1风电机组设计及并网技术详解
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风力发电与并网技术
世界：风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来 的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风 力发电设备的大国。 我国：短短十几年的发展，我国成为风电大国 涌现出 金 风、运达、华创、等优秀企业。
我校：沈阳工业大学从事风力发电技术研究已有25年，先
后开发出0.3~20kW离网型风力发电机、30~1500kW并 网型风力发电机组及风力机测试设备等系列产品三大类
（三）风电机组分类
按风轮轴的安装型式
水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组
微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功 按风力发电机的功率 率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW） 和大型（额定功率大于100kW） 按运行方式 按采用发电机类型 独立运行和并网运行 永磁同步风电机组 双馈异步风电机组 等
2、塔架
1 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承 受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中 的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。 水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁 架型两类。
2 一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下 风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。 桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造 价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风 力机的叶片产生很大的紊流。
2、双馈式异步风力发电机组
技术特点
1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转需要齿轮箱增速； 2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构与电力电子换流装 置连接；
风力机的气动原理
F
风力发电机组中 的风轮之所以能将风 能转化为机械能，原 因是因为风力机具有 特殊的翼型。图示为 现代风力机叶片的翼
L
空气总动力F
B
弦线 片 叶
C O
风速v
FD D
风轮旋转平面
安装角
A 相对 vw 风向角 迎角 风速
相 对
型及翼型受力分析图。
叶片线速度u=ω r
图3-11 风力机的叶片翼型及受力
风力机的输出功率
1 Pa C P Av 3 2
CPmax （，） 0.593（通常被称为贝茨极限）
Cp 捕获的风能 输入的风能
2Rn v
Pa
：风轮机的输出功率
A：风轮扫掠面积
C P ：风能利用系数
：风速 ：桨距角
：叶尖速比
3、叶尖速比的影响
风能利用系数Cp与风力 机叶尖速比λ的对应 关系：
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量 最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备技术原 因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构
水平轴
垂直轴
（1）独立运行的风力发电机组
发电机
尾舵
水平轴独立运行的风
力发电机组主要由风轮(包
括尾舵)、发电机、支架、 电缆、充电控制器、逆变 器、蓄电池组等组成，其 主要结构见右图。
图3-8 大型风力发电机组的基本结构
1、普通异步风力发电机组
技术特点： 1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮箱增速， 转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构； 2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱传动比和发 电机极对数决定； 3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行； 4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启动电流，其 配置启动装置。 5、从系统吸收大量无功，需配置无功补偿装置。 结构简单，控制方便。
风轮
充电控制器
畜电池组
支架
逆变器 电缆
图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构
（2） 并网运行的风力发电机组
并网运行的水
风轮 增速器 交流发电机 主继电器 主开关 熔断器 转速测量 晶闸管 定桨距或变桨距 电容 补偿 功率测量 控制系统 风速测量 变压器
电网
平轴式风力发电机
组由风轮、增速齿 轮箱、发电机、偏
风力发电机主要组成部分介绍
1、风轮
风力机区别于其他机械的最主要特 征就是风轮。风轮一般由2～3个叶 片和轮毂所组成，其功能是将风能 转换为机械能。 由于风力发电机的理论基础也是空 气动力学，故其叶片形状与机翼很 相似。风经过水平轴风力发电机的 叶片时由于叶片与风有一个夹角， 风在叶片上形成升力，风力发电机 就是依靠叶片上的升力把风能转换 为旋转的机械能，从而带动发电机 进行发电的。
航装置、控制系统、
塔架等部件组成， 其结构如右图所示
图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图
（3） 大型风力发电机组
并网运行的大型风力 发电机组的基本结构，它 由叶片、轮毂、主轴、增 速齿轮箱、调向机构、发 电机、塔架、控制系统及 附属部件（机舱、机座、 回转体、制动器）等组成， 结构如右图。
现分析风轮不动时受到风吹的情况： 当风以速度矢量ν 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形
成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形
成压差，产生垂直于翼弦的力 F ，力 F 可以分解为与相对风速方向 平行的阻力 FD 和垂直于风向的升力 FL ，升力使风力机旋转，实
现能量的转换。
塔架：
3、机舱
实体结构图
机组的总体简化结构
风轮 增速器 发电机
电网 主继电器
机组的总体结构图：
转速 晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速
风
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
主开关
变压器
熔断器
无功补偿
控 制 系 统
机舱内部结构
（二）风电机组的工作原理
• 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过 增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。简单的说 风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为 电能的过程。 • 现代风力发电机采用空气动力学原 理 ，就像飞机的机 翼一样。
16个品种，4项成果纳入联合国亚太区域新能源合作项
目，实施技术转让8项，有5种产品出口日本、蒙古、朝 鲜、缅甸等国家。
风电机组设计
（一）风电机组结构 （二）风力机的工作原理 （三）风力机的主要类型 （四）风力机的控制技术概述
（一）风力发电机组结构
• 从外部看，整个风力发电机组 看上去只有三个主要部分：风 轮、机舱和塔架。 • 发电机、传动系统、控制系统 等都集成在机舱内。 • 机舱除了承担容纳所有机械部 件的功能，还起到承受所有外 力（ 包括静负载及动负载） 的作用。 • 机舱底盘和塔架之间有回转体， 使机舱可水平转动。
世界：风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来 的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风 力发电设备的大国。 我国：短短十几年的发展，我国成为风电大国 涌现出 金 风、运达、华创、等优秀企业。
我校：沈阳工业大学从事风力发电技术研究已有25年，先
后开发出0.3~20kW离网型风力发电机、30~1500kW并 网型风力发电机组及风力机测试设备等系列产品三大类
（三）风电机组分类
按风轮轴的安装型式
水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组
微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功 按风力发电机的功率 率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW） 和大型（额定功率大于100kW） 按运行方式 按采用发电机类型 独立运行和并网运行 永磁同步风电机组 双馈异步风电机组 等
2、塔架
1 风力机的塔架除了要支撑风力机的重量，还要承 受吹向风力机和塔架的风压，以及风力机运行中 的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系。 水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁 架型两类。
2 一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下 风向风力机，产生紊流的影响要比桁架式塔架小。 桁架式塔架常用于中小型风力机上，其优点是造 价不高，运输也方便。但这种塔架会使下风向风 力机的叶片产生很大的紊流。
2、双馈式异步风力发电机组
技术特点
1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转需要齿轮箱增速； 2、转子绕组通过电滑环或采用绕线结构与电力电子换流装 置连接；
风力机的气动原理
F
风力发电机组中 的风轮之所以能将风 能转化为机械能，原 因是因为风力机具有 特殊的翼型。图示为 现代风力机叶片的翼
L
空气总动力F
B
弦线 片 叶
C O
风速v
FD D
风轮旋转平面
安装角
A 相对 vw 风向角 迎角 风速
相 对
型及翼型受力分析图。
叶片线速度u=ω r
图3-11 风力机的叶片翼型及受力
风力机的输出功率
1 Pa C P Av 3 2
CPmax （，） 0.593（通常被称为贝茨极限）
Cp 捕获的风能 输入的风能
2Rn v
Pa
：风轮机的输出功率
A：风轮扫掠面积
C P ：风能利用系数
：风速 ：桨距角
：叶尖速比
3、叶尖速比的影响
风能利用系数Cp与风力 机叶尖速比λ的对应 关系：
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量 最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备技术原 因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构
水平轴
垂直轴
（1）独立运行的风力发电机组
发电机
尾舵
水平轴独立运行的风
力发电机组主要由风轮(包
括尾舵)、发电机、支架、 电缆、充电控制器、逆变 器、蓄电池组等组成，其 主要结构见右图。
图3-8 大型风力发电机组的基本结构
1、普通异步风力发电机组
技术特点： 1、叶轮转速较低，一般为每分钟十几转，需要齿轮箱增速， 转子绕组短路，结构一般为鼠笼结构； 2、转子转速固定，风能利用率低，其转速由齿轮箱传动比和发 电机极对数决定； 3、转子电流产生的旋转磁场的转速高于同步速运行； 4、发电机定子直接与电网连接，启动时产生很大启动电流，其 配置启动装置。 5、从系统吸收大量无功，需配置无功补偿装置。 结构简单，控制方便。
风轮
充电控制器
畜电池组
支架
逆变器 电缆
图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构
（2） 并网运行的风力发电机组
并网运行的水
风轮 增速器 交流发电机 主继电器 主开关 熔断器 转速测量 晶闸管 定桨距或变桨距 电容 补偿 功率测量 控制系统 风速测量 变压器
电网
平轴式风力发电机
组由风轮、增速齿 轮箱、发电机、偏
风力发电机主要组成部分介绍
1、风轮
风力机区别于其他机械的最主要特 征就是风轮。风轮一般由2～3个叶 片和轮毂所组成，其功能是将风能 转换为机械能。 由于风力发电机的理论基础也是空 气动力学，故其叶片形状与机翼很 相似。风经过水平轴风力发电机的 叶片时由于叶片与风有一个夹角， 风在叶片上形成升力，风力发电机 就是依靠叶片上的升力把风能转换 为旋转的机械能，从而带动发电机 进行发电的。
航装置、控制系统、
塔架等部件组成， 其结构如右图所示
图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图
（3） 大型风力发电机组
并网运行的大型风力 发电机组的基本结构，它 由叶片、轮毂、主轴、增 速齿轮箱、调向机构、发 电机、塔架、控制系统及 附属部件（机舱、机座、 回转体、制动器）等组成， 结构如右图。
现分析风轮不动时受到风吹的情况： 当风以速度矢量ν 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形
成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形
成压差，产生垂直于翼弦的力 F ，力 F 可以分解为与相对风速方向 平行的阻力 FD 和垂直于风向的升力 FL ，升力使风力机旋转，实
现能量的转换。
塔架：
3、机舱
实体结构图
机组的总体简化结构
风轮 增速器 发电机
电网 主继电器
机组的总体结构图：
转速 晶闸管 变桨 并网 功率 风 风速
风
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
主开关
变压器
熔断器
无功补偿
控 制 系 统
机舱内部结构
（二）风电机组的工作原理
• 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过 增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。简单的说 风力发电就是将风能转换为机械能进而将机械能再转换为 电能的过程。 • 现代风力发电机采用空气动力学原 理 ，就像飞机的机 翼一样。
16个品种，4项成果纳入联合国亚太区域新能源合作项
目，实施技术转让8项，有5种产品出口日本、蒙古、朝 鲜、缅甸等国家。
风电机组设计
（一）风电机组结构 （二）风力机的工作原理 （三）风力机的主要类型 （四）风力机的控制技术概述
（一）风力发电机组结构
• 从外部看，整个风力发电机组 看上去只有三个主要部分：风 轮、机舱和塔架。 • 发电机、传动系统、控制系统 等都集成在机舱内。 • 机舱除了承担容纳所有机械部 件的功能，还起到承受所有外 力（ 包括静负载及动负载） 的作用。 • 机舱底盘和塔架之间有回转体， 使机舱可水平转动。