15MW风力发电机.docx
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15MW风力发电机
1.5MW双馈、恒频、
变桨风力发电机
国电联合动力技术有限公司
培训中心
1.5MW风力发电机
一、风力发电机由叶轮、机舱、塔筒三大部分组成，
1.5MW风力发电机满发时1小时可以向电网输送1500度电量。
一群风力发电机，组成风力发电场（一般5万千瓦以下风电场可由地方发改委审批，即可建风力发电场，即33台1。
5MW49.5MW）
国内风电场厂每年满发电为2000-3000小时（每年8760小时）
按平均2300小时计算每度电0.56元，一个4.95万千瓦风电场
年售电收入为6375.6万元
风场建设费约4亿元，收回成本的6—8年
风力发电场
。
二、风力发电机整机主要包括：
1.机座2.传动链（主轴、齿轮箱）3.偏航组件（偏航驱动、偏航刹车钳、偏航轴承）4.踏板5.电缆线槽6.发电机7.联轴器8.液压站9.冷却泵（风冷型无）10.滑环组件11.自动润滑12.吊车13.机舱柜14.机舱罩15.机舱加热器16.轮毂
1、机座：
机座是风力发电整机的主要设备安装的基础，风电机的关键设备都安装在机座上。
（包括传动链（主轴、齿轮箱）、偏航组件（偏航驱动、偏航刹车钳、偏航轴承）、踏板和棒、电缆线槽、发电机、联轴器、液压站、冷却泵（风冷型无）、滑环组件、自动润滑、吊车、机舱柜、机舱罩、机舱加热器等。
机座与现场的塔筒连接，人员可以通过风电机塔进入机座。
机座前端是风电机转子，即转子叶片和轴。
2、偏航装置：
自然界的风，方向和速度经常变化，为了使风力机能有效地捕捉
风能，就相应设置了对风装置以跟踪风向的变化，保证风轮基本上始终处于迎风状况。
风力发电机的偏航系统也称为对风装置，其主要作用在于当风向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。
另外、当风机对风相同一个方向旋转几圈之后，向塔筒底部输送电力的线缆也会扭转，为了保护电缆，系统会控制风机向相反的方向旋转，既解缆。
为了使风机的桨叶转子工作始终朝向某个方向，在风机内安设了偏航系统，风力机的偏航系统即对风装置。
其作用在于当风速矢量的方向变化时，精密的测风仪器将检测信号传输给电脑的软件，经过分析后驱动偏航系统的电机和齿轮箱使风机尽可能的减少风能损失，快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。
借助偏航驱动电机转动机座，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度。
偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来探知风向。
通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。
风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了增大偏航时的力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在偏航轴承上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，
偏航的驱动机构
几乎所有水平轴的风电机都会强迫偏航。
即使用一个带有电动机及齿轮箱的机构来保持风电机对着风偏转。
1.5兆瓦风电机上的偏航机构上可以看到环绕内圈的偏航轴承，当系统接到偏航指令时，偏航电机开始运转，通过偏航驱动减速齿轮箱减速之后驱动偏航轴承来实现偏航。
偏航轴承
解缆 电缆用来将电流从风电机运载到塔下。
但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲。
此时我们的风机上安装有一个偏航计数器，当风机同一个方向转动一定的圈数之后，计数器给系统一个指令，系统控制风机往回转动，偏航刹车主机室的转动按照指令的方向，偏航电机转动，液压刹车系统处于释放状态，当偏航电机停止转动时，液压刹车系统处于刹车状态，将主机室固定在相应的位置上，实现解缆。
偏航的组成部件整个偏航组件包括有偏航驱动电机、偏航驱动齿轮箱、偏航轴承、偏航刹车盘、偏航刹车钳、液压管路、回油管路、润滑系统等。
部分部件如下图所示：
偏航刹车：
风机的转动方向应该是按照指令的方向转动的。
当偏航电机转动的时候，液压刹车系统处于释放状态，这时偏航刹车钳还会有一定的抱紧量，以保证偏航的速度恒定，保护风机。
当偏航电机停止转动时，液压刹车系统处于刹车状态，将风机固定在相应的位置上。
偏航刹车钳：
它固定在风机机座上。
我们使用的偏航刹车钳有两个油缸，其大致结构如下图所示：
当液压油通过液压油管和进入液压管道后，液压油推动活塞，然后活塞再推动刹车片，上下刹车片抱紧刹车盘实现刹车。
刹车盘：
刹车盘和塔筒相连，当风机需要刹车，刹车钳就抱紧它的内缘。
偏航轴承：
偏航轴承总成是风机及时追踪风向变化的保证。
采用“零游隙”设计的四点接触球轴承，沟道进行特别设计及加工，要承受大的轴向载荷和力矩载荷。
采取有针对性的热处理措施，提高齿面强度，以保证轴承具有良好的耐磨性和耐冲击性。
同时风机暴露在野外，轴承良好的密封性也是风机使用寿命的保障。
偏航电机、偏航齿轮箱：
我公司目前使用的偏航驱动电机是电磁制动三项异步电动机，该机采用全封闭、自扇冷、鼠笼型、具有附加直流电磁制动器的三项异步电坳动，制动迅速、定位准确等优点。
偏航齿轮箱为四级行星齿轮箱、继承了行星齿轮传动的一贯优点。
润滑系统、偏航编码器：
偏航轴承在使用过程中需要不断地补充润滑油，主要润滑部位有轴承滚道和轴承内齿两部分。
润滑系统主要部件如下、一个主油箱、两个分配器、两个润滑小齿轮、润滑管若干，各式接头若干。
偏航编码器由一个尼龙小齿轮与偏航驱动齿箱齿轮啮合，可以计算出偏航圈数。
调整偏航齿隙用塞尺测偏航驱动器齿与偏航轴承标准齿啮合后未接触到一面的相应齿隙，并在驱动器端面与机架对应位置上做的标记。
测量时在驱动器端面上记录相应位置的齿隙值，不能达到相应要求，转动驱动器，调整驱动器的定位孔位置，再次测量，最终调整啮合齿间隙在适合范围内（0.54-0.70mm）为止。
3、传动轴链：
主要包括主轴、齿轮箱、高速刹车钳、浮动轴承及轴承座、止推轴承及轴承座等。
风力发电机的低速轴将转子轴心与变速齿轮箱连接在一起。
在一般的风电机上，转子转速相当慢，大约为0至20转每分钟。
4、齿轮箱：
使用齿轮箱，你可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。
风电机上的齿轮箱，通常在转子及发电机转速之间具有单一的齿轮比。
齿轮箱作为风力发电机组中一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。
通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。
1.5MW风机使用的齿轮箱为两级行星齿轮传动一级平行轴齿轮传动。
4.1行星轮齿轮传动
4.1.1行星轮传动齿轮箱的优点：
1）体积小、质量小，结构紧凑，承载能力大
一般在承受相同的载荷条件下，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的1/2～1/5。
2）传动效率高
由于行星齿轮传动结构的对称性，使得作用于太阳轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。
一般其效率值可达0.97~0.99。
3）传动比较大，
在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达到几千。
而且行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优点。
4）运动平稳、抗冲击和振动的能力较强
由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布于太阳轮的周围，从而可使行星轮与转臂的受力平衡。
同时，也使参与啮合的齿数增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。
4.1.2行星齿轮传动的缺点是：
1）材料优质；
2）结构复杂；
3）制造和安装较困难。
4.1.3行星齿轮工作原理
齿圈固定，行星架主动，太阳轮被动。
4.2平行轴齿轮传动
为了方便线缆通过低速轴传递到轮毂内，必须将高速轴与低速轴分开，所以齿轮箱的第三级采用平行轴齿轮传动。
4.3齿轮箱与转子轴联结
锁紧套结构及原理：
转子轴传入轴套后锁紧螺栓，外环移动对内环产生压力，内环和轴套变形从而使轴套与转子轴间产生预紧压力，安全可靠的传递动力
锁紧套连接的特点：
1.定心精度高。
2.安装简单，无需加热、冷却或加压设备。
3.可传动重载，适合动载荷。
连接件没有键槽削弱，靠摩擦力传动，没有相对运动。
4.
有安全保护作用。
过载后转子轴与轴套相对滑动，从而保护齿轮箱、发电机等免受损坏。
齿轮箱除传动部件外还包括检测系统、润滑系统、控制系统、加热系统、冷却系统等。
齿轮箱的润滑
对润滑油的要求应考虑：
1）减小摩擦和磨损，具有高的承载能力，防止胶合；
2）吸收冲击和振动；
3）防止疲劳点蚀；
4）冷却，防锈，抗腐蚀。
风力发电齿轮箱属于闭式齿轮传动类型，其主要的失效形式是胶合与点蚀，故在选择润滑油时，重点是保证有足够的油膜厚度和边界膜强度。
5、连轴器
作用：
传递扭距；补偿同轴度的误差，通过联轴器的柔性来消除其中的误差的影响；并保护发电机。
6、滑环单元
作用：
为轮毂内供电，实现动静态的用电传导，避免电缆扭曲打结。
7、液压系统
作用：
控制高速刹车及偏航刹车的开闭。
8、冷却系统
作用：
风冷和水冷，主要是针对齿轮箱在运转时需要冷却。
9、发电机
风电机可以使用同步或异步发电机，并直接或非直接地将发电机连接在电网上。
直接电网连接指的是将发电机直接连接在交流电网上。
非直接电网连接指的是风电机的电流通过一系列电力设备，经调节与电网匹配。
采用异步发电机，这个调节过程自动完成。
发电机对中最终调整的位置尺寸：
上下、前后、左右的尺寸在技术要求范围内即可。
10、吊车
用来在为现场从塔筒底部向塔顶提升物品。
11、机舱柜
机座设备的控制箱。
12、机舱加热器
为机舱内加热。
（4个）
三、塔筒内电缆缚设示意图
风力发电机动力电缆（发电机与变流器连接电缆）
电缆名称
线径
电线规格
电缆数量
备注
U
240mm²
690V
3
发电机定子至变流器
V
240mm²
690V
3
发电机定子至变流器
W
240mm²
690V
3
发电机定子至变流器
PE
120mm²
2
K
120mm²
690V
2
发电机转子至变流器
L
120mm²
690V
2
发电机转子至变流器
M
120mm²
690V
2
发电机转子至变流器
PE
120mm²
1
2×5×0.75
双绞双屏蔽
1
编码器
1、与发电机定子回路连接的电缆，采用工业柔性电缆（低温-40度）1×240mm²
发电机U、V、W相（A、B、C三相）每相三根1×240mm²额定电流：
1118A
PE采用一根2×120mm²电缆
2、与发电机转子回路连接的电缆，采用工业柔性电缆（低温-40度）1×120mm²
发电机转子K、L、M相（A、B、C三相）每相二根1×120mm²额定电流：
368A
PE采用一根1×120mm²电缆
3、动力电缆沿机舱座下部电缆槽至上部塔筒入口，并用电缆吊网将每根电缆吊褂在机舱底部（下图）
四、风力发电机电控系统
国电联合动力UP1500-77/82风机介绍
一、概述
国电联合动力技术有限公司联合德国aerodyn公司首批设计的1.5兆瓦风机UP77/82是3叶片、上风向、变浆距、主动偏航、叶轮直径为77/82米、额定功率为1500kW的变桨变速恒频风力发电机组。
基于中国实际风资源状况，根据风场类型设计了两种机型：
UP77型与UP82型。
根据南北方气候条件，UP77和UP82均有常态机组、冷态机组、冷态防风沙机组三种类型。
UP77适用于IEC/GLTC2A+风场（适用于IECⅡ类风场，抗Ⅰ类极限风速，即抗50年一遇极限风速70m/s），UP82适用于IEC/GLTC3A+风场（适用于IECⅢ类风场，抗Ⅱ类极限风速,即抗50年一遇极限风速59.5m/s）。
UP77叶片全长37.5，UP82叶片全长40.25米。
由于叶片翼型是联合aerodyn公司专门针对中国风况而设计，且UP821.5MKW机组采用了比通常的1.5MW风电机组更长的叶片，所以UP77和UP82的额定风速比通常的1.5MW机组额定风速低。
风轮由3个叶片、叶片轴承及球墨铸铁轮毂构成。
叶片通过球式轴承，安装在叶片轮毂上，以实现叶片桨距角可调。
在高风速下，双馈发电机和变浆距系统将风力机的输出功率保持在额定功率,在低风速条件下，双馈发电机和变浆距系统通过选择风轮转子的转速和叶片角度的最佳结合使风力机的输出功率最大。
低速轴采用双轴承支撑，轴系上传递扭矩，齿轮箱受力改善；齿轮箱由两级行星一级平行轴圆柱齿轮传动。
从齿轮箱通过万向联轴节柔性联结，将能量耦合到发电机。
该机采用双馈异步发电机，该电机可以使风力机在比较宽的风轮转子转速变化范围内运转,以获取更多的电能。
发电机是一台高效率的4极双馈式发电机,发电机运行时，既可超同步转速运行，也可亚同步转速运行，变速运行在1000～2017rmp之间，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。
这种采用双馈异步发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变频器的容量外，还可以实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。
风力机的基本制动方法是全顺浆制动。
高速轴的制动是紧急状态下的紧急制动，通过液压系统启动安装在齿轮箱高速主轴上的紧急碟式制动器。
风力机的功能通过几台微处理器构成的控制单元监控。
控制系统安装在机舱内。
在风力机全工况的过程中调节控制系统可以使叶片的转动角度变化在0°～90°。
控制系统根据安装在机舱顶部的风向仪提供的风向信息控制偏航系统转向。
变桨系统为叶片独立电变桨系统，提高了系统的可靠性，降低了维护成本。
偏航系统是由回转支撑轴承和四台电机驱动的齿轮传动机构组成的。
机舱盖是由玻璃纤维强化聚脂材料制成，可以保护机舱内部的设备，防雨、雪、尘和阳光的照射。
机舱内还安装了一台起重量为300千克的链式提升机，提升高度为80米。
风力机的塔架是钢制圆锥型筒式结构（不在供货范围内），设有攀梯助力装置（由用户选购）。
二、机组技术资料
1.UP77/1500机组技术数据
表一、UP77/1500IIA+LT机组总体技术数据
序号
描述
单位
规格
1
机组数据
1.1
制造商
国电联合动力技术有限公司
1.2
型号
UP77/1500IIALT
1.3
额定功率
kW
1500
1.4
叶轮直径
m
77.36
1.5
切入风速
m/s
3
1.6
额定风速
m/s
11
1.7
切出风速（10分钟均值）
切出风速（3秒平均值）
m/s
25
35
1.8
重新切入风速
m/s
20
1.9
抗最大风速（3秒均值）
m/s
70
1.10
设计寿命
年
20
2
叶片
2.1
产品型号
37.5（或aerodyn设计的其它厂家）
2.2
叶片材料
玻璃纤维增强树酯
2.3
叶片数量
个
3
2.4
叶轮转速
Rpm
9.7～19.5
2.5
额定转速
Rpm
17.4
2.6
最优叶尖速比
8.5
2.7
扫风面积
m2
4700.3
2.8
旋转方向（从上风向看）
顺时针
2.9
风轮倾角
°
5
3
齿轮箱
3.1
型号
JakePPSC1290或南高齿（或满足质量的其它厂家）
3.2
齿轮箱结构
两级行星一级平行轴圆柱
3.3
齿轮传动比率
100.75
3.4
额定功率
kW
1652
3.5
润滑形式
电动油压泵
3.6
润滑油型号
MobilMobilgearSHCXMP320或满足质量要求的同类型润滑油
4
发电机
4.1
类型
4极双馈异步发电机
4.2
额定功率
kW
1550
4.3
额定电压
V
690
4.4
定子额定电流
A
1200（功率系数为+0.95时）
1118（功率系数为1时）
1198（功率系数为-0.95时）
4.5
转子额定电流
A
513（功率系数为+0.95时）
452（功率系数为1时）
445（功率系数为-0.95时）
4.6
额定转速
rpm
1750
4.7
额定频率
Hz
50
4.8
绝缘等级
F
4.9
润滑脂型号
Kluberplexbem41-132或通用油酯
4.10
防护等级
IP54（发电机）
5
制动系统
5.1
主制动系统
全顺桨独立制动
5.2
第二制动系统
单盘式，失效安全，主动型（在电网断开期间可让传动系统停车）
6
偏航系统
6.1
类型
主动电驱动型
6.2
偏航轴承形式
4点接触双滚珠轴承，内齿
6.3
偏航速度
度/秒
0.8
7
控制系统
7.1
控制柜
7.2
软并网装置/类型
IGBT逆变
7.3
补偿电容容量/组数
kvar
无
7.4
额定出力的功率因数
-0.95～0.95（可调节）
8
防雷保护
8.1
防雷设计标准
按照IEC61024-I设计
符合GL2003认证规范
8.2
防雷措施
电气防雷、叶尖防雷等
8.3
风机接地电阻
Ω
≤4Ω
9
塔架
9.1
类型
钢制锥筒（内设爬梯、防跌落保护、照明灯等）
9.2
高度（塔底法兰至轮毂中心高）
米
65
9.3
表面防腐
喷漆防腐
10
重量
10.1
机舱
吨
68
10.2
叶轮
吨
33.1
10.3
塔架
吨
121.7
11
基础
地埋基础环钢砼结构
12
适用范围
12.1
运行温度
℃
-30～+40℃
12.2
生存温度
℃
-40～+50℃
12.3
防沙尘
mg/m3
10
12.4
是否考虑冰载
是
表二、UP77/1500IIALT机组总体技术数据
序号
描述
单位
规格
1
机组数据
1.1
制造商
国电联合动力技术有限公司
1.2
型号
UP77/1500IIALT
1.3
额定功率
kW
1500
1.4
叶轮直径
m
77.36
1.5
切入风速
m/s
3
1.6
额定风速
m/s
11
1.7
切出风速（10分钟均值）
切出风速（3秒平均值）
m/s
25
35
1.8
重新切入风速
m/s
20
1.9
抗最大风速（3秒均值）
m/s
59.5
1.10
设计寿命
年
20
2
叶片
2.1
产品型号
37.5（或aerodyn设计的其它厂家）
2.2
叶片材料
玻璃纤维增强树酯
2.3
叶片数量
个
3
2.4
叶轮转速
Rpm
9.7～19.5
2.5
额定转速
Rpm
17.4
2.6
最优叶尖速比
8.5
2.7
扫风面积
m2
4700.3
2.8
旋转方向（从上风向看）
顺时针
2.9
风轮倾角
°
5
3
齿轮箱
3.1
型号
JakePPSC1290或南高齿（或满足质量的其它厂家）
3.2
齿轮箱结构
两级行星一级平行轴圆柱
3.3
齿轮传动比率
100.75
3.4
额定功率
kW
1652
3.5
润滑形式
电动油压泵
3.6
润滑油型号
MobilMobilgearSHCXMP320或满足质量要求的同类型润滑油
4
发电机
4.1
类型
4极双馈异步发电机
4.2
额定功率
kW
1550
4.3
额定电压
V
690
4.4
定子额定电流
A
1200（功率系数为+0.95时）
1118（功率系数为1时）
1198（功率系数为-0.95时）
4.5
转子额定电流
A
513（功率系数为+0.95时）
452（功率系数为1时）
445（功率系数为-0.95时）
4.6
额定转速
rpm
1750
4.7
额定频率
Hz
50
4.8
绝缘等级
F
4.9
润滑脂型号
Kluberplexbem41-132或通用油酯
4.10
防护等级
IP54（发电机）
5
制动系统
5.1
主制动系统
全顺桨独立制动
5.2
第二制动系统
单盘式，失效安全，主动型（在电网断开期间可让传动系统停车）
6
偏航系统
6.1
类型
主动电驱动型
6.2
偏航轴承形式
4点接触双滚珠轴承，内齿
6.3
偏航速度
度/秒
0.8
7
控制系统
7.1
控制柜
7.2
软并网装置/类型
IGBT逆变
7.3
补偿电容容量/组数
kvar
无
7.4
额定出力的功率因数
-0.95～0.95（可调节）
8
防雷保护
8.1
防雷设计标准
按照IEC61024-I设计
符合GL2003认证规范
8.2
防雷措施
电气防雷、叶尖防雷等
8.3
风机接地电阻
Ω
≤4Ω
9
塔架
9.1
类型
钢制锥筒（内设爬梯、防跌落保护、照明灯等）
9.2
高度（塔底法兰至轮毂中心高）
米
65
9.3
表面防腐
喷漆防腐
10
重量
10.1
机舱
吨
68
10.2
叶轮
吨
33.1
10.3
塔架
吨
100.7
11
基础
地埋基础环钢砼结构
12
适用范围
12.1
运行温度
℃
-30～+40℃
12.2
生存温度
℃
-40～+50℃
12.3
防沙尘
mg/m3
10
12.4
是否考虑冰载
是
2.UP82/1500机组总体技术数据
表三、UP82/1500IIIA+LT机组总体技术数据
序号
描述
单位
规格
1
机组数据
1.1
制造商
国电联合动力技术有限公司
1.2
型号
UP82/1500IIIA+LT
1.3
额定功率
kW
1500
1.4
叶轮直径
m
82.76
1.5
切入风速
m/s
3
1.6
额定风速
m/s
10.5
1.7
切出风速（10分钟均值）
切出风速（3秒平均值）
m/s
25
35
1.8
重新切入风速
m/s
20
1.9
抗最大风速（
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