1.2.1 风电机组的组成

风力发电是指利用风电机组将风能转化为电能的发电方式。目前，大部分安装的风力机是变速型风力机，采用的主要是双馈感应发电机和全功率风电机组，这些发电机允许变速运行发电。

1.双馈风电机组

双馈感应发电机的定子直接和电网连接，而转子通过背靠背双向功率变换器和电网相连，如图1-1所示。通过矢量控制技术，双向功率变换器确保发电机在变转速时可以在额定电网频率和电网电压条件下发电。功率变换器的主要目标是通过转差控制来弥补转子速度和同步速度的差异。双馈风电机组的主要特点如下：

1）采用变速双馈感应发电机-变频器系统，通过变速运行保证在能量转换、效率、机械压力、载荷应力和电能质量等方面达到最佳值。

2）其发电机是双馈感应发电机，采用小容量的电力电子变换器，成本低、体积小、重量轻，且采用带集电环的双馈感应形式。

3）双馈感应发电机的转子与电网直接连接，降低了损耗，提高了发电效率。

4）采用变速恒频技术，传动链配置有齿轮箱，在欠功率状态下（低于额定风速运行状态）采用转速控制，调整发电机转子转差率，使其尽量运行在最优叶尖速比上，以输出最大功率。

2.全功率风电机组

全功率风电机组分为半直驱全功率机组和直驱全功率机组。半直驱全功率机组具有齿轮箱的配置，常用于基于永磁同步发电机（Permanent Magnet Syn-chronous Generator，PMSG）和笼型感应发电机（Squirrel Cage Induction Gen-erator，SCIG）的风力发电系统中。相比于直驱风电机组，半直驱风电机组具有更小的转子重量和更低的维护成本，同时也具有更高的传动效率，这使得半直驱风电机组在陆上和海上风电场都得到了广泛应用。直驱全功率机组把发电机的主轴直接和风力机的主轴相连，无需齿轮箱。虽然具有更高的传动效率和更低的维护成本，但直驱风电机组的转子重量和转矩较大。由于需要更大的机组尺寸和更坚固的基础，因此安装和维护成本较高。

基于直驱永磁同步发电机的风电机组如图1-2所示，主要有以下特性：

1）结构紧凑、简单，传动零部件少，维护简单，可靠性高。

2）传动链短，提高了传动效率和可利用率。

3）转速低，优化机组运行工况，提高运行寿命，降低噪声和机械磨损。

4）捕捉风能效率高，风电机组变转速运行范围宽，低风速下可得到更高的风能利用。

3.风电机组的组成

不同类型的风电机组其组成不完全相同，图1-3所示为一台双馈风电机组的主要部件。

（1）风轮

风轮是将风能转化为动能的机构。风力带动风轮叶片旋转，再通过齿轮箱将转速提升，带动发电机发电。风轮通常有两片或三片叶片，叶尖速度为50～70m/s。在此叶尖速度下，通常三叶片风轮效率更好，两叶片风轮效率仅降低2%～3%。对于外形均衡的叶片，叶片少的风轮转速更快，但会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。三叶片风轮的受力更平衡，轮毂结构更简单。

（2）机械系统

风力机的机械系统一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等，但不是所有风力机都必须具备这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。也有些风力机，特别是小型风力机，设计成无齿轮箱的，其风轮直接与发电机相连接。

齿轮箱是传动装置的主要部件，它的主要功能是将风轮在风力作用下产生的动能传递给发电机并使其达到相应的转速。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，因此也将齿轮箱称为增速箱。如2MW双馈风力机的风轮转速通常为20.7r/min，相应的发电机转速通常为1950r/min。

（3）发电机系统

发电机系统主要由发电机、水循环装置或空冷装置等组成。核心是发电机，也是本书的重点。发电机及其控制的详细内容将在后面各章中进行分析。

（4）制动系统

风电机组的制动分为气动制动与机械制动两部分。风的速度很不稳定，在大风的作用下，风轮会越转越快，系统可能被吹垮，因此常常在齿轮箱的输入端或输出端设置制动装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

（5）偏航系统

偏航系统使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。中小型风力机可用舵轮作为对风装置。当风向变化时，位于风轮后面的两个舵轮旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转。当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。

对于大中型风力机，一般采用电动偏航系统来调整风轮，使其对准风向。偏航系统一般包括异步风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、回转体大齿轮等。风向标作为异步元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，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。为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴连接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，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，偏航过程结束。

（6）控制系统

控制系统是现代风电机组的神经中枢。现代风电机组无人值守，兆瓦级风电机组一般在风速4m/s左右自动起动，在14m/s左右发出额定功率。随着风速的增加，风电机组一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25m/s时自动停机。现代风电机组的存活风速为60～70m/s，也就是说在如此大的风速下风电机组也不会被破坏。通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7～36.9m/s。

（7）变桨系统

变桨距控制是根据风速的变化调整叶片的桨距角，从而控制风电机组的输出功率。变桨系统通常由轴承、驱动装置、蓄电池、逆变器等组成。目前，国际上常见的变桨系统有两种类型：一种是液压驱动连杆机构，推动轴承，实现变桨；另一种是电机经减速驱动轴承，实现变桨。由于高压油的传递需要通过静止部件向旋转轮毂传递，难以很好地实现，易发生漏油。电信号的传递较易实现，兆瓦级风电机组多采用电机驱动变桨。出于安全考虑，变桨系统要配置蓄电池，作为电网突然掉电或电信号突然中断的后备措施，使风电机组能够安全平稳地实现顺桨制动。

综上所述，一台变速风力机的模型框图如图1-4所示。其中偏航系统由于功能相对独立，未展示在图中。