風力發電機組成結構圖：大型風力發電機的結構圖

　　風力發電機就安裝結構而言，可分為兩種類型：一種是水平軸風力發電機，葉片安裝在水平軸上；另一種是垂直軸風力發電機，風輪軸是垂直布置的，由葉片帶動垂直軸轉動，再去帶動發電機進行發電。垂直軸風力發電機的增速器、聯軸器、發電機、制動器等都是安裝在地面上的，整個機組的安裝、調試和維修均比水平軸風力發電機要方便一些。但由于一些難以解決的技術問題，垂直軸風力發電機的發展和應用受到了很大的限制。下面主要介紹水平軸風力發電機的結構以及工作過程。

　　大型水平軸風力發電機主要由塔架、風輪、機艙以及控制系統等部件構成。

　　塔架是風力發電機的安裝支撐，一般有型鋼桁架結構、混凝土結構、圓錐型鋼管焊接并組裝而成的3種結構。

　　風輪一般是由2～3個葉片裝在輪轂上組成，是風力發電機接受風能的部件。大型風力發電機的葉片直徑都在60m以上，有的甚至到100多米。

　　由于葉片在轉動過程中，距離回轉中心不同半徑處葉片的線速度不相同，所接受風的能量也不相同。為了使葉片各部分接受的風能大致相同，通常將葉片結構加工成從葉片根部至葉片尖部是漸縮的，同時扭轉一定角度的機翼型扭曲葉片。所有的風輪葉片都應具有承受沙暴、鹽霧侵襲的能力，并且具備防雷的措施。

　　風力發電機機艙的主要結構見圖1。

　　1.轉盤底座 2.調向制動器 3.調向電機 4.低速端聯軸器 5.增速機 6.機艙底座 7.勵磁機 8.交流發電機 9.高速端聯軸器 10.高速軸制動器 11.機艙 12.登高爬梯 13.變槳矩控制軸承 14.變槳矩液壓油缸 15.變槳矩控制連桿 16.風輪葉片 17.風輪輪轂 18.風輪軸承 19.轉盤軸承 20.三相交流電輸出裝置 21.風輪接合器

　　圖1 風力發電機機艙的結構示意圖

　　機艙是風力發電機主要的傳動、控制、發電部分，由增速器、聯軸器、制動器、調速裝置和發電機等構成。機艙內部設有消聲設施，并具有良好的通風條件 。機艙設有登機入口，以供登塔檢修人員進入。機艙和筒式塔架具有防止小動物進入的防護設施。

風力發電機組成結構圖：風力發電基礎知識 風機組成結構

　　葉輪

　　風電場的風力機通常有２片或３片葉片，葉尖速度50～70ｍ／ｓ，具有這樣的葉尖速度，3葉片葉輪通常能夠提供最佳效率，然而2葉片葉輪僅降低2～3％效率。甚至可以使用單葉片葉輪，它帶有平衡的重錘，其效率又降低一些，通常比2葉片葉輪低6％。盡管葉片少了，自然降低了葉片的費用，但這是有代價的。對于外形很均衡的葉片，葉片少的葉輪轉速就要快些，這樣就會導致葉尖噪聲和腐蝕等問題。更多的人認為3葉片從審美的角度更令人滿意。3葉片葉輪上的受力更平衡，輪轂可以簡單些，然而2葉片、1葉片葉輪的輪轂通常比較復雜，因為葉片掃過風時，速度是變的，為了限制力的波動，輪轂具有翹翹板的特性。翹翹板的輪轂，葉輪鏈接在輪轂上，允許葉輪在旋轉平面內向后或向前傾斜幾度。葉片的擺動運動，在每周旋轉中會明顯的減少由于陣風和剪切在葉片上產生的載荷。

　　葉片是用加強玻璃塑料（GRP）、木頭和木板、碳纖維強化塑料（CFRP）、鋼和鋁構成的。對于小型的風力發電機，如葉輪直徑小于５米，選擇材料通常關心的是效率而不是重量、硬度和葉片的其它特性。對于大型風機，葉片特性通常較難滿足，所以對材料的選擇更為重要。

　　世界上大多數大型風力機的葉片是由GRP制成的。這些葉片大部分是用手工把聚脂樹脂敷層，和通常制造船殼、園藝、游戲設施及世界范圍內消費品的方法一樣。其過程需要很高的技術水平才能得到理想的結果，并且如果人們對重量不太關心的話，比如對于長度小于２０米的葉片，設計也不很復雜。不過有很多很先進的利用GRP的方法，可以減小重量，增加強度，在此就不贅述了。玻璃纖維要較精確的放置，如果把它放在預浸片材中，使用高性能樹脂，如控制環氧樹脂比例，并在高溫下加工處理。當今，出現了簡單的手工鋪放聚脂，通過認真地選擇和放置纖維，為GRP葉片提供了降低成本的途徑。

　　偏航系統

　　風力機的偏航系統也稱為對風裝置，其作用在于當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩地對準風向，以便風輪獲得最大的風能。

　　小微型風力機常用尾舵對風，它主要有兩部分組成，一是尾翼，裝在尾桿上與風輪軸平行或成一定的角度。為了避免尾流的影響，也可將尾翼上翹，裝在較高的位置。

　　中小型風機可用舵輪作為對風裝置，其工作原理大致如下：當風向變化時，位于風輪后面兩舵輪（其旋轉平面與風輪旋轉平面相垂直）旋轉，并通過一套齒輪傳動系統使風輪偏轉，當風輪重新對準風向后，舵輪停止轉動，對風過程結束。

　　大中型風力機一般采用電動的偏航系統來調整風輪并使其對準風向。偏航系統一般包括感應風向的風向標，偏航電機，偏航行星齒輪減速器，回轉體大齒輪等。其工作原理如下：

　　風向標作為感應元件將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機的控制回路的處理器里，經過比較后處理器給偏航電機發出順時針或逆時針的偏航命令，為了減少偏航時的陀螺力矩，電機轉速將通過同軸聯接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對風，當對風完成后，風向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束。

　　風機的發電機

　　所有并網型風力發電機通過三相交流（AC）電機將機械能轉化為電能。發電機分為兩個主要類型。同步發電機運行的頻率與其所連電網的頻率完全相同，同步發電機也被稱為交流發電機。異步發電機運行時的頻率比電網頻率稍高，異步發電機常被稱為感應發電機。

　　感應發電機與同步發電機都有一個不旋轉的部件被稱為定子，這兩種電機的定子相似，兩種電機的定子都與電網相連，而且都是由疊片鐵芯上的三相繞組組成，通電后產生一個以恒定轉速旋轉的磁場。盡管兩種電機有相似的定子，但它們的轉子是完全不同的。同步電機中的轉子有一個通直流電的繞組，稱為勵磁繞組，勵磁繞組建立一個恒定的磁場鎖定定子繞組建立的旋轉磁場。因此，轉子始終能以一個恒定的與定子磁場和電網頻率同步的恒定轉速上旋轉。在某些設計中，轉子磁場是由永磁機產生的，但這對大型發電機來說不常用。

　　感應電機的轉子就不同例如，它是由一個兩端都短接的鼠籠形繞組構成。轉子與外界沒有電的連接，轉子電流由轉子切割定子旋轉磁場的相對運動而產生。如果轉子速度完全等于定子轉速磁場的速度（與同步發電機一樣），這樣就沒有相對運動，也就沒有轉子感應電流。因此，感應發電機總的轉速總是比定子旋轉磁場速度稍高，其速度差叫滑差，在正常運行期間。它大概為1%。

　　同步發電機和異步發電機

　　將機械能轉化為電能裝置的發電機常用同步勵磁發電機、永磁發電機和異步發電機。同步發電機應用非常廣泛，在核電、水電、火電等常規電網中所使用的幾乎都是同步發電機，在風力發電中同步發電機即可以獨立供電又可以并網發電。然而同步發電機在并網時必須要有同期檢測裝置來比較發電機側和系統側的頻率、電壓、相位，對風力發電機進行調整，使發電機發出電能的頻率與系統一致；操作自動電壓調壓器將發電機電壓調整到與系統電壓相一致；同時，微調風力機的轉速從周期檢測盤上監視，使發電機的電壓與系統的電壓相位相吻合，就在頻率、電壓、相位同時一臻的瞬間，合上斷路器將風力發電機并入系統。同期裝置可采用手動同期并網和自同期并網。但總體來說，由于同步發電機造價比較高，同時并網麻煩，故在并網風力發電機中很少采用。

　　控制監測系統

　　風力機的運行及保護需要一個全自動控制系統，它必須能控制自動啟動，葉片槳距的機械調節裝置（在變槳距風力機上）及在正常和非正常情況下停機。除了控制功能，系統也能用于監測以提供運行狀態、風速、風向等信息。該系統是以計算機為基礎，除了小的風力機，控制及監測還可以遠程進行。控制系統具有及格主要功能：

　　1、順序控制啟動、停機以及報警和運行信號的監測

　　2、偏航系統的低速閉環控制

　　3、槳距裝置(如果是變槳距風力機)快速閉環控制

　　4、與風電場控制器或遠程計算機的通訊

　　風機傳動系統

　　葉輪葉片產生的機械能有機艙里的傳動系統傳遞給發電機，它包括一個齒輪箱、離合器和一個能使風力機在停止運行時的緊急情況下復位的剎車系統。齒輪箱用于增加葉輪轉速，從20~50轉/分到1000~1500轉/分，后者是驅動大多數發電機所需的轉速。齒輪箱可以是一個簡單的平行軸齒輪箱，其中輸出軸是不同軸的，或者它也可以是較昂貴的一種，允許輸入、輸出軸共線，使結構更緊湊。傳動系統要按輸出功率和最大動態扭矩載荷來設計。由于葉輪功率輸出有波動，一些設計者試圖通過增加機械適應性和緩沖驅動來控制動態載荷，這對大型的風力發電機來說是非常重要的，因其動態載荷很大，而且感應發電機的緩沖余地比小型風力機的小。

　　異步發電機

　　永磁發電機是一種將普通同步發電機的轉子改變成永磁結構的發電機，常用的永磁材料有鐵氧體（BaFeO）、釤鈷5(SmCo)等，永磁發電機一般用于小型風力發電機組中。

　　異步發電機是指異步電機處于發電的工作狀態，從其激勵方式有電網電源勵磁發電（他勵）和并聯電容自勵發電（自勵）兩種情況。

　　電網電源勵磁發電：是將異步電機接到電網上，電機內的定子繞組產生以同步轉速轉動的旋轉磁場，再用原動機拖動，使轉子轉速大于同步轉速，電網提供的磁力矩的方向必定與轉速方向相反，而機械力矩的方向則與轉速方向相同，這時就將原動機的機械能轉化為電能。在這種情況下，異步電機發出的有功功率向電網輸送；同時又消耗電網的無功功率作勵磁作用，并供應定子和轉子漏磁所消耗的無功功率，因此異步發電機并網發電時，一般要求加無功補償裝置，通常用并列電容器補償的方式。

　　２、并聯電容器自勵發電：并聯電容器的連接方式分為星形和三角形兩種。勵磁電容的接入在發電機利用本身的剩磁發電的過程中，發電機周期性地向電容器充電；同時，電容器也周期性地通過異步電機的定子繞組放電。這種電容器與繞組組成的交替進行充放電的過程，不斷地起到勵磁的作用，從而使發電機正常發電。勵磁電容分為主勵磁電容和輔助勵磁電容，主勵磁電容是保證空載情況下建立電壓所需要的電容，輔助電容則是為了保證接入負載后電壓的恒定，防止電壓崩潰而設的。

　　通過上述的分析，異步發電機的起動、并網很方便且便于自動控制、價格低、運行可靠、維修便利、運行效率也較高、因此在風力發電方面并網機組基本上都是采用異步發電機，而

　　同步發電機則常用于獨立運行方面。

　　偏航系統的設計

　　根據調向力矩的大小，可以進行齒輪傳動部分的設計計算。當驅動回轉體大齒輪的主動小齒輪的強度不能滿足時，可選用兩套偏航電機－－－行星齒輪減速器分置于風輪主輪的兩側對稱布置，每個電機的容量為總容量的一半。齒輪傳動計算可按開式齒輪傳動計算，其主要的磨損形式是齒面磨損失效，如調向力矩較大，除按照彎曲強度計算之外，應計算齒面接觸強度。

　　值得注意的是，大多數風機的發電機輸出功率的同軸電纜在風力機偏航時一同旋轉，為了防止偏航超出而引起的電纜旋轉，應該設置解纜裝置，并增加扭纜傳感器以監視電纜的扭轉狀態。位于下風向布重的風輪，能夠自動找正風向。在總體布置時應考慮塔架前面的重量略重一些，這樣在風機運行時平衡就會好一些。

　　電機的切換

　　根據風速決定是選擇小發電機并網發電，還是選擇大發電機空轉，若風速低于8米/秒，則小發電機并網運行且風機運行狀態切換到“投入G2”。如果風速高于8米/秒，則選擇“空轉G1”運行狀態。

　　投入G2：

　　小發電機接觸器閉合，發電機并網電流由可控硅控制到350A。一旦投入過程完成，可控硅切除，風機切換到“運行G2”狀態。

　　風電投入小發電機發電，如果平均輸出功率在某一單位時間內太低，這是小發電機斷開且風機切換到“等待重新支轉”的狀態。如果平均輸出功率超過了限定值110KW，則小發電機切除，風機運行狀態切換到“G1空轉”。

　　G1空轉：

　　風機等待風速達到投入大電機的風速，一旦達到這個風速則風機就切換到“投入G1”狀態。

　　投入G1：

　　大發電機的接觸接通。發電機的并網電流由可控硅將其限定在350A。投入過程一結束，可控硅切除，風機切換到“運行G1”狀態。

　　運行G1

　　風機的大電機投入發電，如果功率輸出在一定的時間內少于限定值80KW，大發電機切除，風機的運行狀態切換到“切換G11-G12”狀態。

　　切換G1-G2

　　大發電機的接觸器切除小發電機的接觸器接通，可控硅將發電機的電流限定到700A，一旦投入過程完成，可控硅切除，風機轉為“運轉G2”狀態。

　　等待再投入

　　如果小發電機的出力小于限定值，則此運行狀態動作。此狀態下，小發電機的接觸器被切除，如果風速有效，風機就切換到“投入G2”狀態，如果風速低于限定值，風機將切換到“空轉G2”狀態。

　　風機工作狀態之間轉變

　　風機工作狀態之間轉變

　　說明各種工作狀態之間是如何實現轉換的。

　　提高工作狀態層次只能一層一層地上升，而要降低工作狀態層次可以是一層或多層。這種工作狀態之間轉變方法是基本的控制策略，它主要出發點是確保機組的安全運行。如果風力發電機組的工作狀態要往更高層次轉化，必須一層一層往上升，用這種過程確定系統的每個故障是否被檢測。當系統在狀態轉變過程中檢測到故障，則自動進入停機狀態。

　　當系統在運行狀態中檢測到故障，并且這種故障是致命的，那么工作狀態不得不從運行直接到緊停，這可以立即實現而不需要通過暫停和停止。

　　下面我們進一步說明當工作狀態轉換時，系統是如何動作的。

　　1．工作狀態層次上升

　　緊停→停機

　　如果停機狀態的條件滿足，則：

　　1)關閉緊停電路；

　　2)建立液壓工作壓力；

　　3)松開機械剎車。

　　停機→暫停

　　如果暫停的條件滿足，則，

　　1)起動偏航系統；

　　2)對變槳距風力發電機組，接通變槳距系統壓力閥。

　　暫停→運行

　　如果運行的條件滿足，則：

　　1)核對風力發電機組是否處于上風向；

　　2)葉尖阻尼板回收或變槳距系統投入工作；

　　3)根據所測轉速，發電機是否可以切人電網。

　　2．工作狀態層次下降

　　工作狀態層次下降包括3種情況：

　　(1)緊急停機。緊急停機也包含了3種情況，即：停止→緊停；暫停→緊停；運行→緊停。其主要控制指令為：

　　1)打開緊停電路；

　　2)置所有輸出信號于無效；

　　3)機械剎車作用；

　　4)邏輯電路復位。

　　(2)停機。停機操作包含了兩種情況，即：暫停→停機；運行→停機。

　　暫停→停機

　　1)停止自動調向；

　　2)打開氣動剎車或變槳距機構回油閥(使失壓)。

　　運行→停機

　　1)變槳距系統停止自動調節；

　　2)打開氣動剎車或變槳距機構回油閥(使失壓)；

　　3)發電機脫網。

　　(3)暫停。

　　1)如果發電機并網，調節功率降到。后通過晶閘管切出發電機；

　　2)如果發電機沒有并入電網，則降低風輪轉速至0。

　　(三)故障處理

　　工作狀態轉換過程實際上還包含著一個重要的內容：當故障發生時，風力發電機組將自動地從較高的工作狀態轉換到較低的工作狀態。故障處理實際上是針對風力發電機組從某一工作狀態轉換到較低的狀態層次可能產生的問題，因此檢測的范圍是限定的。

　　為了便于介紹安全措施和對發生的每個故障類型處理，我們給每個故障定義如下信息：

　　1)故障名稱；

　　2)故障被檢測的描述；

　　3)當故障存在或沒有恢復時工作狀態層次；

　　4)故障復位情況(能自動或手動復位，在機上或遠程控制復位)。

　　(1)故障檢測。控制系統設在頂部和地面的處理器都能夠掃描傳感器信號以檢測故障，故障由故障處理器分類，每次只能有一個故障通過，只有能夠引起機組從較高工作狀態轉入較低工作狀態的故障才能通過。

　　(2)故障記錄。故障處理器將故障存儲在運行記錄表和報警表中。

　　(3)對故障的反應。對故障的反應應是以下三種情況之一：

　　1)降為暫停狀態；

　　2)降為停機狀態；

　　3)降為緊急停機狀態。

　　4)故障處理后的重新起動。在故障已被接受之前，工作狀態層不可能任意上升。故障被接受的方式如下：

　　如果外部條件良好，一此外部原因引起的故障狀態可能自動復位。一般故障可以通過遠程控制復位，如果操作者發現該故障可接受并允許起動風力發電機組，他可以復位故障。有些故障是致命的，不允許自動復位或遠程控制復位，必須有工作人員到機組工作現場檢查，這些故障必須在風力發電機組內的控制面板上得到復位。故障狀態被自動復位后10min將自動重新起動。但一天發生次數應有限定，并記錄顯示在控制面板上。

　　如果控制器出錯可通過自檢(WATCHDOG)重新起動。

風力發電機組成結構圖：風力發電機的結構組成

　　1、機艙：機艙包容著風力發電機的關鍵設備，包括齒輪箱、大電流發生器。維護人員可以通過風力發電機塔進入機艙。機艙左端是風力發電機轉子，即轉子葉片及軸。

　　2、轉子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉子軸心。現代600千瓦風力發電機上，每個轉子葉片的測量長度大約為20米，而且被設計得很象飛機的機翼。

　　3、軸心：轉子軸心附著在風力發電機的低速軸上。

　　4、低速軸：風力發電機的低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起。在現代600千瓦風力發電機上，轉子轉速相當慢，大約為19至30轉每分鐘。軸中有用于液壓系統的導管，來激發空氣動力閘的運行。

　　5、齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉速提高至低速軸的50倍。

　　6、高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉每分鐘運轉，并驅動發電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風力發電機被維修。

　　7、發電機：通常被稱為感應電機或異步發電機。在現代風力發電機上，大電力輸出通常為500至1500千瓦。

　　8、偏航裝置：借助電動機轉動機艙，以使轉子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常在風改變其方向時，風力發電機一次只會偏轉幾度。

　　9、電子控制器：包含一臺不斷監控風力發電機狀態的計算機，并控制偏航裝置。電流發生器廠家提示為防止任何故障（即齒輪箱或發電機的過熱），該控制器可以自動停止風力發電機的轉動，并通過電話調制解調器來呼叫風力發電機操作員。

　　10、液壓系統：用于重置風力發電機的空氣動力閘。

　　11、冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內的油。一些風力發電機具有水冷發電機。

　　12、塔：風力發電機塔載有機艙及轉子。通常高的塔具有優勢，因為離地面越高，風速越大。現代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優點在于它比較便宜。

　　13、風速計及風向標：用于測量風速及風向。

風力發電機組成結構圖：風力發電機結構圖

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