任务三　了解风力发电技术

一、风力发电基本原理

风力发电是一个由风力机（风机）将捕获到的风能转化为机械能，并通过主轴、齿轮箱等传动机构将机械能传递给发电机，再由发电机将机械能转换为电能的过程。如图1-3-1所示。

由于MW级风电机组齿轮箱损坏率较高，由此而有了直驱式风电机组（无齿轮箱）。风电机组常用功率调节方式有失速调节和变桨距调节两种。

二、风力发电机组介绍

1.风力发电机组分类

按风轮叶片分类　定桨型、变桨型。

按风轮转速分类　定速型、变速型。

按传动机构分类　齿轮箱升速型、直驱型。

按发电机分类　异步型、同步型。

按并网方式分类　并网型、离网型。

2.风力发电的发展

2015年，全球风电新增装机容量63.01GW，同比上升2.41％，如图1-3-2所示。

截至2015年年底，全球风电装机容量达到4.33亿千瓦。全球风能理事会预计，到2020年年底，全球风电装机容量将增长近一倍至7.92亿千瓦。风电在价格、表现和可靠性方面正在朝向更有竞争力的方向发展。

中国继续引领全球风电增长，2015年我国新增装机容量达到30.5GW，位列第一；排在第二的美国风电延续了缓慢复苏的趋势，新增装机容量达到8.59GW；德国以6.01GW新增装机容量位列全球第三；巴西和印度分别以2.75GW、2.62MW的新增容量位居全球风电新增容量第四和第五。如图1-3-3所示。

2015年在全球风电产业回暖的利好驱动下，风电整机企业新增装机容量得到稳定增长，金风科技凭借7.8GW的全球新增装机，一跃成为当年全球最大风电整机制造商。中国本土装机容量占其总装机容量的99％。丹麦的维斯塔斯、美国的GE、德国的西门子和西班牙的歌美飒分列二到五位。如表1-3-1所示。

2015年，中国风电累计装机容量达到145.1GW，其中并网容量达到129GW，占全部发电装机容量8.6％。2015年，风电发电量1863亿千瓦时，占全部发电量的3.3％。

3.大型风力发电机组的发展模式

陆地风力发电，其方向是低风速发电技术，主要机型是2～5MW的大型风力发电机组，这种模式关键是向电网输电。

近海风力发电，主要用于比较浅的近海海域，安装5MW以上的大型风力发电机，布置大规模的风力发电场，这种模式的主要制约因素是风力发电场的规划和建设成本。但是近海风力发电的优势是明显的，即不占用土地，海上风力资源较好。

4.大型风力发电机组的发展趋势

①变桨距调节方式迅速取代失速调节方式。

②变速运行方式迅速取代恒速运行方式。

③机组规模向大型化发展。

④直驱永磁、异步双馈两种形式共同发展。

三、大型水平轴风电机组的结构组成

风力发电机组就安装结构而言，可分为两种类型：一种是水平轴风力发电机组，叶片安装在水平轴上；另一种是垂直轴风力发电机组，风轮轴是垂直布置的，由叶片带动垂直轴转动，再去带动发电机进行发电。垂直轴风力发电机组的增速器、联轴器、发电机、制动器等都是安装在地面上的，整个机组的安装、调试和维修均比水平轴风力发电机要方便一些。但由于一些难以解决的技术问题，垂直轴风力发电机组的发展和应用受到了很大的限制。下面主要介绍大型水平轴风力发电机组的结构。

大型水平轴风力发电机组主要由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴（直驱式变速恒频风力发电机组无增速齿轮箱）。其主要功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。

电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网。其主要功能是将机械能转换为频率恒定的电能。

大型水平轴风力发电机组主要由叶轮、调速或限速装置、偏航系统、传动机构、发电机系统、塔架、控制系统等组成，如图1-3-4～图1-3-6所示。

1.叶轮

叶轮又叫风轮。风力发电机区别于其他机械的最主要特征，就是叶轮它由3个叶片和轮毂所组成，将风能转换为机械能，如图1-3-7和图1-3-8所示。

叶片装在轮毂上。叶片采用玻璃纤维或高强度复合材料制成。

轮毂是叶轮的枢纽，连接叶片根部与主轴（低速轴）。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传递到传动系统，再传到风力发电机驱动的对象。轮毂也是控制叶片桨距（使叶片做俯仰转动）的所在。要求轮毂能承受大的、复杂的载荷。

2.调速或限速装置

在很多情况下，要求风力发电机不论风速如何变化，转速总保持恒定或不超过某一限定值，为此而采用了调速或限速装置。当风速过高时，这些装置还用来限制功率，并减小作用在叶片上的力。调速或限速装置有各种各样的类型，但从原理上来看大致有三类：一类是使叶轮偏离主风向，另一类是利用气动阻力，第三类是改变叶片的桨距角。

3.偏航系统

为了让叶轮能自然地对准风向，通常风力发电机都会采用调向装置。对大型风力发电机组而言，一般采用的是电动机驱动的风向跟踪系统。整个偏航系统由电动机及减速机构、偏航调节系统和扭缆保护装置等部分组成。偏航调节系统包括风向标和偏航系统调节软件。

风向标对应每一个风向都有一个相应的脉冲输出信号。通过偏航系统软件，确定其偏航方向和偏航角度，然后将偏航信号放大传送给电动机，通过减速机构转动风力机平台，直到对准风向为止。

4.传动系统

风力发电机的传动系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴器和制动器等，但不是每一种风力发电机都必须具备所有这些环节。有些风力发电机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。也有一些风力发电机设计成无齿轮箱的，叶轮直接连接到发电机。

传动系统将机械能传递给发电机，包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力发电机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。

齿轮箱用于增加叶轮转速，从20～50r/min到1000～1500r/min，后者是驱动大多数发电机所需的转速。

齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是较昂贵的一种，允许输入、输出轴共线，使结构更紧凑。

传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。

由于叶轮功率输出有波动，一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，这对大型的风力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。

5.发电机系统

发电机及其控制系统承担由机械能到电能的转换任务。

恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，所采用的发电机主要有两种，即同步发电机和笼型感应发电机。

变速恒频发电机系统是20世纪70年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点在于叶轮以变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力发电机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力机高得多。此外，这种风力发电机在结构上和实用中还有很多的优越性。

常见的几种风力发电机类型如图1-3-9～图1-3-11所示。

6.塔架

塔筒除支撑风力机的重量，还要承受吹向风力发电机和塔架的风压，以及风力发电机运行中的动载荷。其刚度和风力发电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。管柱型塔架较为常见，一般为大型钢管和混凝土塔筒，如图1-3-12所示。

中、大型塔架为了运输方便，可以将塔筒分成几段。

一般圆柱形塔架对风的阻力较小，特别是对于下风向风力发电机，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。

并网型风力发电机组属于重型发电设备，整个设备高达百米以上，重量在数百吨，因此风力发电机组的装配不可能在生产厂全部完成。因为若在生产厂完全装配好，到风力发电场的运输问题目前根本无法解决。所以风力发电机组的装配是在生产厂进行部分装配，而未装配的部分必须在风力发电场安装时再进行现场装配。

四、风力发电系统实训步骤

根据课程的需要，到风力发电场现场了解、学习风电场的基本知识，了解从安全进入工作场地到完整参观风力发电场的全过程。

1.安全准备工作

执行风电场安全防护管理规范要求，穿工作服装，戴工作帽，检查安全绳、扣是否可靠，对需要工作使用的工具办理申报领用手续。

2.地面参观学习

学习地面设备变电系统、控制系统、塔筒结构、地基结构、基础连接结构、二层平台结构和安全助理系统结构。

3.爬塔筒到机舱学习

加装安全装置，爬升到机舱，参观学习从轮毂结构、变桨机构、低速传动轴、升速变速箱、高速传动轴、发电机组、信号和控制系统和液压系统等。

【练习题】

（1）大型水平轴风力发电机组由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

（2）中、大型风力发电机组塔筒的形状是什么样的？是否是整体的结构？

（3）试画出大型水平轴风电机组系统拓扑图。