风力发电机的分类特点.docx
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风力发电机的分类特点
目录
目录1
风力发电机组的分类特点2
1按照风轮形式分类2
1.1垂直轴风力发电机组2
1.2水平轴风力发电机组3
1.2.1下风向风力发电机3
4
2按照有无齿轮箱分类4
2.1直驱型风力发电机4
2.2双馈式风力发电机7
2.3直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较8
3按功率调节方式分类11
3.1定桨距风力发电机11
3.2变桨失速型风力发电机组13
13
3.2.2变桨距风力发电机组输出功率的特点14
风力发电机组的分类特点
1按照风轮形式分类
1.1垂直轴风力发电机组
垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。
阻力型的气动力效率远小于升力型，故当今大型并网型垂直轴风力机的风轮全部为升力型。
阻力型的风轮转矩是由两边物体阻力不同形成的，其典型代表是风杯，大型风力机不用。
升力型的风轮转矩由叶片的升力提供，是垂直轴风力发电机的主流，尤其是风轮像打蛋形的最流行，当这种风轮叶片的主导载荷是离心力时，叶片只有轴向力而没有弯矩，叶片结构最轻。
特点如下
1）安全性。
采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决；
2）噪音。
采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度；
3）抗风能力。
水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风；
4）回转半径。
由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；
5）发电曲线特性。
启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5～8米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%～30%；
6）利用风速范围。
采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.5～25m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；
7）刹车装置。
可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；
8）运行维护。
采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。
由于垂直轴风电机与水平轴风电机比较其优越性不多，现在已经基本退出了市场。
1.2水平轴风力发电机组
水平轴（风轮）风力发电机组，是指风轮轴线基本与地面平行安置在垂直地面的塔架上，是当前使用最广泛的机型。
水平轴风力发电机组还可分为上风向及下风向两种机型，上风向机组其风轮面对风向，安置在塔架前方。
上风向机组需要主动调向机构以保证风轮能随时对准风向。
下风向机组其风轮背对风向安置在塔架后方。
当前大型并网风力发电机几乎都是水平轴上风向型。
1.2.1下风向风力发电机
下风向风力发电机，只在中、小功率机型中出现过。
下风向风电机的特点是：
1）风轮（被动）对风，不需要偏航驱动机构。
因为风轮处于塔架的下风向是静平衡状态,实际上由于偏航使电缆扭绞，仍需要解扭措施。
原则上可采用滑环机构避免扭绞，但不可靠。
2）风轮在下风向，受塔影影响较大，这一方面影响了风能利用系数，同时使疲劳载的幅值增大，同样的叶片疲劳寿命较上风向机型机低，因此下风向机组当前很少采用。
但近期为了减轻风力发电机的重量、降低风力发电机的造价，又有人提出了下风向柔性结构的设计方案，但至今尚无商品机型。
水平轴上风向三叶片风力发电机是当代大型风力发电机的主流；两叶片的产品也比较多见。
两叶片风电机在同样风轮直径（扫掠面积）的情况下其转速较快才能产出相同的功率。
要求叶片的寿命（循环次数）比三叶片机型的高。
由于转速快叶尖速度高风轮的噪声水平也高，因此对周围的环境影响大。
两个叶片相对三叶片的质量平衡及气动力平衡都比较困难，因此功率和载荷`波动较大。
其优点是叶片少，成本相对低，对于噪声要求不高的离岸型风力发电机，两叶片是比较合适的。
2按照有无齿轮箱分类
变速变桨风电机组的风能转换效率更高，能够有效降低风电机组的运行噪声，具有更好的电能质量，通过主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷，使得风电机组功率重量比提高，这些因素都促成了变速变桨技术成为当今风力发电机组的主流技术。
目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。
双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网，而直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。
直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。
还有一种介于二者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机，是直驱式和传统型风力发电机的混合。
2.1直驱型风力发电机
直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
直接驱动式变速恒频（DDVSCF）风力发电系统框图如图1所示，风轮与同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。
首先将风能转化为频率、幅值均变化的三相交流电，经过整流之后变为直流，然后通过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。
通过中间电力电子变流器环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。
与双馈式风力发电系统相比，直驱式风力发电系统的优点在于：
传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和利用率；变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音、提高了整机效率；可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；部件数量的减少了，使整机的生产周期大大缩短；利用现代电力电子技术可以实现对电网有功功率无功功率的灵活控制；发电机与电网之间采用全功率变流器，使发电机与电网之间的相互影响减少，电网故障时对发电机的损害较小。
其缺点在于：
由于功率变换器与发电机组和电网全功率连接，功率变换器造价昂贵，控制复杂；用于直接驱动发电的发电机，工作在低转速、高转矩状态，电机设计困难、极数多、体积大、造价高、运输困难。
图1直接驱动式风力发电系统框图
直驱式风力发电系统（directdrivewindenergygenerationsystem－DDWEGS）的发电机主要有两种类型：
转子电励磁的集中绕组同步发电机以及转子永磁材料励磁的永磁同步发电机，如图2、图3所示。
转子电励磁式DDWEGS由于需要给转子提供励磁电流，需要滑环和电刷，这两个部件故障率很高，需要定期更换，因此维护量大，相对DFWEGS来说只省去了齿轮箱设备。
而转子永磁体励磁式DDWEGS采用永磁材料建立转子磁场，省去了滑环和电刷等设备，也省去了齿轮箱，无需定期维护，系统结构紧凑、整机可靠性、效率很高。
图2电励磁式直驱风力发电机结构图
因此，永磁式DDWEGS系统最优、效率最高、维护量最小。
尽管直驱式风力发电系统变流器以及永磁同步发电机造价昂贵，但是由于其可靠性和能量转换效率高，维护量小，整机生产周期小等优点，特别适合于海上风力发电，因此这种结构具有很好的应用前景。
图3永磁材料励磁式直驱风力发电机结构图
直驱式风力发电系统使用永磁同步发电机发电，无需励磁控制，电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小。
随着永磁材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出现，在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用的越来越广泛。
有的直驱机组方案，将风轮与外转子合二为一，取消了轮毂，叶片直接装在转子外部。
进一步简化了结构、减轻重量。
直驱风力发电机的特点是：
1）由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。
2）最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。
3）运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。
4）采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。
5）采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。
6）发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。
缺点是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。
同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。
2.2双馈式风力发电机
交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。
双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。
双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。
它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。
双馈感应发电机组是具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电机（DFIG），定子接入电网，转子通过电力电子变换器与电网相连，如图4所示。
在风力发电中采用交流励磁双馈风力发电方案，可以获得以下优越的性能：
（1）调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，即变速恒频运行。
这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。
（2）调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。
这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。
（3）由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。
（4）由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变频器的容量，减少了变频器的成本。
图4双馈式变速恒频风力发电系统结构框图
2.3直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较
机型和特性
双馈型风力发机组
永磁直驱风力发电机组
统维护成本
较高（齿轮箱故障多）
低
系统价格
中
高
系统效率
较高
高
电控系统体积
中
较大
变流其容量
全功率的1/3
全功率变流
变流系统稳定性
中
高
电机滑环
半年换碳刷，两年换滑环
无碳刷，滑环
电机重量
轻
重
电机种类
励磁
永磁，设计时要考虑永磁体退磁问题
永磁直驱同步发电机系统结构如图1（永磁半直驱同步发电机系统须在风力机和发电机之间增加增速齿轮箱）：
图1永磁直驱同步发电机系统结构图
采用传统直流电励磁或永磁同步发电机风力发电系统，有如下主要优点：
（1）由于采用同步电机，控制回路少，控制比较简单，系统稳定性高，维护费用低；
（2）省去了增速用齿轮箱或仅需一级低速齿轮箱；
（3）永磁同步发电机无需集电环和刷架系统，维护更加方便。
其主要缺点如下：
（1）需要对发电机输出的全部功率进行变频控制，故需配备全功率变频器，变频器成本较高，控制系统体积庞大；
（2）永磁发电机使用高导磁率的钕铁硼和钐钴等，这些磁性材料价格很高；
（3）永磁发电机功率因数特性差，必须由变频器来进行补偿；
（4）要求永磁材料具有很高的稳定性，而高温以及电枢反应等原因可能导致永磁材料失磁。
当系统采用交流励磁的同步化双馈绕线型异步发电机时，变频器设置在转子侧。
变速恒频双馈绕线型异步风力发电机系统结构如图2：
图2变速恒频双馈绕线型异步风力发电机系统结构图
采用双馈绕线型异步发电机风力发电系统，具有如下主要优点：
（1）因变频器仅需对转子功率进行变频控制，而转子功率约为总功率的20%~30%，故变频器功率小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小；
（2）变频控制灵活，具有良好的调节特性：
通过调节转子绕组的频率、相位、幅值和相序，可以较为方便、平滑地控制发电机有功、无功、功率因数等，使其具有良好的动态和暂态特性，实现有功和无功的解耦控制；
（3）良好的稳定性及转速适应能力：
在定子电源频率一定时，通过改变转子励磁频率就可以实现对转速的调节，发电机的运行转速既可高于同步转速，也可低于同步转速，有利于系统最大限度捕获风能。
其主要缺点如下：
（1）需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，维护成本高；
（2）发电机需安装集电环和刷架系统，且须定期维护、检修或更换。
双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电
机。
它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。
直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱，将风轮与低速同步发电机直接连接，然后通过变流器全变流上网，降低了机械故障的概率和定期维护的成本，同时提高了风电转换效率和运行可靠性，但是电机体积大、价格高。
永磁直驱虽然发电机体积大、成本高，但由于省去了昂贵的齿轮箱，电能生产的机械传动路径缩短了，避免了因齿轮箱旋转产生的机械损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题使机组的工作寿命更有保障，也更适合于环境保护的要求；发电机外围面积大，易散热，由于没有电励磁，转子损耗近似为零，可采用自然通风冷却，结构简单可靠；交流一直流一交流变频装置可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力，以适应电网扰动，实现高效率发电。
由此可以看出，永磁材料的使用使直驱风电机组的优势更加突出。
永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：
对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量和成本增加。
另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120％以上。
综上文所述：
（1）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。
（2）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，并且已投人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。
3按功率调节方式分类
3.1定桨距风力发电机
定桨距失速型风电机组的典型代表是丹麦的NEGMICON公司生产的600/700/750kW机组，该机组也是我国目前装机数量最多的机型之一。
定桨距风力发电机组的主要结构特点是，桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶节距角不能随之变化。
这一特点使得，当风速高于风轮的设计点风速（额定风速）时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性称为自动失速性能。
运行中的风力发电机组在突甩负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。
20世纪70年代失速性能良好的桨叶的出现，解决了风力发电机组的自动失速性能的要求，以及20世纪80年代叶尖扰流器的应用，解决了在突甩负载情况下的安全停机问题，这些使得定桨距失速型风电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位，最新推出的兆瓦级风电机组仍有机型采用该项技术。
定桨距失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。
但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有复杂的液压传动机构和扰流器，叶片质量大，制造工艺难度大，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。
定桨距失速型风电机组主要由以下几部分组成：
叶轮、增速机构、制动机构、发电机、偏航系统、塔架、机舱、加温加压系统以及控制系统等。
定桨距风电机组的执行机构包括液压系统和偏航系统[3]。
液压系统是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关指令;偏航系统使风轮轴线与风向保持一致。
功率输出功率的特点
风力发电机组的输出功率主要取决于风速，同时也受气压、气温和气流扰动等因素的影响。
定桨距风机桨叶的失速性能只与风速有关，直到达到叶片气动外形所决定的失速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用。
定桨距风机的主动失速性能使得其输出功率始终限定在额定值附近。
同时，定桨距风电机组中发电机额定转速的设定也对其输出功率有影响。
定桨距失速型风电机组的节距角和转速都是固定不变的，这使得风电机组的功率曲线上只有一点具有最大功率系数，对应于某个叶尖速比。
当风速变化时，功率系数也随之改变。
而要在变化的风速下保持最大功率系数，必须保持发电机转速与风速之比不变，而在风力发电机组中，其发电机额定转速有很大的变化，额定转速较低的发电机在低风速下具有较高的功率系数，额定转速较高的发电机在高风速时具有较高的功率系数。
图5风力机输出机械功率和机械角速度间的关系曲线
图5为定桨距失速型风电机组的功率曲线图，从图5中可以看到，定桨距风力发电机组在风速达到额定值以前就开始失速，到额定点时的功率系数已经相当小。
调整桨叶的节距角，只是改变桨叶对气流的失速点。
节距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高。
故定桨距风力机在不同的空气密度下需要调整桨叶的安装角度。
3.2变桨失速型风力发电机组
变桨距失速型风电机组的典型代表是Vestas公司生产的V39/V42/V44-600kW机组。
变桨距风轮运行是通过改变桨距角，使叶片剖面的攻角发生变化来迎合风速变化的，从而在低风速时能够更充分的利用风能，具有较好的气动输出性能，而在高风速时，又可通过改变攻角的变化来降低叶片的气动性能，使高风速区风轮功率降低，达到调速限功的目的。
变桨距风力发电机是指整个叶片围绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内（一般为0～90度）变化，以调节输出功率不超过设计容许值。
变桨距风电机组出现故障需停机时，一般先使叶片顺桨，使之减小功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至零，这也就是说，当发电机与电网脱开时，没有转距作用于风力发电机组，避免了在定桨距风力发电机组上每次脱网时所要经历的突甩负载的过程。
由于变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需要很大的刹车，所以其起动性能较好。
变桨距风电机不需要昂贵的刹车系统，但是它却增加了一套变桨距机构，从而增加了故障发生的机率，而且在处理变桨距机构叶片轴承故障时，难度很大，所以其安装、维护费用相对偏高。
变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机的启动状态（转速控制）;欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。
1）起动状态当变桨距风电机的风轮从静止到起动，且发电机未并入电网时都被称为起动状态，这时变桨距的节距给定值由发电机转速信号控制。
转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制，在这个控制过程中，转速反馈信号与给定值进行比较，当转速超过发电机同步转速时，桨叶节距角就向迎风面积减小的
方向转动一个角度；反之，则向迎风面积增大的方向转动一个角度。
2）欠功率状态当转速在同步转速附近保持一定的时间后发电机即并入电网，这时如果风速低于额定风速，那么这种状态就是欠功率状态。
这时的变桨距风力发电机与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。
3）额定功率状态当发电机并入电网，且风速大于额定风速时，风力发电机组就进入额定功率状态，这时变桨距控制方式由转速控制切换到功率控制，具体的说，就是功率反馈信号与给定值（额定功率）进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶节距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之，则向迎风面积增大的方向转动一个角度。
3.2.2变桨距风力发电机组输出功率的特点
对于变桨距风力发电机组，由于桨叶节距可以控制，所以即使风速超过额定点，其额定功率仍然具有较高的功率系数，功率曲线在额定点后也相对平稳，不但保证了较高的发电量，而且有效地减少了风力发电机因风速的变化而造成的对电网的不良影响，相比之下，更具优越性。
另外，变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，在相同的额定功率点，额定风速比定桨距风力发电机组的要低。
变桨距风力发电机比定桨距风力发电机更具优越性。
事实上，变桨距风力发电机正是基于定桨距风力发电机的运行可靠的基础上，逐步发展起来的。
但是由于变桨距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组逐步研制成功并开始进入风电场。
这种风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输入变量进行转速和功率控制的，所以与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：
低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳，尤其是解决了高次谐波与功率因数等问题，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。
因此，我们期待这种新型的变速风力发电机组能快速实现商品化、产业化，尽早进入我国风力发电场。
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