1.1　风力发电系统的主要类型和结构

1.1.1　风力发电系统的主要种类

在风力发电技术领域，风力发电机组是特别重要的核心设备之一，其性能参数很大程度上会影响到风力发电系统的诸多经济和技术指标。因此，必须高度重视风力发电机的选型，因为这个问题涉及所有风力发电的正常、高效运行。风力发电机性能的好坏不仅决定了整个机组的无故障运行年限，而且决定了风能转化和利用的程度，毫不夸张地说，一个风力发电机组的运行状态有时会影响到整个电力系统的正常运行。从总体上说，风力发电技术是一个十分重要的学术分支，它涉及电气控制、机械制造和自动化等多学科技术层面。

了解风力发电系统的基本组成和工作原理，对进行风力发电机组的设计与开发利用非常重要。只有从整体上全面、系统地认识风力发电机组，才能设计和构建出结构合理、运行效果良好的风力发电系统。

目前，风力发电机通常按功率大小、传动形式和结构等进行分类，如下所述。

1.依据风力发电机功率的大小分类

依据风力发电机的额定功率大小，风力发电机组通常可以分为小型风力发电机（额定功率范围为0.1～1kW）、中型风力发电机（额定功率范围为1～100kW）、大型风力发电机（额定功率范围为100～1000kW）和特大型风力发电机（额定功率通常在1000kW以上）。今天，2MW和3MW左右的风力发电机已在我国风力发电领域出现，额定功率更大的特大型风力发电装置不久也会进入应用领域。

2.依据风力发电机旋转主轴的方向分类

风力发电机组中，风轮机的功能是最大化地接收通过风轮旋转面的流动空气的全部动能，并将其转换为在风力发电系统轴上输出的机械能，换句话说，风轮机在风力发电系统中的作用是把风能转化为机械能。按照风轮机旋转主轴的空间位置划分，风轮机一般分为两大类，即水平轴风轮机和垂直轴风轮机。水平轴风轮机须具有改变方向的装置，风轮位置应处于塔架的最上端，只有这样，才能尽可能捕获风能。垂直轴风轮机的风轮一般不需要额外增加调节方向的装置，风轮的安装位置可根据需要来选择。为了维修和安装方便，大多数此类风轮机安装在离地面较近的塔架上。

（1）水平轴风力发电机。风轮机的主轴总是保持与风向平行，正常运行时，其旋转平面与风向成90°夹角。水平轴风力发电机的安装实物图如图1.1所示，由图可知这类风轮机运行时，风叶掠过的面积很大，风能转化效率通常较高，加之其调节技术相对完善，因此目前仍然是风力发电领域应用的热点机型。

（2）垂直轴风力发电机。风轮轴垂直正对风向，安装实物图如图1.2所示。由图可知这种结构的风轮机可以捕获来自四面八方的风能。众所周知，空气流动形成的风的方向多变，无论风向如何变化，该种风轮都能够捕获风能，而不需要专门安装调节转向的装置，因此故障率和维修量相对较小。减速机构和发电机本体能够安放在地面上，因此有利于后期的保养和维修。除具有上述优点外，其缺点是风轮机高效捕获风能的控制技术还不完善，因此风能的转化效率不高，且当风速较低时风轮机不容易启动。因此，目前在风力发电领域垂直轴风力发电机的使用受到了很大的限制。

水平轴风力发电机和垂直轴风力发电的风轮，必须通过齿轮箱等速度调节装置来实现速度的变化。一般来说，速度的变化通过齿轮传动变速机构来实现，齿轮传动变速机构将风轮机从流动空气中捕捉的能量转换为风力发电机转子的动能。综上所述，当风力发电机的额定容量不大时或风力发电机转子的速度不高时，可省去调速的机械装置。

3.依据风力发电机功率的调整方法分类

依据功率的调整方法分类及机组特征如表1.1所示。

4.依据风力发电系统的传动方式分类

风力发电机组按传动的方式分类及各类型的组成与特点如表1.2所示。

5.依据风力发电机组叶轮的转速是否变化分类

（1）恒定速。恒定速风力发电机组定义为发电机转子的转速保持不变时，风能的输出不会随风速的大小改变而发生相应的改变。

（2）多态定速。多态定速通常是指存在两台或两台以上的风力发电机时，按照转速的不断变化，需要将不同功率和台数的风力发电机切换为运行状态。

（3）变速。变速是指发电机工作时，转子转速随风速大小时刻发生改变的情况。由于这种风力发电机群的机械应力小、成本低、效率高，因此主流的大型风力发电机组都采用变速恒频运行方式。

最常见的大型风力发电机组主要有恒速恒频发电机组和变速恒频发电机组[1～6]。

1.1.2　风力发电系统的结构

风力发电系统一般分为4部分，即风轮机构、风力发电机舱、位于底部的风力发电系统的基础，以及安装风轮和机舱的塔架，如图1.3所示。风力发电系统将风能转化为电能的原理简述如下：风力发电机启动后，将捕获的风能转换为风轮机高速旋转的动能，高速转动的风轮带动机械传动部件运动，使得风力发电机的转子旋转，完成启动；随着转子转速的不断提高，发电机的定子侧输出电能。综上所述，风力发电系统的主要作用就是把风能转换为机械能，然后通过风力发电机把机械能转换为电能。

1.风力发电系统整体结构的基础

风力发电系统要能够平稳运行，位于下部起固定系统作用的基础就必须满足设计要求，否则就会因为在运行中产生过大震动而发生损坏。基础作为风力发电系统最主要的承载部件，承担了机组的全部竖向荷载和水平荷载，这些荷载的大致来源包括：风轮、机舱和塔架的重量，来自不同方向的风荷载，风轮旋转产生的震动力矩，系统偏航运行时出现的扭矩综合荷载等。

因为钢筋混凝土基础对固定在其上的部件的支撑效果非常好，所以迄今为止国内外较大规模的风力发电系统均采用钢筋混凝土结构作为基础，如图1.4所示。依据基础的结构外形进行分类，基础一般分为厚板块、多桩和单桩等结构形式。地表接近硬性土质时，首选梁板式基础结构；地层土质疏松时，应选择桩基础结构。

2.风力发电系统的塔架

主流大规模风力发电系统均使用圆筒形钢制塔架结构，因为其抗震动能力较强。塔架是风力发电系统的关键承载部件之一，其主要功能是将机组上部产生的荷载传递给基础。塔架的组成包括塔筒、塔门、爬梯、平台、电缆支架和照明装置，还包括在某些塔筒内布置的升降机构。圆筒式塔架实物图如图1.5所示，其具体组成及各部分的作用如表1.3所示。

3.风力发电机装置的风轮机构

风轮机构可以把风能转换为发电机转子旋转的机械能，因此风轮机构是风力发电系统的关键组成之一。主流风力发电机组通常为水平轴迎风型、双叶型或三叶型，如图1.6所示，这几种风力发电机组的风轮系统的功率从几千瓦到几兆瓦不等，具体取决于风轮直径的大小。风轮的组成主要包括叶片、轮毂、导流罩和变桨系统的执行机构。

（1）叶片。风轮机前端旋转的叶片是采集风能的核心器件。叶片结构中的形状设计、材质选用等因素，关系到风力发电转换的性能和输出功率的大小，因此叶片是风力发电机组中至关重要的部件之一。

（2）轮毂。轮毂是风力发电机组中的重要部件，它连接主轴和叶片，将风轮的扭矩传递给齿轮箱或发电机。轮毂通常有球形和三圆柱形两种。

（3）变桨系统的执行机构。变桨系统是风力发电机组中调节功率的装置，它由驱动用的电动机、机械变速部分和可调桨距轴承部分组成。在叶片和轮毂之间设置变桨驱动电动机，拖动回转轴承旋转，最终调节叶片的迎风角度，可实时调整叶片的上升浮力，进而相应地调整施加到风轮叶片上的扭矩和输出功率。

（4）导流罩。导流罩的材质通常是玻璃钢，主要作用是减小风的阻力。

4.风力发电机舱

风力发电机舱由底盘和机舱罩组成，底盘上安装有控制器和其他部件。机舱罩后上方设有风速和风向检测装置；另外，舱壁的上方还装设有隔音和通风装置，最下部则和塔架相接。机舱上安装有散热器，用于冷却齿轮箱和发电机；同时，在机舱内还安装有加热器，以便风力发电机组在冬季寒冷的环境下，将机舱内的温度保持在10℃以上。

机舱内安装有风力发电机组的大部分传递、发电、控制设备，包括主轴、主轴承、冷却风扇、高速轴、齿轮箱、发电机、液压站、偏航电动机、电控柜、机舱通风扇等，如图1.7所示。

5.增速系统

增速系统中的机械齿轮箱非常重要，其作用是将风轮机传来的动力转换为机械旋转力，启动发电机，并使得转速快速上升到满足发电要求的值，因为通常情况下风速较低，导致风轮转速低，达不到发电机平稳输出电能的要求。

6.风力发电机组的发电机

众所周知，风力发电机是将不断变化的风能高效转化为电能的电力装置。发电机的种类很多，其工作原理都基于电磁感应定律、电磁学定律和力学定律。

风力发电机由定子绕组和定子铁心、转子绕组和转子铁心、机壳、电机端盖和旋转轴承等组成。转子包括转子轴承、转子铁心、三相交流转子绕组、集电环和散热的风扇等。

风力发电机通常分为同步发电机和异步发电机两种。同步发电机与电网并联运行时，其定子绕组的频率必须和三相交流电网的频率一致，因此有时也称其为交流风力发电机；异步风力发电机运转时，其定子三相绕组的频率和电网的频率不一致，因此又称感应风力发电机。目前，风力发电系统中多采用异步发电机，因为其频率和转速都可调节，可在同步转速上下小幅变动，发电效率和控制效果较好。

同步发电机中的转子必须采用直流绕组励磁，这样才能使转子产生的恒定磁场铰链定子绕组的旋转磁场。因此，转子保持恒定转速，其频率和电网的频率保持不变。在永磁发电机中，转子磁场靠永磁体励磁。

鼠笼式异步发电机的转子为闭合鼠笼形式。转子与发电机之间通过变速机构相连，转子电流产生的原理是电磁感应。由于转子的转速略高于三相空间同步旋转磁场的转速，所以称异步发电机。因此，鼠笼式异步风力发电机转子的转速必须高于同步旋转磁场的转速。

7.风力发电机组的偏航系统

由于自然风风向的不确定性和风的不稳定性，风力发电机组的风轮需要反复偏航对风来获得最大功率。叶片旋转平面和风向的夹角不为90°时，风能转换为电能的效率就会下降，风力系统的机械冲击应力就会增大，因此需要采取措施来改善这种情况，如采用偏航系统来跟踪风向的变化，可将驱动机舱始终限定在塔架中心，进而使叶片旋转平面和风向的夹角为90°。

8.风力发电液压系统

风力发电机组的液压系统是以液体为介质来实现动力传输和运动控制的机械装置，具有传动平稳、功率密度大、容易实现无级调速、易于更换元器件和过载保护等优点。大型风力发电系统广泛应用液压系统来实现偏航制动及转子紧急停车。

9.风力发电制动机构

制动机构是风力发电机组中起制动作用装置的总称，通常由气动制动装置和机械制动装置组成。

（1）气动制动。风力发电机组正常运行时，叶尖扰流器会使桨叶吸收一定的风能，其动力就来自液压机构。液压系统供应的液压油进入安装在桨片末梢的液压缸，液压缸通过旋转关节并压缩弹簧，使尖端扰流板与刀片体结合。风力涡轮机需要停止时，液压缸放出液压油，由于存在离心力，桨片尖端扰流板旋转超过90°，因此在空气阻力下充当刹车。通过改变俯仰角，可实现变桨风力发电系统的气动制动。

（2）机械制动。风力发电机的刹车装置由刹车用的圆形装置和刹车钳组成。安装在外壳上的刹车钳不活动，刹车的圆形装置和发电机的轴可自由旋转，刹车钳中的弹簧提供预制动力，刹车钳的打开需要利用液压力。因此，刹车装置中主要包括减压阀和弹簧预作用设备。刹车装置的内部可安装检测元件，如检测温度的装置和检测厚度的传感装置。

10.风力发电机组的电气控制系统

风力发电系统中的电气控制系统较为复杂，其主要功能是实时监测电网工况及各项特征量的变化，并根据风速与风向的变化，对机组进行合理的调节和控制，进而达到使机组高效运行的目的。

（1）电气控制系统的功能。风力发电机组中的电气控制系统有三种功能，分别是正常运行控制功能、运行状态监测功能和安全保护功能。

①正常运行控制功能。包括系统的启动和停止、发电机连接电网、各种装置的润滑和冷却、无功补偿和系统故障检测。

②运行状态监测功能。包括监测电压的波动、频率偏差、风速的波动、机构震动等。

③安全保护功能。分为微机监测和控制及其他装置、各部分元件的自身监测功能。系统采用两套相互独立的保护机构：一套是可编程逻辑控制器（PLC）控制的保护系统，由PLC对安全链的节点进行监控，任何一个节点发生故障时，主控制程序都会向变桨系统发出急停请求；另一套是独立于计算机系统的安全保护，安全保护是一个检测环节，任何一个触发都会导致紧急停机。

（2）电气控制系统的组成。电气控制系统主要包括成套低压柜、补偿装置、整流装置和系统转速控制装置。电气控制系统的组成及其功能如表1.4所示[6～10]。