持最佳叶尖速比，以便最大限度地捕获风能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重控制，以便限制风力机所获取的风能，从而保证发电机恒功率输出。

控制系统还应具有各种保护功能，是风力发电机组发生危险或故障时，能够快速报警并迅速转换为安全状态。中大型风力发电机组一般与电网并联运

行，小型风力发电机组可以单机运行也可以并网运行，单击运行时一般采用蓄电池储能。

传动系统是指从主轴到发电机轴之间的主传动链，包括主轴及主轴承、齿轮箱、联轴器等，其功能是将风力机的动力传递给发电机。主轴即风轮的转轴，用于支承风轮，并将风轮产生的扭矩传递给齿轮箱或发电机，将风轮产生的推力传递给机舱底座和塔架。齿轮箱位于风轮和发电机之间，是传动系统的关键部件，风电机组通过齿轮箱将风轮的低速变换成发电机所要求的高转速，同时将风轮产生的扭矩传递给发电机。

偏航系统主要用于风轮对风，是风轮能够最大限度的将风能转换成轴上的机械能。大中型风电机组都需要设置偏航系统。偏航系统设置在机舱底座与塔架之间，由偏航驱动装置为偏航运动提供动力，偏航驱动装置大多采用电动式，也可采用液压式结构。偏航传感器用来采集和记录偏航位置，当偏航角度达到设定值时，控制器将自动启动解缆程序。解缆操作是偏航系统的另一个功能。风电机组的电力电缆和通信电缆需要从机舱通过塔架最终连接到地面的控制柜上，由于偏航系统需要经常进行对风操作，将引起电缆的扭转。当在一个方向上扭缆严重时，机组就需要停机并进行解缆操作。

变距系统是指通过调节桨距角来限制风轮转速的控制系统，主要用于大中型风力机在额定风速以上时的恒功率控制，可分为电动变距系统和电动-液压变距驱动系统两种。对于定桨距风力机，无法利用变桨来实现风轮的转速控制，国内外研究许多限速装置，归纳起来有三类：①通过减少风轮迎风面积来实现限速；②通过改变叶片翼型攻角值来实现限速；③利用空气在风轮圆周切线方向的阻力等来实现对风轮转速的限制。

风力机长年累月在野外运转，工作条件恶劣。风力机一些重要工作部件多数集中在塔架的上端，组成了机头。为了保护这些部件，用罩壳把它们密封起来，此罩壳称为机舱。塔架用于把这些部件举到设计高度处运行，主要承受两个载荷：一是风力机机头的重力；二是风吹向风轮等部件的推力。塔架的最低高度可按此式考虑：H=h+C+R。式中，h为接近风力机的障碍物高度；C为由障碍物顶点到风轮扫掠面最低点的距离，常取C=1.5~2.0m；R为风轮半径。

2.运行方式

风力发电机组的运行方式有三种：单击运行方式、组合运行方式和并网运行方式。

2.1. 单击运行方式

单机运行的风力发电机常常为10kW以下的小型风力发电机。在偏僻的山区、牧区、海岛以及防哨所、导航灯塔、气象站等电网覆盖不到的地方，可以采用单机运行的风力发电机供电。

不并入电网单机运行的风力发电机又称为离网型风力发电机。由于风速的随机性，单机运行时，风力发电机输出的电压和功率也在随机变化，这种电能难以直接使用，常常将其先储存在蓄电池中，然后再加以利用。蓄电池可以直接带直流负荷，也可以逆变成为交流电后，给交流负荷供电。

2.2. 组合运行方式

组合运行方式是指风力发电机与其他发电形式组合起来，构成一个较稳定供电系统的一种互补运行方式，也是一种离网运行方式。主要有风力-柴油发电组合运行方式和风力-太阳能发电组合运行方式。

风力-柴油发电组合，弥补了风力发电的不稳定性，构成一个较为稳定的离网型供电系统，有独立切换运行和并联运行这两种运行方式。风力-太阳能发电组合运行方式，可以构成一个能量互补系统，提高了供电的可靠性，有独立切换运行和并列运行两种方式。

2.3. 并网运行方式

并网运行就是风力发电机与电网并联运行，是一种最简捷、最有效的储能方式。目前，并网运行已经成为风力发电机组的主要运行方式。

风力发电机组的并网过程都要经过起动、投入并网和并网运行这几个阶段。在起动阶段，风电机组的转速将从静止上升到切入转速。只要风速达到起动风速，风力机就可以顺利启动。当发电机转速达到切入转速时，即可按照规定的程序进行投入电网的操作。发电机顺利并网后即进入并网运行阶段，在这一阶段，风电机组将风能转换成电能输出给电网。