风力发电机组的基础知识

1.风力发电机组的概要

风力发电是一种利用自然风能转换成电能的发电方式，风能通过风力发电机（也称为风轮机）转换为旋转运动的能量，通过该旋转运动，使发电机运行转换成电能。

一般而言，由于风从地面上到上空会越来越强，因此风力发电机安装得越高就越有利，并且风力发电机所获得能量与风力发电机的叶片的转动面受风面积成正比，叶片越长越好。目前一般风力发电机的 大小规格是，如果额定输出功率为600kW时，那么塔架高为40〜50m,风轮直径为45〜50m,如果额定输出功率为1000〜2000kW时，那么塔架高为60〜90m,风轮直径为60〜90m。

由于风的方向以及强度是不稳定的，所以风力发电系统必须具备保证使叶片一直朝着正确风向的偏航控制功能以及控制电能输出的变桨控制功能，以便获得更多且更稳定的电能。有的风力发电系统具备在低风速情况下可以发电的大小两个发电机，可以根据风速来切换发电机，在较广的风速范围内能进行高效发电。

如表1以及图1、图2所示，风力发电系统由把风能转换成机械动力的风轮单元以及从风轮把动力传递到发电机的传导单元、发电机等电气单元、执行系统运行控制的运行控制单元、机舱、塔架、基座等塔架结构单元构成。

表1 风力发电系统的构成

图1.风力发电系统的构成图例

图2风力发电机组的构成图例

2.叶片

关于风力发电机组的叶片数量，有的风力发电机组有1片叶片，有的则有多片。其中3片叶片的风力发电机组由于不容易引起振动，具有较好的稳定性，因此是目前主流的风力发电机组形式。

关于叶片的横截面形状，一般与轮毂连接的根部是圆形，其他部分则是翼状。但是为了提高发电效率，我们可以看到有的风力发电机组没有采用根部是圆形的叶片。

叶片要求质量轻且具有一定的耐久性，目前主要采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）。为了进一步减 少质量，有的风力发电机也采用碳纤维。

3.增速机

风轮的旋转速度根据其直径不同而不同，每分钟转数十次左右。风力发电系统中所采用的交流发电机的转动次数一般是每分钟1500〜1800转（4极）或1000〜1200转（6极）等，因此需要用齿轮进行增速。齿轮的方式有如下几种，大小不同的两个齿轮平行咬合并可以传递动力的平行式，外轴齿轮与中间的小太阳齿轮之间的行星齿轮传递动力的行星式，以及同时使用平行式与 行星式的并用式等。

关于风力发电机组所发出来的噪声，主要的机械噪声源是增速齿轮，因此出现了使发电机多极化并没有设置增速机的无齿轮 风力发电机组。

4.发电机

交流发电机包括诱导发电机与同步发电机这两种类型。诱导发电机存在输出变动造成电压变动的问题，但是其结构简单并且成本较低，应用范围较广。同步发电机由于可以控制电压，因此对电力系统的影响较少，并且具有可独立运行的这一优点，但其 成本与诱导发电机相比稍高一些。

交流发电机的极数一般采用4极，如果采用6极与4极的极数变换方式，使风轮转数可以在低速运行与高速运行进行切换, 就可以降低切入（起动）风速使发电量增加，从而减少低风速情况下的叶片噪声。

5.并网

如要把交流发电机的输出电力并入电力系统中，基本上采用两种方式，一种是只通过变压器直接连接到电网的AC （交流）连接方式，以及采用电力转换装置DC （直流）连接的方式，这种电力转换装置是由把发电机的交流转换成直流的变流器以及与电网相同频率交流的变频器等构成的。

诱导发电机在并网时其发电机中没有自我励磁的功能，因此电压较低，在并网时将会出现突然流入电流的情况。这种AC连接方式相对于输出变动，对电力系统会直接造成影响，因此有时需要采用在并 网时能避免突然流入电流的软启动方式以及电压调整器。发电机的转数与电网频率有一定的关系，因此风轮的转数也是一定的。如今，大多数大型风力发电机中所采用的诱导发电机采用卷线形，通过外部电 压三相交流励磁进行控制，是可变速转动方式。

同步发电机一般是DC连接方式，采用可变速运行方式。

使风轮的转速根据风的强度变化的可变速运转方式具有减轻叶片以及主轴荷载，且容易进行机械以及材料设计的优势。

6.运行控制

通常叶片会自动转动，一旦达到切入风速将开始发电，如果超过切出风速将停止发电，如果风速低于再启动的风速，那么将再次进行发电。如果风速超过切出风速，为了安全起见将控制叶片安装角，使 叶片受风压力减少。风力发电机的控制方式以及出现强风时切出的控制状态如表L3所示。另外在验证 以及由于故障而停止时，可以在塔架基部或用远距离操作盘进行运行停止或运行开始等手动操作。

由于发电机的额定输出是有限制的，因此如果超过额定风速，需要对风力发电机的输出进行控制，输出控制包括桨距控制、失速控制、组合以往的失速叶片形状与叶片可变角度装置的主动失速控制。

关于桨距控制就是通过验证风速及发电机输出，使叶片的安装角（桨距角）变化，确保风轮的速度在合理的范围内，通常用油压或电动马达进行控制，但是有的小型装置采用机械调速器等进行机械控 制。桨距控制系统不是对输出进行控制，而是在出现超过切出风速的强风时，使风力发电机组保持与风向平行的状态（桨叶的水平运动状态），并使风轮停止转动，使风压变小，并且通过转速控制防止出现 过度旋转等情况，作为安全控制装置来使用。

失速控制是一种固定桨距角的控制方式，风速达到某一常数值时，由于叶片形状具有空气动力特性，容易造成失速现象，输出降低，失速控制装置将可以防止这一情况的出现。基本上都采用定速机的技术，相对于桨距控制装置而言，其结构较为简单且成本较低。

主动失速控制是一种广义的桨距控制方式。与以往的桨距控制方式不同，这是一种通过在产生失速的方向积极地控制桨距角从而控制输出的方式。

偏航控制系统可以使风轮的方向追随风向，在大型风力发电机组中，采用了强制（主动）偏航系统。强制偏航系统可以用风向传感器检测相对于风轮的风向，用油压或电动马达驱动的偏航驱动装置进行控制。

除了桨距控制中的桨叶水平运动装置外，制动装置包括油压控制等主动制动装置等。还包括在进行桨距控制时用偏航控制使风轮面平行于风向的装置，以及在风轮超速旋转时叶片前端部分由于离心力或 油压的作用所展开的空气制动装置。

运行监测装置是一种监测以及记录风力发电机组启动、停止、运行情况的装置，通过发电站的运行管理室以及电话线可以对其进行远距离操作。并且也可以连接到厂家或设备维护公司，在出现紧急情况 时他们可以作出紧急应对。风力发电机组运行控制的一览表如表2所示。

表2 风力发电机组的运行控制

7．运行特性

风力发电系统在超过一定风速时将开始发电，风速如果超过发电机额定输出所需风速时，将通过桨距控制或失速控制进行输出控制，并且如果风速进一步变大，为了防止出现危险情况，将停止风轮转 动，从而停止发电。风力发电系统的运行特性如图L3所示，各风速称为切入风速、额定风速、切出风速。这些风速数值根据机型不同而不同，但一般采用如下数值。

切入风速：3〜4m/s；

额定风速：12~17m/s；

切出风速：20~25m/s。

图3.风力发电用风力发电机组的功率曲线

8.坐标

一般规范中所使用的坐标如图4.〜图7.所示。

图4. 叶片坐标图

图5. 塔架顶部坐标

图6.塔架基础部分坐标

图7. 叶片横截面中偏角φ与风荷载的关系