2.2 双馈型风力发电系统组成及基本原理

2.2.1 双馈型风力发电系统组成

双馈型异步风力发电系统主要由风轮机系统、传动系统、发电机、变流系统、刹车系统、控制系统、变桨系统、偏航系统以及附属部件、塔架等组成。

1．风轮机系统

对于双馈异步发电机系统来说，风轮机系统是将风能转化为机械能的部件，当桨叶上有风作用时，会产生旋转力矩并转动，使风能转化为机械能，进而通过增速箱驱动发电机。风轮机系统主要由叶片和轮毂组成，对叶片的选型应考虑叶片的翼型、结构形式、叶片的材料以及加工的精度等因素，叶片质量的好坏很大程度上决定了机组的安全性能和风能转换效率，叶片一般选取2～3个，在多年的实践性发展历程当中，三叶片的风机由于较强的稳定性，成为当前的主流形式，图2-4为正准备吊装的风轮机。

轮毂在大型风力发电系统中承担着连接叶片和主轴的任务，担负着传递转矩的作用，承受复杂的交变载荷，对轮毂的强度要求比较高。因此，如何既能保证强度又能保证轻便易于控制一直是对轮毂研究的课题，对轮毂的结构优化设计之路任重而道远，图2-5是轮毂的结构示意图。

2．传动系统

风力发电系统的传动方式包括无齿轮箱传动和有齿轮箱传动方式。无齿轮箱传动为直驱型，由于没有齿轮箱，可以避免因齿轮箱故障而造成的干扰，减少了传动系统发生故障的概率，提高了系统运行的可靠性，缺点是增加了设计的成本。双馈异步发电机组采用的是有齿轮箱传动方式，并且是目前大型风力发电机组最常用的形式，其传动系统主要的组成部分为低速轴、高速轴、联轴器和齿轮箱。低速轴连接桨叶，高速轴连接发电机，齿轮箱将低速轴的转速提高数倍之后传送给高速轴。通常大型风电机组的低速轴转速为20～30r/min，高速轴转速则超过1500r/min。

目前对齿轮研究的重点在于齿轮箱的结构，如何既能保证提高齿轮的啮合质量又能保证齿轮运行的可靠性是齿轮的关键问题，同时齿轮运行时发出的噪音也是不容忽视的。齿轮箱一般采用平行轴传动与行星传动相结合的形式，这样可以综合两种形式的优点，具体分两种形式：一是一级行星加两级平行轴圆柱齿轮传动，二是两级行星加一级平行轴圆柱齿轮传动。

3．发电机

发电机是将风力机风轮的机械能转化为电能的电气装置，分为异步发电机和同步发电机两种类型，一般采用异步发电机居多。常见机型包括鼠笼异步发电机、双馈感应异步发电机和永磁同步发电机等类型。双馈电机的定子通过变压器直接与电网连接，转子通过变流器与电网连接。现代化的双馈发电机中，不光有转速控制，还有变频控制，采用PWM控制转子电流，反馈到定子侧，使定子侧输出不带谐波的正弦波。在转速达到额定转速时，转子侧发出电流，提高功率利用效率。

4．变流系统

变流系统主要包括整流系统和逆变系统，其作用是确保发电机和电网的能量传递。变速恒频系统可采用循环式（交流-交流）变流器、双PWM（交-直-交）变流器或者矩阵变换器等类型。但由于循环式变流器产生的较大谐波的输出电流，而矩阵变换器控制的方法很繁杂，且功率因数都不高，因此没有得到广泛的推广和应用。双PWM变流器是目前双馈异步发电系统中发展最为成熟和应用最为广泛的变流器，与其他变流器相比更有竞争力。

双PWM变流器具有完全对称的结构，包括机侧变流器和网侧变流器，能保证四象限运行，中间的电容具有储能和滤波的双重作用，能保证直流电压的稳定。在不同工况时可以实现既定要求的能量的双向流动。

5．刹车系统

风力发电系统中，当风速高于设计范围或低于实际范围时，都应使机组处于刹车状态。风力发电系统有两种刹车装置：一是空气动力刹车，二是机械刹车，个别风力发电机组只有机械制动。在定桨距系统中，桨距角是固定的，对于空气动力刹车，采用较多的形式是叶尖扰流器，风轮的叶尖扰流器旋转约90°，产生气动阻力而制动的情形就属于空气动力制动。而变桨距系统通过叶片攻角的变化来实现。制动系统的动力来源是液压系统，用来执行风力机的开关命令，通常由两个回路构成：一路是通过蓄能器传送给叶尖扰流器（对于变桨距系统则传给变桨距机构），另一路通过蓄能器传送给机械刹车机构：风机的制动分正常停机制动、安全停机制动和紧急停机制动三种情况。欲使运行中的机组安全停机，一般先选择空气制动，让运转中的风轮减慢速度，然后选择机械制动以停止运转。

6．控制系统

控制系统的好坏直接影响到制动系统、变桨距系统、偏航系统、液压系统乃至整个机组的性能。控制系统是机组的核心，相当于系统的大脑，与风力发电系统的发电量和系统的安全紧密相关，控制系统包含3个层面的控制，具体结构如图2-6所示。

7．偏航系统

偏航系统是用来调整风轮机的叶片所在旋转平面相对风的位置，是水平轴风力发电机组中不可或缺的一部分。只有当风轮叶片的旋转平面与来风方向垂直，也就是叶轮平面迎着风向时，风力机从气流中获取的风能量最大，从而使得风力机的输出功率最大。在实际应用中，由于风的不稳定性，风向不断地变化，当风向偏离应有的角度时，不但会使输出功率减少，而且会承受不利的载荷，进而对风轮机造成不必要的损坏。

偏航系统主要的功能有两个：一是保证风轮处于迎风状态，提升风能的利用效率；二是当发生特大强风、电缆缠绕或者故障时，采用相应的控制程序进行操作，保证机组的安全运行。

8．桨距系统

定桨距系统在额定风速以内时，叶片的升力系数随着风速的增加而增加，利用系数较高，当风轮机转速超过额定转速时，通过叶片的失速调节，不再增加升力，使转速不再随风速的增加而增加，从而限制了风力机输出的功率，导致了很大的风能损失。变桨距系统与定桨距系统不同的是，当风速的变化使得风轮机转速超越额定转速时，通过控制叶片桨距角，提高风能利用系数，使输出功率维持在额定功率附近。

变桨距系统可以自动调节叶片的桨距角，风力机启动性能良好，可以适应正常范围内的各种风况，减少了功率的损失。因此，虽然变桨距系统存在系统复杂，检修难度大，造价高的缺点，变桨距系统还是以其强大的优点逐步取代了定桨距系统，成为当今风电机组的主流。

9．液压系统

液压系统为变桨距系统、偏航系统以及停机制动装置提供液压动力，同时还控制着机械刹车装置。液压系统不光具有功率密度大、传动平稳、元件易于更换的优点，而且具有可靠的过载保护性能，因此广泛应用于大型的风力发电机系统。液压系统有各种液压元件组成，主要包括动力元件、控制元件、执行元件及辅助元件，动力元件负责将机械能转化为液压能，比如液压泵；控制元件负责控制系统的压力、流量、信号的转换等，如各种阀门；执行元件将液压能转化为机械能，进而驱动相关的元件和机构，如液压缸；辅助元件就是液压系统中除了上述3种元件之外保证系统正常工作的装置，如各类管件、油箱、蓄能器和过滤器等。

液压系统的可靠性直接关系着人身安全和设备的正常运行。液压系统一旦失灵，将直接造成风电机组制动系统的正常运行。对液压系统起关键作用的两个因素是液压元件的污染耐受度和系统油液的污染度，液压元件的污染耐受度主要包括污染磨损敏感度和污染启动敏感度，而油液的污染度主要来源于系统中固有的污染物、外界侵袭产生的污染物、运行中生成的污染物或者滤油器使用不当未被过滤掉的污染物等。因此，要保证液压系统的可靠性，降低系统的故障，可以从这两个方面进行优化，对油液的污染度进行合理的控制。

10．塔架

塔架及其基础为风电机组的重要承重部件，在水平轴风力发电机的系统中，塔架不光支撑着整个机舱和风轮的重量，还要使机舱和风轮保持在一定的高度。在有气流作用时，塔架还需要抵御风的推力对塔架形成的弯矩、机舱和风轮的偏心重量对塔架形成的弯矩、风轮转动时对塔架形成的反转矩、阵风不稳定对塔架形成的弯矩、风力发电机的振动等载荷。另外，风机停止时，塔架还要承受机械刹车系统传递过来的刹车力矩。塔架的重量在风力发电机组中占总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的10%以上。随着风力发电机组的容量和高度的增加，塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性愈来愈明显。

水平轴风力机的塔架一般分为管柱型和桁架型两类。一般情况下，管柱形塔架有较小的对风阻力，尤其是对于下风向式风力机系统，产生紊流的影响要比桁架式塔架小，适用于大型的风力发电机组。桁架式塔架造价低廉，运输方便，但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流，大多适用于中小型的风力机系统。

2.2.2 双馈机组变速恒频工作原理

双馈型交流励磁变速恒频风力发电原理如图2-7所示。

图2-7中，f1、fs分别为发电机定、转子电流的频率，fs满足fs=sf1; n1为定子旋转磁势角速度，满足n1=60f1/p; nr 为转子转速；ns为转子旋转磁场相对于转子的转速，满足ns=60fs/p。

由电机学的原理可知，发电机稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即满足：

当ns与nr方向相同即处于亚同步运行时，关系式取“+”号，当两者方向相反即处于超同步运行时，取“-”号。将n1=60f1/p及ns=60fs/p带入式（2-2），有：

从式（2-3）可知，当发电机转速nr变化时，可通过调节转子励磁电流频率fs保持定子输出电能频率恒定，这就是变速恒频的运行原理。当发电机处于亚同步运行时，fs＞0，转子绕组相序与定子相同；当发电机处于超同步运行时，fs＜0，转子绕组相序与定子相反；当发电机同步速运行时，fs=0，转子进行直流励磁。