主要风机厂商齿轮箱配套模式.docx
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主要风机厂商齿轮箱配套模式
主要风机厂商齿轮箱配套模式
供应链类型
Gamesa
GE
Nordex
Repower
Enercon
Siemens
Suzlon
Vestas
金风
运达
华锐
东汽
齿轮箱
自产
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无
齿
轮
箱
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Winergy
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Hansen
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Moventa
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Lohermann&Stolterfoht
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Eickhof
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重齿
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南高齿
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杭齿
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主要风机厂商发电机配套模式
供应链类型
Gamesa
GE
Nordex
Repower
Enercon
Siemens
Suzlon
Vestas
金风
运达
华锐
东汽
发动机
自产
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ABB
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GE
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Loher
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√
Elin
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LeroySommer
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VEM
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永济电机
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兰州电机
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湘潭电机
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南车电机
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大连天元
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东风电机
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南洋电机
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主要风机厂商叶片配套模式
供应链类型
Gamesa
GE
Nordex
Repower
Enercon
Siemens
Suzlon
Vestas
金风
运达
华锐
东汽
叶片
自产
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LM
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Rotec
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Tecsis
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保定惠腾
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上玻院
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上复
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主要风机厂商轴承配套模式
国家
企业名称
变浆轴承
偏航轴承
主轴轴承
齿轮箱轴承
发电机轴承
其它
瑞典
SKF
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美国
NTN
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Timken
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Kaydon
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德国
Leibherr
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RotheErde
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IMO
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Schaeffler
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斯洛伐克
PSL
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法国
Rolix
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西班牙
Lalagun
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中国
洛轴
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瓦轴
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天马
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日本
Koyo
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风电机型
1.1风力发电机简介
风力发电机一般由风轮发电机包括传动装置调向器，尾翼塔架限速安全机构和储能装置等构建组成。
风轮是集风装置它的作用是把流动空气的动能转变为风轮旋转的机械能，一般它由2~3个叶片构成，风轮转动的机械能通过传动装置增速齿轮箱传递到发电机转化成电能。
其基本工作原理是：
风轮在风力的作用下旋转将风的动能转变为风轮轴的机械能，风轮轴带动发电机旋转发电，其中风能转化装置称为风力机。
风电技术看似简单其实不然，风电机组实际上是一个多种高技术应用的综合体，涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、声学、机械工程、动力工程、电气工程、控制技术、气象学、环境科学等多个学科和多种领域及相互交叉。
风电技术的发展与空气动力学航空学的发展密切相关，同时风电技术必须具备高强度的抗疲劳性能。
1.2风力发电机并网
当今风力发电有三种基本运行方式：
一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能以保证无风时的用电。
二是风力发电与其他发电方式，如柴油机发电相结合向一个单位，一个村庄或一个海岛供电。
三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机而这是风力发电的主要发展方向。
由于风电的分散性、小型化、间歇性、不可调度性，以及地理条件等因素的限制，相当一部分风电场位于边远地区甚至无人居住地区，大量风电并网后会对电力系统的安全稳定运行带来一定的影响。
此外，我国目前采用较多的异步发电机系统在发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，给电网造成一定的负担。
因此，随着风电装机容量的不断扩大，研究其并网接入方式十分必要。
目前国内已有不少学者对风电并网作了大量的研究，并取得了很多成果，以下便为不同风电机组和其并网接入系统：
1.2.1同步发电机
该结构中允许同步发电机以可变速度运行，能够产生可变电压和频率的功率，作为在并网发电系统中普遍应用的同步发电机，在运行时既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定，对于由风力机驱动的同步发电机与电网并联运行时可采用自动准同步并网和自同步并网方式。
由于风电的电压、频率的不稳定性往往造成应用前者并网比较困难，而对于后者，由于并网装置相对简单使得并网操作简化，并网时间短。
对于同步发电机，最常见的结构是通过AC—DC—AC的整流逆变方式与系统进行并网其原理结构如图所示。
1.2.2笼型异步发电机
由异步发电机的特点可知为了使风电与电网并联，必须在风力机和异步发电机之间加装增速齿轮箱，以提高转子的转速。
由电机学可知，异步发电机是靠滑差率调整负荷，其输出的功率与转速近乎线性关系，因此不需要同步设备，并网相对简单，维护较少；但并网瞬间冲击电流较大，而且需要电容无功补偿装置，增加了结构的复杂性，一般采取的并网方式有直接并网、降压并网和晶闸管软并网。
下图为异步发电机的晶闸管并网的结构原理图。
1.2.3绕线式异步发电机
绕线式异步发电机的转子上有三相绕组，可通过集电环与外部相连，通过外接可变转子电阻，改变发电机的转差率。
与转子相连的方法有3种：
转差功率恢复、循环变换器和转子电阻斩波控制。
双馈异步发电机
双馈异步发电机的转子通过变频器与电网相连能够实现功率的双向流动。
由于在风力机变速运行时发电机也为变速运行，因此为了实现与电网的并联，将由双馈异步电机和以自关断器件为功率开关的变频器组成的系统采用脉宽调制技术（PWM）控制。
采用双馈异步电机，只要根据风速的变化和发电机转速的变化调整转子的电流频率，即可实现恒频控制。
该方式需要的变频器容量较小，而且能够实现有功、无功的灵活控制，其结构简图与4.2.1图相似，只是由同步电机变为双馈异步发电机，同时增加了测速装置。
1.3 风电并网对电能质量的影响以及电压波动与闪变的抑制
随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。
风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，可能会影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。
风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。
当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态下自动退出运行。
如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。
不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内（低于25Hz），因此，风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。
电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。
目前，大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动与闪变的功能，如静止无功补偿器（SVC）、有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR），以及配电系统电能质量统一控制器（DS2Unicon）等。
1.3.1静止无功补偿器（SVC）
电压闪变是电压波动的一种特殊反映，闪变的严重程度与负荷变化引起的电压变动相关，在高电压或中压配电网中，电压波动主要与无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。
在电网短路容量一定的情况下，电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。
因此，对于电压闪变的抑制，最常用的方法是安装静止无功补偿装置，目前这方面的技术已相当成熟.但是，由于某些类型的SVC本身还产生低次谐波电流，须与无源滤波器并联使用，实际运行时可能由于系统谐波谐振使某些谐波严重放大。
因此，在进行补偿时，要求采用具有响应时间短、且能够直接补偿负荷的无功冲击电流和谐波电流的补偿器。
1.3.2有源电力滤波器（APF）
要抑制电压闪变，必须在负荷电流急剧波动的情况下，跟随负荷变化实时补偿无功电流.近年来，采用电力晶体管（GTR）和可关断晶闸管（GTO）及脉宽调制（PWM）技术等构成的有源滤波器，可对负荷电流作实时补偿。
有源电力滤波器的工作原理与传统的SVC完全不同，它采用可关断的电力电子器件,基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制，其作用原理是利用电力电子控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流，从而保证系统只须向负荷提供正弦的基波电流。
有源电力滤波器与普通SVC相比，有以下优点：
响应时间快、对电压波动、闪变补偿率高，可减少补偿容量；没有谐波放大作用和谐振问题，运行稳定；控制强、能实现控制电压波动、闪变和稳定电压的作用，同时也能有效地滤除高次谐波，补偿功率因数。
1.3.3动态电压恢复器（DVR）
在中低压配电网中，有功功率的快速波动同样会导致电压闪变，这就要求补偿装置在抑制电压波动与闪变时，除了进行无功功率补偿使供电线路无功功率波动减小外，还需提供瞬时有功功率补偿。
因而传统的无功补偿方法不能有效地改善这类电能的质量，只有带储能单元的补偿装置才能满足要求。
动态电压恢复器（DVR）是将1台由3个单相电压源变流器构成的三相变流器串联接入电网与欲补偿的负荷之间。
这里的逆变器采用3个单相结构，目的是为了更灵活地对三相电压和电流进行控制，并提供对系统电压不对称情况的补偿。
该装置的核心部分为同步电压源逆变器，当线路侧电压发生突变时，DVR通过对直流侧电源的逆变产生交流电压，再通过变压器与原电网电压相串联，以补偿系统电压的跌落或抵消系统电压的浪涌.由于DVR通过自身的储能单元，能够在ms级内向系统注入正常电压与故障电压之差，可用于克服系统电压波动对用户的影响。
因此，它是解决电压波动、不对称、谐波等动态电压质量问题的有效工具，是面向负荷的补偿装置，起到将系统与负荷隔离的作用.该装置仅对特定负荷加以补偿，所以其容量仅取决于负荷的补偿容量和要求的补偿范围。
目前，大部分DVR装置的直流侧采用电容来提供直流电压，只能提供有限的能量，若要求DVR长时间提供电压补偿，则必须让DVR输出的电压和电流垂直，这样DVR装置不提供有功，只进行无功交换，即可满足长期工作的要求。
1.3.4统一电能质量控制器（UPFC）及其他补偿装置
统一电能质量控制器（UPFC）结合了串、并联补偿装置的特点，具有对电压、电流质量问题统一补偿的功能，属于综合的补偿装置。
含有储能单元的串、并联组合的用户电力综合补偿装置，除了应用于配电系统的谐波补偿外，还可以解决瞬时供电中断和电压波动等动态电压质量问题，提高供电的可靠性。
1.4电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求
随着风电装机容量的不断增加，风电在电力系统中的地位发生了转变。
风电装机容量较小时，风电场的运行对系统稳定性的影响可以不予考虑；当风电装机容量越来越大，在系统中所占比例逐年增加时，风电场的运行对系统稳定性的影响变得不容忽视。
世界各国电力系统对风电场接入电网时的要求越来越严格，甚至用常规电源的标准来要求风电场。
在风电场容量相对较小并且分散接入电网时，风电场被视作分布式电源，在系统故障时可立刻退出运行。
随着新能源应用技术的快速发展，风电场数量和单个风电场的装机容量不断增大，风电总装机容量在系统中所占比例越来越高，对电力系统的影响也越来越大。
为维持电力系统的稳定运行除要求提高风电机组自身的技术水平外，各国电网公司都相继对风电场/风电机组的并网提出了更严格的技术要求，包括低电压穿越（lowvoltage）能力、无功控制能力以及输出功率控制能力等，其中LVRT被认为是对风电机组设计制造技术的最大挑战。
风电机组的LVRT能力是指其在端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可为系统提供一定无功支持以帮助系统恢复电压的能力。
德国E.ON公司对风电场/风电机组LVRT能力的具体要求见图，其中实线范围内表示风电机组不但不脱离系统而且还向系统提供一定的无功支持，当端电压跌至额定电压的15%时要求风电机组能够维持运行625ms，当风电机组端电压在其额定电压的90%及以上时要求风电机组能够持续运行。
在现阶段提高风电场/风电机组的LVRT能力，会导致风电机组/风电场的工程造价增加，而且对LVRT能力要求越严格则工程造价就越高。
因此，风电场规划设计阶段应根据风电场所用风电机组的类型，详细分析电网结构和风电场接入方案，确定系统故障对风电场/风电机组的影响程度，并以此来决定风电机组LVRT能力应满足要求。
1.6.5风力机的发电机
发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备，风力发电常用的发电机有4种。
（1）直流发电机：
常用在微、小型风力发电机上，直流电压为12、24、36V等。
中型风力发电机上也有采用直流发电机的。
（2）永磁发电机：
常用在小型风力发电机上，中、大型风力发电机上一般不用，其电压为115V、127V等。
有交流也有直流。
最近我国发明了交流电压440V/240V的高效永磁交流发电机，可以制成多极低转速，比较适合风力发电机用。
（3）同步交流发电机：
它的电枢磁场与主磁场同步旋转同步转速：
n=60f/P。
（4）异步交流发电机：
异步交流发电机的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速略比同步转速低，当并网时它的转速应提高。
交流发电机与直流发电机相比，具有体积小，重量轻，结构简单低速发电性能好对周围的无线电设备干扰少等优点。
因此，在独立运行的小容量发电系统中，较多地采用永磁式或自励式交流发电机。
对于在并网运行的中大型发电系统中，普遍采用同步发电机或异步发电机。
由上所述可以看出，基本驱动链结构的技术比较成熟，其他结构都有设计风险。
目前中国市场上商业化的有两种机型：
基本驱动链结构、单永磁发电机直驱结构，各有优缺点。
双馈式基本驱动链结构的优点：
（1）变流器容量小，降低机组成本，容量越大优势越明显；
（2）变速范围宽，可以在同步速上下30%转速范围内运行；
（3）输出电能质量高，可以调节有功、无功功率输出，调节功率因数，起到电网无功补偿的作用。
双馈式基本驱动链结构的缺点:
（1）电机转子绕组带有滑环、碳刷，增加维护和故障率；
（2）控制系统结构复杂，有难度。
单永磁发电机直驱结构主要优点:
（1）系统结构简单；
（2）故障率低，维护简单；
（3）变速运行范围宽，机组风能捕获效率高。
单永磁发电机直驱结构主要缺点：
（1）采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，受运输问题的限制，随着机组设计容量的增大，电机设计、加工制造都有困难；
（2）采用全容量逆变装置，功率变换器设备投资大，增加控制系统成本。
通过以上分析比较可知在我国，双馈风电机组具有很高的性价比，尤其适合变速恒频风力发电系统，因而在未来一段时间内仍然是风电行业的主流机型。
永磁直驱风电机组可靠性高，运行维护简单，电网运行质量大大提高，在技术经济条件成熟时，永磁直驱风电机组有望成为风电领域更受欢迎的产品。
目前，由于双馈风电机组技术十分成熟，生产厂商较多，业主选择性更强，运行经验丰富，仍是风电场开发的主流机型，而直驱风电机组技术尚未完全成熟，国内生产厂商较少，有些机型还处在设计研发阶段，并且已投入运行的机组运行时间较短，其性能、工艺质量尚需时日考验。
更大兆瓦级直驱风电机组仍需在结构、材料、工艺等方面进一步研究。
此外，使用性能更好的变流器才会有更好的前景，然而鉴于风电机组的选型是一项复杂的工作，应结合具体风场的风资源特性、地形地貌、交通运输、气候环境条件、国家有关政策以及风电场运营商的要求来进行操作，为特定的风电场选择合适的风电机组。
1.7风力发电机的维护
为使风力发电在设计寿命期间内（一般为20～30年）能正常地运行，应按要求进行日常维护。
维护的主要项目：
检查各紧固件是否松动；检查各转动；对有刷励磁交流发电机的部件、轴承的润滑状况滑环和碳刷进行清洗、更换碳刷；检查各执行机构的液压系统是否漏油
，齿轮箱润滑冷却油是否渗漏，并及时补充；对电控系统的接触器触点进行维护等。
风力发电机的维护要求通常如下：
①风力发电机转动部位的轴承每隔3个月应注一次润滑油或润滑脂，最长不能超过6个月，机舱内的发电机等部件的润滑最长间隔时间不能超过1年，具体要视风力发电机运行情况而定。
②每月都应检查增速器内的润滑、冷却部位是否缺油、漏油。
1年应换油1次，至多不能超过2年。
③每周都应检查1次有刷励磁发电机的碳刷、滑环是否因打火被烧出坑，发现问题应及时维
修和更换。
④每月都应检查1次制动器的刹车片，调整间隙，确保制动刹车功能。
⑤每月应检查1次液压系统是否漏油。
⑥每月应检查1次所有紧固件是否松动，发现松动即时拧紧。
⑦每月应检查1次发电机输出用碳刷和集电环是否接触良好。
用电缆直接输出的也应检查是
否打结，以防解绕失灵而机械停机开关未起作用造成电缆过缠绕。
⑧单机使用的风力发电机经整流（或直接）给蓄电池充电，再经蓄电池至“直—交”逆变器的或“交—直—交”逆变的，应每天都检查1次蓄电池的充、放电情况及连锁开关是否正常，防止蓄电池过充、放电而报废；对逆变器也进行检查，防止交流频率发生变化对用电器造成损害。
⑨每天都应检查电控系统是否正常。
对微机控制的风力发电机也应按上述各条进，应尽量减少因故行日常维护障停机修理，以提高风力发电机的利用率。
2.ABB的一些关于电机及变流器的资料
目前流行的变速变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案：
一种是升速齿轮箱＋绕线式异步电动机＋双馈电力电子变换器；另一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机＋全功率变频器。
两种方案各有优缺点：
前者采用高速电机，体积小重量轻，双馈变流器的容量仅与电机的转差容量相关，效率高、价格低廉，缺点是升速齿轮箱价格贵，噪音大、易疲劳损坏；后者无齿轮箱，可靠性高，但采用低速永磁电机，体积大，造价高，变频器需要全功率，成本提高。
除了上述两个方案外，还引入了两个折中方案，一个是低速集成齿轮箱的永磁同步电机＋全功率变频器；一个是高速齿轮箱的永磁同步电机全功率变频器。
根据美国国家可再生能源实验室NREL报告的量化比较数据分析，这两种折中方案也具有很大的发展潜力。
1四种风力发电系统简介
1.1高速异步发电机双馈系统（DFIG）
高速异步发电机双馈系统主要由升速齿轮箱＋绕线异步发电机＋双馈变频器构成，ABB发电机典型功率范围为600~5000kW，如图1所示。
DFIG的特点是发电机转速可以在同步转速上、下两个方向变化。
假设1.5MW风电机组的叶轮转速变化范围为10~20r/min，通常令15r/min对应电机同步转速，这样转速变化范围为电机额定转速的±1/3，相应变频器的功率只有电机功率的1/3。
若想简化机构采用直接驱动，电机额定转速也应该为15r/min，由于异步电机定子接在50Hz电网，则要求电机极对数为200，很难实现，因此该方案必须使用升速齿轮箱，配高速异步电机（通常采用6极电机）。
升速齿轮箱速比大，负荷重，随风速变化波动大且频繁，造价高、易疲劳损坏是该方案的主要缺点，另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性，增加维护工作量。
对数为200，很难实现，因此该方案必须使用升速齿轮箱，配高速异步电机（通常采用6极电机）。
升速齿轮箱速比大，负荷重，随风速变化波动大且频繁，造价高、易疲劳损坏是该方案的主要缺点，另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性，增加维护工作量。
1.2低速永磁同步发电机直驱系统（PMDD）
低速永磁同步发电机直驱系统主要由低速永磁同步发电机全功率变频器构成，如图2所示。
ABB发电机典型功率范围为600~5000kW。
PMDD的特点是没有升速齿轮箱，叶轮直接驱动低速发电机转子，消除了DFIG的薄弱环节，大大提高可靠性，降低维护工作量。
由于发电机定子绕组不直接与电网相连，而是通过变频器连接，因此电机额定转速可以降低，使电机极数减少至合理值。
缺点是低速电机体积大，定子绕组绝缘等级要求高，变频器要输送发电机全功率，因此电机和变频器的价格都比DFIG高。
1.3集成低速齿轮箱的永磁机风力发电系统
该风力发电系统将低速齿轮箱集成在永磁发电机内，使系统的结构更加紧凑，通常极数大于20，电机额定转速一般为120~450r/min，具有更可靠和更长的使用寿命。
ABB发电机典型功率范围为1~5MW，结构如图3所示。
1.4高速齿轮箱的永磁机风力发电系统
该系统机械结构与双馈型基本相同，没有了绕线式电机滑环所带来的弊病，且发电机重量轻，发电效率高，。
通常电机的极数为6或8极，发电机的转速一般为1000~2000r/min，ABB变频器典型功率范围为1~5MW，结构如图4所示。
2变速恒频双馈风力发电系统工作原理
2.1叶轮能量最大捕获原理
风力机通过叶轮来捕获流动的风能，风的能量转化为叶轮旋转的动能，齿轮箱再把这种机械能传输到发电机，由发电机通过内部的电磁关系将机械能变为电能输出。
图5为在不同风速下，叶轮转速与风力机输出功率的关系图。
由图可知，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，输出功率越高，相应的叶轮转速也越高。
因此，如果能随风速变化改变叶轮转速，使得风力机在所有风速下都工作于最大功率输出点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
双馈发电机的最大风能捕获控制就是通过预先制定的风速对应的最大功率曲线，控制风力机转速，使其跟随风速的变化而相应变化，保证风力机的叶尖速比恒定，达到最大功率输出。
假设在风速v2下，系统最初工作P1点，如果风速阶跃变化到v3，风力机转速由于惯性保持不变，此时风力机输出机械功率达到P2点，大于双馈发电机的发电功率，此时，风力机输入力矩大于双馈发电机的输出力矩，风
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