第二节 风电机组的结构及特点
一、机舱
（一）机舱内的设备
图3-4为机舱布置图，机舱内的装置是风力发电机最重要的设备。
图3-4 机舱布置图
1—叶片；2—叶片轴承；3—轮毂；4—变桨距装置；5—曲轴；6—连杆；7—传动轴；8—支座；9—主轴；10—主轴箱；11—齿轮箱；12—齿轮箱润滑站；13—制动盘；14—联轴器；15—分控制器；16—机舱罩；17—油冷却器；18—电气柜；19—伺服油缸；20—底座；21—塔架；22—偏航轴承；23—偏航驱动装置；24—液压站；25—轴系安全装置；26—发电机
机舱内布置的传动系统，由主轴、齿轮箱、联轴器和发电机等构成。传动轴系位置确定后，便可布置机组的偏航系统和制动装置。其他需要布置的部件主要有润滑油站及冷却系统、液压系统、发电机控制器（变流器）、机舱控制柜、机舱吊具及其他装置等。它们的布置应遵循下列原则：
（1）操作和维修方便。如用于运输维修物品的吊车一般放在机舱后部，机舱后部一般离塔架较远，物品不易与塔架碰撞。
（2）功能效率要求高。如冷却器要放在换热效率高的地方，有的换热器放在机舱罩外顶部。
（3）尽量保持机舱静平衡，使机舱的重心位于机舱的对称面内，在塔架与风轮之间偏塔架轴线一方。这样便于吊具设计、机舱吊装，并有利于偏航回转装置负载均匀。
与上述传统的双馈发电机组相比，直驱式机组机舱布置则简单得多。风轮轮毂直接与发电机内转子相连，电机定子紧固在底座支架上。机舱内除了少量电气设备和偏航装置外，没有别的装备，十分简洁。
（二）机舱底座
机舱底座的结构如图3-5所示，它是机组主驱动链和偏航机构固定的基础，并能将载荷传递到塔架上去。底座结构与风力发电机组的类型和设计方案有关。机舱底座要有足够的刚度、强度和稳定性，并且要在合理安排机舱内部空间前提下，尽量减小尺寸，减轻重量，降低成本。
图3-5 塔架的结构形式
（a）桁架式塔架；（b）圆筒式塔架
有些机型不设置主轴而将风轮直接安装在齿轮箱的低速轴上，齿轮箱壳体与底座合二为一。若发电机在主轴的垂直对称面内，底座一般采用箱梁结构，即贯穿底座前后的空心矩形截面梁是主承载构件，主传动链都安装于此梁上，梁的下面与偏航系统连接，其优点是结构稳定、刚度大，大型机组大多采用这种结构。
若主传动链与发电机为非对称布置，则可能是平面或非平面的结构。底座设计时要按照轴系的布置方式进行，除了满足结构和强度要求外，还要求进行有限元静、动态分析。
常用的底座采用焊接构件或铸件。
焊接机舱底座一般采用Q345板材，在高寒地区采用Q345D板材。焊接结构具有强度高、重量轻、生产周期短和施工简便等优点，但其尺寸稳定性往往由于热处理不当受到影响。
（三）机舱罩与整流罩
1.机舱罩
机舱罩用于舱内设备的保护，也是维修人员高空作业的安全屏障。机舱罩应该具有较好的空气动力外形和合理方便的舱口；为便于更换部件，顶部能够方便打开。
机舱罩由蒙皮（壳）和骨架组成。蒙皮由耐腐蚀、抗疲劳、保温、防噪声、强度高易成形的玻璃纤维复合材料制成，外层胶衣有密封、耐腐蚀和抗紫外线的作用。骨架通常有金属骨架和玻璃钢骨架两种。金属骨架强度高、刚性好，能够承受和传递较大载荷，成形相对容易，但与蒙皮的组装比较复杂，一般采用机械连接，还必须采取密封措施。玻璃钢骨架正好相反，不能直接承受较大的集中载荷，需要增加金属加强件，成形需要使用工装（胎模），但与蒙皮组装方便，在蒙皮成形模中通过胶结即可完成，不需要密封。
2.整流罩
整流罩是置于轮毅前面的罩子，其作用是整流，减小轮毂的阻力和保护轮毂中的设备。
流线型的整流罩美观，视觉效果好。整流罩的制作类似机舱罩。当整流罩内不需要安装设备时，也可选用平的圆形盖板，可以减小成本和重量。
二、塔架与基础
塔架是风力发电机中支撑机舱的结构部件，承受来自风电机组各部件的各种载荷（风轮的作用力和风作用在塔架上的力，包括弯矩、推力及对塔架的扭力）。塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括启动和停机的周期性影响、阵风变化、塔影效应等。另外还要求塔架要有一定的高度，使风电机组处于较为理想的位置上运转，并且还应有足够的强度和刚度，以保证风电机在极端风况下不会发生倾覆。
塔架上安置发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，装有供操作人员上下机场的扶梯，大型机组还设有电梯。
风电机组的基础通常为钢筋混凝土结构，并且根据当地地质情况设计成不同的形式。其中心预置与塔架连接的基础件，以便将风力发电机组牢牢地固定在基础上。基础周围还要设置预防雷击的接地系统。
（一）塔架类型和结构
1.塔架类型
塔架的基本形式有桁架式塔架和圆筒式塔架两大类。桁架式塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为通向塔顶的上下梯子不好安排，塔架过于敞开，维护人员上下不安全，桁架式塔架如图3-5（a）所示。塔筒式塔架在当前风力发电机组中大量采用，优点是美观大方，塔身封闭，风电机组维护时上下塔架安全可靠，圆筒式塔架如图3-5（b）所示。
塔筒式塔架一般呈截锥形，由数段组成，一般每段长度不超过30m是经济的。各段之间通过螺栓和法兰连接，塔架和基础也是通过法兰连接。圆筒式钢筋混凝土塔架早期曾有应用，后来因批量生产需要逐渐被钢结构塔架所取代。近年来随着风力发电机组容量的增加，塔架体积增大，使塔架运输变得困难，钢筋混凝土塔架又在某些场合开始采用。
塔架高度主要依据风轮直径确定，但还需考虑安装地点附近的障碍物情况、风力机功率收益与塔架费用提高的比值（塔架增高，风速提高，风力机功率增加，但塔架费用也相应提高）以及安装运输问题。图3-6给出由113台风力机统计得到的塔架高度与风轮直径的关系。图中表明，风轮直径减小，塔架的相对高度增加。小风力机受周围环境的影响较大，塔架相对高一些，可使它在风速较稳定的高度上运行。直径在25m以上的风轮，其轮毂中心高与轮毂直径的比应为1∶1。
图3-6 塔架高度与风轮直径的关系
随着塔架高度的增加，风力机的安装费用会有很多的提高，对于兆瓦级风力机更是如此。吊车要把100t的质量吊到高60m，不仅安装困难，费用也必然会大大增加。
2.塔架内部结构布置
（1）工作台。塔架内部要设置工作平台。靠近塔架顶部的平台，主要用于机舱安装、作为塔架到机舱的通道以及安装一些辅助装置。各段对接面下的平台，主要用于塔架各段的连接和维修，其上下位置应适中，以便于操作。
（2）爬梯、安全索或安全导轨。塔筒内的爬梯如图3-7所示。爬梯主要用于维修时人员进出机舱，安全索设在爬梯附近，安全导轨设在爬梯的横挡中间，用于人员上下爬梯时，安全锁扣在安全导轨上面能随人员上下移动，一旦人员跌落，锁扣即把人员锁在安全索或导轨上，保证人员安全。大型风电机组由于塔架高度大，塔架内部空间大，有可能装备电梯。电梯位置一般在塔门附近，远离塔架底部的电控柜，以避免相互干扰。
图3-7 塔筒内的爬梯
（3）电缆架。电缆架一般有活动电缆架和固定电缆架。活动电缆架位于塔架中心，固定在机舱底座的下面。机舱电缆的自由部分即固定在它上面，这样当机舱偏航时电缆只扭转而不受牵拉。活动电缆架只承担电缆自由部分的重量。固定电缆架焊接在塔壁上，方位应在电控柜或发电机变流器附近，电缆可就近进人。但是也有的风力发电机组没有固定电缆支架，从活动支架下来全部是自由垂吊在塔架中心，其优点是不需要固定电缆支架，节省电缆，单向偏航累积的角度可大一些，减少解缆次数；缺点是电缆必须有足够的强度，能承受自身的重量，对电缆的要求高。
（4）电控柜。当电控柜安放在塔架底部时，电控柜面向塔门以便于采光。如果当地低洼潮湿，则不应直接放在基础上而应在适当高度上建电控柜平台，并将舱门提高。
（5）照明系统。塔架只有一个门，不能自然采光；必须有照明系统。为了便于安装和维护，照明灯具应安排在爬梯附近。
3.塔架载荷
塔架上的载荷除了由偏航系统传递的载荷外，还包括直接作用在塔架上的载荷。塔架载荷主要有推力、弯矩（轴向和侧向）、扭矩、重力，以及作用在塔架迎风面的空气动力载荷和塔架自身的重力载荷（图3-8）。此外，在地震区安装风电机组时，还要考虑地震载荷；在近海区安装风电机组时，还要考虑波浪载荷、海流载荷等。
图3-8 塔架载荷和受力分析
水平轴风力机的塔架设计应考虑塔架的静动态特性、与机舱的连接、运输和安装方法、基础设计施工等问题。塔架的寿命与其自身质量大小、结构刚度和材料的疲劳特性有关。
4.塔架静动态特性的影响因素
在静动态特性的考虑因素中，桁架结构的塔架重量较轻，而塔筒式塔架则要重得多。图3-9给出几种形式塔架的材料、刚性、质量、一阶固有频率的情况。钢结构塔架虽质量大，但其基础结构简单，占地少，安装和基础费用不是很高。由于塔架承受的弯矩由上至下增加，因此塔架横截面面积自下而上逐渐减少，以减少塔架自身的质量。
风轮转动引起塔架受迫振动的模态是复杂的：由于叶轮转子残余的旋转不平衡质量产生的塔架以每秒转数n为频率的振动；由于塔影、不对称空气来流、风剪切力、尾流等造成的频率为zn振动（z为叶片数）。其中n为塔架的自振频率，zn为塔架的运行频率。塔架的一阶固有频率与受迫振动频率n、zn值的差别必须超过这些值的20%以上，以避免共振，还必须注意避免高次共振。
事实上，塔顶安装的风轮、齿轮箱、发电机等集中质量已和塔架构成了一个系统，并且机头集中质量又处于塔架悬臂梁的顶端，因而对系统固有频率的影响很大。如果塔架一机头系统的固有频率大于zn，称为“刚性塔”；介于n与zn之间的为“半刚性塔”，系统固有频率低于n的是“柔塔”。塔架的刚性越大，重量和成本就越高。塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。目前，大型风力机多采用“半刚性塔”和“柔塔”。
恒定转速的风力机由设计来保证塔架一机头系统固有频率的取值在转速激励的受迫振动频率之外。变转速风轮可在较大的转速变化范围内输出功率，但不容许在系统自振频率的共振区较长期运行，转速应尽快穿过共振区。对于刚性塔架，在风轮发生超速现象时，转速的叶片数倍频冲击也不能与塔架产生共振。
图3-9 不同的塔架自身质量和刚性的对比
当叶片与轮毂之间采用非刚性连接时，对塔架振动的影响可以减少。尤其在叶片与轮毂采用铰接（变锥度）或风轮叶片能在旋转平面前后5°范围内摆动时，这样的结构设计能减轻由阵风或风的切变在风轮轴和若架上引起的振动疲劳，但缺点是构造复杂。
5.塔架设计步骤
塔架设计可按一般高耸建筑物设计规范进行，主要步骤如下：
（1）初步确定塔架的几何外形和尺寸。塔架的结构形状和尺寸，取决于载荷、总体对塔架静、动特性的要求、与机舱偏航机构的安排及尺寸。
（2）按强度、刚度确定构件的截面参数，如直径、壁厚等。
（3）进行塔架稳定性与动特性分析。
用强度确定的截面参数，稳定理论的有关公式或经验公式校核构件的稳定性。用有限元分析方法对单独塔架和整机的含静、动态、响应进行全面分析，根据分析结果可调整塔架结构参数，使结构更趋优化。
6.塔架常用材料与表面防腐处理
塔架的塔筒常用Q3455C、Q345D钢板经卷板焊接制成。该材料具有韧性高、低温性能较好的优点，且有一定的耐蚀性。由于风力发电机组安装在荒野、高山、海岛，承受日晒雨淋和沙尘盐雾的侵袭，所以表面防护十分重要。通常表面采用热镀锌、喷锌或喷漆处理，对表面防锈处理要求应达到20年以上的寿命。
（二）基础
风电机组的基础主要按照塔架的载荷和机组所在地的气候环境条件，结合高层建筑建设规范建造。基础除了按承受的静、动载荷安排受力结构件外，还必须按要求在基础中设置电力电缆和通信电缆通道（一般是预埋管），设置风力发电机组接地系统及接地触点。
1.陆上风力发电机组的基础
锥筒形塔架采用的基础结构有厚板块、多桩和单桩形式。
（1）厚板块基础。
厚板块基础用在距地表不远处就有硬性土质的情况下，可以抵制倾覆力矩和机组重力偏心，计算板块基础承重力的方法是：假设承载面积上负载一致，基础承受的倾覆力矩应该小于WB/6，其中，W为重力负载，B为厚板块基础宽度，这个条件可用来粗略估计需要的基础尺寸。
图3-10 厚板块基础
（a）平面板块基础；（b）平放基座基础；（c）嵌入式塔架和倾斜板块基础；（d）岩石床打锚基础
几种不同的厚板块基础的结构形状如图3-10所示。图3-10（a）所示的平面板块基础板块厚度一致，上表面与地面相平，当岩石床接近地表的情况下选择这种基础，主要的配筋分布在上表层和下表层，抵制基础弯曲，并且板块足够厚，不用使用抗剪钢筋。图3-10（b）所示的平放基础板块基础上面设置一个基座，这种情况用在岩石床在地表下的深度比板块厚度大，需要增加一个基座来抵制弯曲力矩和剪切负载，施加在基础上的重力增加，整个板块尺寸可以减小一些。图3-10（c）嵌入式塔架和倾斜板块基础类似于平放基座基础，不同的是塔架基底直接嵌入基础，块状基础表面成一定斜率变化；缺点是塔架基底接近基础表面处需要打孔，允许基础表面配筋通过，抵制剪切负载的配筋也必须经过塔架底部法兰，这种结构节省材料，但不利于安装。图3-10（d）所示岩石床打锚基础，这种情况也适用岩石床在地表下的深度比较大情况，相比于平放基座基础，可以节省材料，免去上面的配重，承载力也很高，但岩石床打锚时，需要专用机械，所以也较少使用。
图3-11为陆上风电厚板块基础施工的情况。
（2）多桩基础。
在土质比较疏松的地层情况，常选择多桩基础，如图3-12（a）所示。基础采用一个桩帽安置在8个圆柱形桩基上，桩基圆形排列，在桩的垂直、侧向方向都要抵制倾覆力矩，侧向力主要作用在桩帽上，所以桩和桩帽都要配钢筋。桩孔采用螺旋钻孔，钢筋骨架定位后，原位置浇铸。
（3）混凝土单桩基础。
混凝土单桩基础采用一个大直径混凝土圆柱体，如图3-12（b）、（c）所示，这种桩孔利用水下打桩，可以开挖掘出很深的桩孔，这种结构虽然简单，但耗材大，采用中空圆柱体可以节省耗材。
2.海上风力发电机组的基础
与陆上的风力发电机组相比，海上风力发电机组最大的差异是基础的不同。海上风力发电机组的基础远比陆上风力发电机组的基础复杂，成本也高得多。并且对整个风力发电机组的力学性能影响更大。海上风力发电机组的基础结构常见的主要有以下四种：分别是单桩式[见图3-13（a）]、重力式[见图3-13（b）]、夹套式[见图3-13（c）]、三角架式[见图3-13（d）]。最为常用的当属前两种。
图3-11 陆上风电厚板块基础施工
图3-12 多桩与单桩基础
（a）桩基群与桩帽基础；（b）实体单桩基础；（c）中空单桩基础
三、风轮
风力机的核心部件是风轮，风轮由叶片和轮载组成。此外还有相关的控制机构。
（一）叶片的构造
叶片是具有空气动力形状，接受风能使风轮绕其轴转动的主要构件。制造叶片的材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、木材、钢和铝等。
目前世界上绝大多数叶片都采用复合材料，复合材料以玻璃纤维或碳纤维作为增强材料，树脂为基体。这种材料的优点是比重较小、强度较高、易成型性好、耐腐蚀性强、维护少、易修补，CFRP材料强度高、重量轻，但价格昂贵，只有在长度40m以上的叶片中采用，40m以下的叶片使用很少。
图3-13 四种常见海上风电机组基础结构
（a）单桩式；（b）重力式；（c）夹套式；（d）三角架式
木材在大型风力发电机组中使用的范围也在扩大，主要用于叶片结构内部的夹心材料。木材比重小，成本低，阻尼特性优良；其缺点是易受潮，加工成本高。
钢材主要用于叶片内部结构的连接件，很少用于叶片的主体结构。这是因为钢材比重大、疲劳强度低。
风轮叶片的结构主要为梁、壳结构，具体形式很多，图3-14所示是几种典型风轮叶片结构形式。
（二）定桨距叶片叶柄结构
叶柄是风轮中连接叶片和轮载的构件。定桨距机组的叶片（见图3-15）常采用螺栓与轮毂连接，有以下两种形式：
（1）螺纹件预埋式。在叶片成型过程中，直接将经过表面处理的螺纹件预埋在壳体中，如图3-16所示。
（2）钻孔组装式。叶片成型后，用专用钻床和工装在叶柄部位钻孔，将螺纹件装入，如图3-17所示。
至于变桨距叶片和轮毂连接形式，将在后文详述。
（三）叶片数
目前，水平轴风力发电机组的风轮叶片一般是2片或3片，其中3片居多。两叶片风轮制造成本较低，风轮叶片数对风力机性能有影响。当风轮叶片几何外形相同时，两叶片风轮和三叶片风轮的最大风能利用系数基本相同；但是两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比较高，如图3-18所示。
图3-14 风轮叶片的结构
（a）木材、环氧全壳结构；（b）前半壳用木材；（c）前部蒙皮并连接剪切腹板的玻璃纤维结构；（d）在芯轴上以横向丝带缠绕的盒形梁玻璃纤维结构
图3-15 定桨距叶片
风轮叶片数对风力机载荷也有影响，当风轮直径和风轮旋转速度相同时，对刚性轮毂来说，作用在两叶片风轮的脉动载荷要大于三叶片风轮。因此，两叶片风轮通常采用翘板式轮毂，以降低叶片根部的挥舞弯曲力矩。另外，实际运行时，两叶片风轮的旋转速度要大于三叶片风轮，因此，在相同风轮直径时，由脉动载荷引起的风轮轴向力变化要大一些，为了控制风轮叶片空气动力噪声，通常要将风轮叶片的叶尖速度限制在65m/s以下。由于两叶片风轮的旋转速度大于三叶片风轮，因此，对噪声控制不利。
图3-16 螺纹件预埋式叶柄
图3-17 钻孔组装式叶柄
图3-18 两叶片和三叶片风力机Cp曲线比较
从景观来考虑，三叶片风轮更容易为大众接受，除了外形整体对称特性外，还与三叶片风轮旋转速度较低有关。
（四）轮毂
轮毂是将叶片和叶片组固定到转轴上的装置，它将风轮的力和力矩传递到主传动机构中去。轮毂有固定式和铰链式两种。
1.固定式轮毂
固定式轮毂的制造成本低、维护少、没有磨损。三叶片风轮大部分采用固定式轮毂。常见固定式轮毂的结构如图3-19所示。它是铸造结构或焊接结构，铸造材料是铸钢或球墨铸铁。
图3-19 固定式轮毂
（a）球形；（b）三圆柱形
2.铰链式轮毂
铰链式轮毂常用于单叶片和两叶片风轮，图3-20（a）所示为叶片之间相对固定的铰链式轮毂。铰链轴线通过叶轮的质心。这种铰链使两叶片之间固定连接，它们的轴向相对位置不变，但可绕铰链轴沿风轮俯仰方向（挥向）相对中间位置作±（5°～10°）的摆动（类似跷跷板）。当来流速度在叶轮扫掠面上下有差别或阵风出现时，叶片上的载荷使得叶片离开中间位置，若位于上部的叶片向前，则下方的叶片将要向后。叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。具有这种铰链式轮毂的风轮具有阻尼器的作用。当来流速度变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一片叶片因安装角的变化升力下降，而另一片升力提高，从而产生反抗风况变化的阻尼作用。
图3-20 铰链式轮毂
（a）挥向；（b）挥向与摆向
另一类铰链式轮毂为各叶片自由的铰链式轮毂。每个叶片互不依赖，在外力作用下叶片可单独作调整运动。这种调整不但可做成仅具有挥向锥角改变的形式，还可做成挥向、摆向（在风轮旋转平面内）角度均可以变化的形式，如图3-20（b）所示。
由于铰链式轮毂具有活动部件，相对于固定式轮毂来说，制造成本高，可靠性相对较低，维护费用高。它与刚性轮毂相比，所能承受的力和力矩较小。
四、机械传动系统
风力发电机组的机械传动系统包括轮毂、主铀、齿轮箱、制动器、联轴器以及安全装置等。
轮毂承载着叶片并与主轴相接，通过主轴将风轮叶片产生的转矩传递给齿轮箱。
主轴与齿轮箱的连接大多采用胀紧套式联轴器，其内、外锥套轴向相对位移使内锥套收缩，这样既可保证主轴与齿轮箱输入轴配合面的过盈，平稳传递转矩，还可以在负荷超出极限值时让主从动件在配合面打滑，对整个轴系起过载保护作用。
通常主轴支撑在两个轴承上，靠近轮毂的轴承承受来自风轮大部分的载荷，设计为固定端，而另一轴承则设计成浮动端，轴向可以伸缩。主轴法兰上设置有锁紧盘，供机组运输、吊装和检修时紧固轴系使用。
齿轮箱上两侧扭力臂通过弹性套或弹性垫与机架相连，仅作为辅助支撑。
有的风力发电机组将主轴箱与齿轮箱合二为一，主轴和齿轮箱输入轴为一体结构以节省有限的空间。
齿轮箱的功用是传递扭矩和提高转速，通过两到三级渐开线圆柱齿轮增速传动得以实现，一般常采用行星齿轮或行星加平行轴齿轮组合传动结构。齿轮箱输出轴（高速轴），通过柔性联轴器与发电机轴连接。在齿轮箱的高速轴上安装有制动盘，根据机组运行的需要，紧固在齿轮箱体上的液压制动器通过卡钳对制动盘进行制动，使机组减速或停止。联轴器通过绝缘构件阻止发电机磁化齿轮箱内的齿轮和轴承等钢制零件，避免这些零件发生电腐蚀现象。联轴器上还设置有扭矩限制装置用以保护传动轴系，防止过载运行。
图3-21是一级行星二级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱结构。齿轮箱左端输入轴（行星架）可通过胀紧套与机组主轴连接，动力经行星架上的三个行星轮传到中心太阳轮，再经两级平行轴齿轮传至右端的输出轴，升速至发电机的额定同步转速，即可通过柔性联轴器驱动发电机发电。
五、偏航系统
（一）偏航系统的功能
由于风向经常改变，如果风轮扫掠面和风向不垂直，不但输出功率减少，而且承受的载荷更加恶劣。偏航系统的功能就是跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。也有的风力发电机组利用偏航进行功率调节。
机舱在反复调整方向的过程中，有可能发生沿着同一方向累计转了许多圈，造成机舱与塔底之间的电缆扭绞，因此偏航系统应具备解缆功能。偏航轴承分为滑动型和滚动型，无论何种形式都应设置偏航运动的阻尼，以使机舱平稳转动。
图3-21 一级行星二级平行轴圆柱齿轮传动齿轮箱结构
（二）偏航系统的组成和工作原理
偏航系统是一个自动控制系统，其组成和工作原理如图3-22所示。由图可见，偏航系统由控制器、功率放大器、执行机构、偏航计数器等部分组成。
图3-22 偏航系统组成及原理图
偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数的装置，当偏航系统旋转圈数达到规定的初级解缆和终极解缆圈数时，计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆。计数器一般是一个带控制开关的蜗轮蜗杆装置。
风力发电机组无论处于运行状态还是待机状态均能主动对风。在风轮前部或机舱一侧，装有风向仪，当风力发电机组的航向（风轮主轴的方向）与风向仪指向偏离时，计算机开始计时。当时间达到一定值时，即认为风向已改变，计算机发出向左或向右调向的指令，直到偏差消除。
当机舱在待机状态已调向720°（根据设定），或在运行状态已调向1080°时，由机舱引入塔架的发电机电缆将处于缠绕状态，这时控制器会报告故障，风力发电机组将关机，并自动进行解缆处理（偏航系统按缠绕的反方向调向720°或1080°），解缆结束后，故障信号消除，控制器自动复位。
偏航系统还设有扭缆保护装置，它是出于失效保护的目的而安装在偏航系统中的。它的作用是在偏航系统的偏航动作失效后，电缆的扭绞达到威胁机组安全运行的程度而触发该装置，使机组进行紧急关机。一般情况下，这个装置是独立于控制系统的，一旦这个装置被触发，则机组必须进行紧急关机。扭缆保护装置一般由控制开关和触点机构组成，控制开关安装在机组的塔架内壁的支架上，触点机构一般安装在机组悬垂部分的电缆上。当机组悬垂部分的电缆扭绞到一定程度后，触点机构被提升或被松开而触发控制开关。
（三）执行机构
偏航系统的执行机构一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航液压回路等部分组成。
偏航轴承与齿圈是一体的，根据齿圈位置不同，可以分为外齿形式和内齿形式两种，分别如图3-23（a）、（b）所示。
图3-23（c）所示为外齿形式偏航系统执行机构的安装图。风力发电机组的机舱与偏航轴承内圈用螺栓紧固相连，而偏航轴承的外齿圈与风力发电机组塔架固接。调向是通过两组或多组偏航驱动机构完成的。在机舱底板上装有盘式制动装置，以塔架顶部法兰为制动盘。
图3-23 偏航系统的执行机构
（a）外齿形式；（b）内齿形式；（c）安装图
1.偏航轴承
偏航轴承的内、外圈分别与机组的塔体和机舱用螺栓连接。轮齿可采用内齿或外齿形式。外齿形式是轮齿位于偏航轴承的外圈上，加工相对来说比较简单；内齿形式是轮齿位于偏航轴承的内圈上，啮合受力效果较好，结构紧凑。偏航轴承和齿圈的结构如图3-24所示。
图3-24 偏航轴承和齿圈的结构
（a）外齿形式；（b）内齿形式图
2.偏航驱动
偏航驱动用在对风、解缆时，驱动机舱相对于塔筒旋转，一般为驱动电机或液压驱动单元，安置在机舱中，通过减速机驱动输出轴上的小齿轮，小齿轮与固定在塔筒上的大齿圈啮合，驱动机舱偏航，啮合轮齿可以在塔筒外，也可在塔筒内。为了节省空间，方便塔筒与机舱间人行通道，一般采取塔筒外的安置方式。图3-25为驱动电动机组成的偏航驱动装置。
图3-25 偏航驱动装置
图3-26 偏航制动装置
3.偏航制动
偏航制动的功能是使偏航停止，同时可以设置偏航运动的阻尼力矩，以使机舱平稳转动。偏航制动装置由制动盘和偏航制动器组成。制动盘固定在塔架上，偏航制动器固定在机舱座上（见图3-26）。
偏航制动器一般采用液压力驱动的钳盘式制动器，其外形如图3-27所示。由于在偏航运动和偏航制动过程中，总有液压力存在，属于主动制动。所以，在偏航制动器中一般不设置弹簧，这是偏航制动器和主传动制动器的区别所在。
制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的稳定。
（四）偏航系统的控制
1.偏航控制的硬件
图3-27 偏航制动器
偏航系统的控制是由控制器来实现的。图3-28所示为偏航控制器工作原理及其输入信号与输出信号。风轮偏角信号经放大和模数转换后，进入到CPU进行处理，把得到的处理结果经过数模转换后输出。再经过功率放大驱动执行机构。如果要进行人工操作，可以通过人机交互平台。CPU还可以与主控制器进行信号交换。
2.偏航控制的软件
偏航控制系统由于采用计算机控制，因此必须依赖控制软件。控制软件保证各种功能的实现，偏航控制主要包括风向标控制的自动偏航、90°侧风、自动解缆、顶部机舱控制偏航、面板控制偏航和远程控制偏航等功能。其控制工作流程如图3-29所示。
图3-28 偏航控制器工作原理
图3-29 偏航系统工作流程
风向瞬时波动频繁，但幅度不大，通常设置一定的允许偏差，如±15°，如果在此容差范围内，就可以认为是对风状态，风轮将保持既定方向。偏航控制主要实现如下功能：
（1）自动偏航功能。当偏航系统收到中心控制器发出的需要自动偏航的信号后，连续3min时间内检测风向情况，若风向确定，同时机舱不处于对风位置，松开偏航制动，启动偏航电动机运转，开始偏航对风程序，同时偏航计数器开始工作，根据机舱所要偏转的角度，使风轮轴线方向与风向基本一致。
（2）手动偏航功能。手动偏航控制包括顶部机舱控制、面板控制和远程控制偏航3种方式。
（3）自动解缆功能。自动解缆功能是偏航控制器通过检测偏航角度、偏航时间及偏航传感器，使发生扭转的电缆自动解开的控制过程。当偏航控制器检测到扭缆达到2.5～3.5圈（可设置）时，若风力发电机组在暂停或启动状态，则进行解缆；若正在运行，则中心控制器将不允许解缆，偏航系统继续进行正常偏航对风跟踪。当偏航控制器检测到扭缆达到保护极限3～4圈时，偏航控制器请求中心控制器正常停机，此时中心控制器允许偏航系统强制进行解缆操作。在解缆完成后，偏航系统便发出解缆完成信号。
（4）90°侧风功能。风力发电机组的90°侧风功能是在风轮过速或遭遇切出风速以上的大风时，控制系统为了保证风力发电机组的安全，控制系统对机舱进行90°侧风偏航处理。
由于90°侧风是在外界环境对风力发电机组有较大影响的情况下，为了保证机组的安全所实施的措施；所以在90°侧风时，应当使机舱走最短路径，且屏蔽自动偏航指令。在侧风结束后，应当抱紧偏航制动盘，同时当风向变化时，继续追踪风向的变化，确保风力发电机组的安全。其控制过程和自动偏航类似。
3.偏航传感器
图3-30 解绕传感器
（1）解绕传感器。解绕传感器用来限制风力发电机组电缆扭转的次数。它的齿轮与偏航轮啮合，当机舱和塔架相对转动时，可以将转动角度记录下来。解绕传感器是安全链的一部分，其安装如图3-30所示。
（2）偏航方向传感器。偏航方向传感器是两个并排安放的接近开关，安装方式如图3-31所示。
图3-31 安装方式
（a）水平视图；（b）垂直视图
六、变桨距系统
变桨距就是使叶片绕其安装轴旋转，改变叶片的桨距角，从而改变风力机的气动特性。
变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，启动与制动性能好，风能利用系数高，在额定功率点以上输出功率平稳。所以，大型风力发电机组多采用变桨距形式。
下面介绍3种类型变桨距系统，即液压变桨距系统、电动变桨距系统和电—液结合的变桨距系统，前两种将作重点介绍。
（一）液压变桨距系统
1.液压变桨距系统的组成
液压变桨距系统以液压伺服阀作为功率放大环节，以液体压力驱动执行机构，其组成如图3-32所示。从图可见，液压变桨距系统是一个自动控制系统。由桨距控制器、数模转换器、模数转换器、液压控制单元、执行机构、位移传感器等组成。
图3-32 液压变桨距系统的组成
桨距控制器是一个非线性比例控制器，一般由软件实现。液压控制单元将在后文集中介绍，这里首先介绍执行机构的构成和作用原理。
在液压变距型机组中根据驱动形式的差异可分为叶片独立变距和统一变距两种类型。
2.叶片独立变桨距执行机构
叶片独立变桨距执行机构的三个液压缸布置在轮毂内，以曲柄滑块的运动方式分别给三个叶片提供变距驱动力（见图3-33）。因为变距过程彼此独立，一组变距出现故障后，机组仍然可以通过调整其余两组变距机构完成空气动力制动。因此这种设计可靠性较高，但是由于三组液压缸位于轮毂内部与液压泵之间，有相对转动，为此需要加装旋转接头。
独立变桨距有的是叶片桨距角同步变化的，也有的是叶片桨距角异步变化的。异步变化的独立变桨距系统有可能减小风力机叶片负载的波动和转矩的波动，进而减小传动机构的疲劳度以及塔架的振动。
图3-33 独立液压变桨距系统外形图
图3-34 2MW独立液压变桨距剖面图
图3-34为2MW机组独立液压变桨距剖面图。
3.统一变桨距执行机构
统一变桨距执行机构通过一个液压缸驱动三个叶片同步变桨距，液压缸放置在机舱里，活塞杆穿过主轴与轮毂内部的同步盘连接，如图3-35所示，变距机构的工作过程如下：控制系统根据当前风速，通过预先编制的算法给出电信号，该信号经液压系统进行功率放大，液压油驱动液压缸活塞运动，从而推动推杆、同步盘运动，同步盘通过短转轴、连杆、长转轴推动偏心盘转动，偏心盘带动叶片进行变距。
4.变距轴承
图3-35 统一液压变桨系统执行机构
轮毂和叶片需用变距轴承连接。对于液压动力型驱动曲柄滑块式变距的机组来说，一般采用4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内圈与风轮的叶片、偏心盘用螺栓连接，外圈与轮毂用螺栓连接。
（二）电动变桨距系统
1.总体结构
电动变桨距系统以伺服电机驱动齿轮系实现变距调节功能，可以使三个叶片独立实现变桨距。图3-36为电动变桨距系统的总体构成框图。主控制器与轮毂内的轴控制盒通过现场总线通信，达到控制三个独立变桨距装置的目的。主控制器根据风速、发电机功率和发电机转速等，把指令信号发送至电动变桨距控制系统；电动变桨距系统把实际值和运行状况反馈至主控制器。
图3-36 电动变桨距系统的总体构成框图
电动变桨距系统的三套蓄电池（每支叶片一套）、轴控制盒、伺服电动机和减速机均置于轮毂内，一个总电气开关盒置于轮毂和机舱连接处。
整个系统的通信总线和电缆靠集电环与机舱内的主控制器连接。集电环设在变速箱输入轴的出口端，其内部结构和外形如图3-37、图3-38所示。
图3-37 变距集电环内部结构
图3-38 变距集电环外形
2.单元组成
单个叶片变桨距装置一般包括控制器、伺服驱动器、伺服电动机、减速机、变距轴承、传感器、角度限位开关、蓄电池、变压器等。
伺服驱动器用于驱动伺服电动机，实现桨距角的精确控制。传感器可以是电动机编码器和叶片编码器，电动机编码器测量电动机的转速，叶片编码器测量当前的桨距角，与电动机编码器实现冗余控制。蓄电池是出于系统安全考虑的备用电源。
伺服电动机是功率放大环节，它与减速机和传动小齿轮连在一起，见图3-39（a）。减速机固定在轮毂上，变距轴承的内圈安装在叶片上，轴承的外圈固定在轮毂上。当变桨距系统通电后，电动机带动减速机的输出轴小齿轮旋转，而且小齿轮与变距轴承的内圈（带内齿）啮合，从而带动变距轴承的内圈与叶片一起旋转，实现了改变桨距角的目的，见图3-39（b）。减速器一般可采用行星减速器或蜗轮蜗杆与行星减速器串联；传动齿轮一般采用渐开线圆柱齿轮。
图3-39 电动变桨距传动系统
（a）减速机与小齿轮；（b）变距轴承内圈
变桨距系统常用的伺服电动机有异步电动机、无刷直流伺服电动机（见图3-40）和三相永磁同步电动机。三种伺服电动机的比较见表3-1。
对于电动机驱动齿轮式变距的机组来说，选用有内齿的4点接触球式转盘轴承，变距轴承的内外圈分别与风轮的叶片和轮毂用螺栓连接。变距轴承的内圈上带有轮齿（参见图3-39），还设有变距传感器。包括位置传感器和2个限位开关（0°和90°）。
表3-1 三种伺服电动机的比较
（三）电—液变桨距系统
电—液变桨距系统的特点是在电液伺服系统中使用交流伺服电机而不是电液伺服阀（或比例阀）。因此具有电动机控制灵活和液压出力大的双重优点。
此系统用交流伺服电动机驱动可双向转动的定量泵，定量泵直接驱动液压缸。通过改变电动机的旋转方向、速度和运行时间来控制液压缸的运动。
图3-40 无刷直流伺服电动机外形
以上第二种电机齿轮变桨应用较多。出于安全考虑，变桨机构中配置了备用电源——蓄电池，以防电网突然掉电或电信号突然中断的紧急情况，保证风电机组能够安全平稳地实现变桨。
七、液压和制动系统
液压系统的主要功能是向制动系统或液压、伺服变桨距控制系统的工作油缸提供压力油，由电动机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀组成。
制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部分。
定桨距机组风轮的叶尖扰流叶片旋转约90°或变桨距机组风轮处于顺桨位置均是利用空气阻力使风轮减速或停止，属于空气动力制动。
定桨距机组风轮叶尖制动装置使用油缸驱动，在机组控制器发送停机命令或供电系统出现故障时，油缸会立即动作，驱动叶尖制动装置，使机组停机。
变桨变速型风电机组的空气动力制动系统是通过叶片变桨制动。叶片变桨制动的原理是改变叶片桨距角（攻角），减少叶片升力，以达到降低叶片转速直至停机的目的。
在主轴或齿轮箱的输出轴（高速轴）上设置的盘式制动器，属于机械制动。高速轴机械制动是通过刹车片与刹车盘间摩擦力，实现停机。制动盘通过胀紧套式联轴器或过盈配合与齿轮箱高速轴连接，制动器安装在齿轮箱的箱体或机舱底座上。制动系统的刹车片一般带有温度传感器和磨损自动补偿装置，分别提供刹车过热和刹车片磨损保护。在正常停机状态，先启动叶片变桨制动，减速至一定转速后，机械制动动作，停机。在紧急停机状态下，叶片变桨制动和高速轴机械制动同时动作，确保风电机组在短时间内停机。
八、发电机及机组冷却系统
（一）发电机
感应发电机因其结构紧凑、价格便宜，且并网方法简单，并网运行稳定，调节维护方便，在传统的风电机组中得到广泛应用。
齿轮箱高速轴和发电机轴通过柔性联轴器连接，发电机通过4个橡胶减震器与机舱底盘连接，这种结构可以有效地降低发电机噪声。风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组大多数时间内在较低风速下运行。
发电机系统包括发电机、变流器、水循环装置（水泵、水箱）或空冷装置。
常见的发电机有异步发电机和同步发电机两种。
1.同步发电机
图3-41所示为同步发电机，其转子通过滑环应用直流电励磁，在定子绕组上生成交流电压。定子绕组上流动电流的频率生成电枢场，而流过直流电的转子绕组生成励磁场并按同步转速转动。转子的旋转方向和转速总是与旋转的定子场的转动同步，没有相对运动（即没有滑差）。
从动力学观点来看，同步发电机与固定频率的电网直接耦合是最为不利的，按技术可能性来考虑，这只是一种极端情形，只有当磁极转角很小的时候，机组才能用风轮平衡发电机的动力负载。在负载冲击很大时，例如阵风很大的情况下可能会出现严重过载的危险。而同步电机避振能力很弱，对较小负载峰值的反应也有产生振动的倾向，风轮输入功率的每个变化都会不受平衡地输送到电网上，对电网造成不良影响。
同步发电机的并网一般有两种方式：一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用；另一种是通过交—直—交变流并网。
2.异步发电机
图3-42是异步发电机示意图。异步发电机通过转子和旋转定子场之间的相对运动（滑差）产生感应电场，并通过这种方式在转子绕组中生成电压，与之相应的磁场在转子上产生作用力。异步发电机的转子可以设计为短路转子，或者配置附加滑环，设计成所谓的滑环转子。滑环转子可以通过外部控制方式来影响转子特性，以取得较高的滑差率，从而使转子转速在与固定频率的电网直接耦合时有较大的可调范围，改善风电机的并网特性。
图3-41 同步发电机示意图
nA—旋转定子场（电网频率）；nE—转子转速；M—驱动力矩；θ—磁极转角
图3-42 异步发电机示意图
nA—旋转定子场（电网频率）；
nE—转子转速；
M—驱动力矩
异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电。风速继续增加，发电机转速也略为升高，增加了输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，额定功率保持稳定不再增加。反之，当风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后应脱开电网。有的风力发电机组为了充分利用低风速时的风能，采用了可变极数的异步发电机，例如双速电机，从4极（额定转速1500r/min）变为6极（额定转速1000r/min），但是这种发电机仍然可以认为其转速基本上是恒定的。
普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网，无需同步调节装置，缺点是风轮转速固定后效率较低，而且在多变的风速作用下，负载处于不稳定状态。为了克服这些不足之处，相继开发出了高滑差异步发电机和变转速双馈异步发电机。双馈异步发电机借助于转子电路中的变频器在并入电网运行申，可以实现±40%的转速可变运行。
对于异步发电机的运转，重要的是为生成和保持磁场必须向转子提供励磁电流，该无功电流需求取决于电机的功率，在并入电网运行时从电网中获取。对功率较大的发电机则通过设置电容器来减小无功电流。多年来，经过努力，异步发电机能成功地直联电网。功率较小时，在同步转速范围内可以不进行励磁而直接联在电网上，无需采取更多的同步措施。
对于大型的异步发电机，不希望并网时产生冲击，所以设备中有一个软并网装置，在达到发电机的同步转数之后，首先由一个带相角控制的晶闸管调节器将其接通，几秒钟之后晶闸管调节器才通过电网接触器桥接。
为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风力发电机组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称为直驱式风力发电机组，其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化。风轮可以转换更多的风能。但是这种发电机结构复杂，外形尺寸庞大、制造工艺要求很高，需要全功率的变流装置才能与电网频率同步，经过转换又会损失部分能量。
（二）齿轮箱及发电机冷却系统
为保证齿轮箱和发电机在正常的工作条件下运行，防止发生过热，需要设置循环冷却装置。
发电机冷却水自发电机壳体水套，经水泵强制循环，通过热交换器和蓄水箱后，返回发电机壳体水套。所使用的冷却水是防冻液与蒸馏水按一定比例混合，调整冰点应满足当地最低气温的要求。
齿轮箱的油液自箱体底部油池，经油泵强制循环，通过过滤器、热交换器冷却后，返回齿轮箱。在齿轮箱油冷却系统中设有压力继电器，如果齿轮箱齿轮或轴承损坏，则产生的金属铁屑会在油循环过程中堵塞过滤器，当压力超过设定值时，压力继电器动作，油便从旁路直接返回油箱，同时，电控系统报警，提醒运行人员停机检查。
九、控制系统
控制系统利用微处理机、逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。
控制系统的主要任务就是自动控制风电机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。
控制系统包括控制和监测两部分。控制部分又设置了手动和自动两种模式，运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，而自动控制应在无人值守的条件下预先设置控制策略，保证机组正常安全运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询。现场数据可通过网络或通信系统送到风电场中央控制室的系统，还能传输到业主所在城市的总部办公室。
安全系统要保证机组在发生非常情况时立即停机，预防或减轻故障损失。例如定桨距风电机组的叶尖制动片在运行时利用液压系统的高压油保持与叶片外形组合成一个整体，同时保持机械制动器的制动钳处于松开状态，一旦发生液压系统失灵或电网停电，叶尖制动片和制动钳将在弹簧作用下立即使叶尖制动片旋转约90°，制动钳变为夹紧状态，风轮被制动停止旋转。
根据风电机组的结构和载荷状态、风况、变桨变速特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式。
（1）待机状态。风轮自由转动，机组不发电（风速为0～3m/s），刹车释放。
（2）发电状态。
1）发电状态Ⅰ：启动后，到额定风速前，刹车释放。
2）发电状态Ⅱ：额定风速到切出风速（风速12～25m/s），刹车释放。
（3）大风停机方式。
（4）故障停机方式，分为可自启动故障和不可自启动故障。停机方式为正常刹车程序，即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后，启动机械刹车。
（5）人工停机方式。这一方式下的刹车为正常刹车，即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后启动机械刹车。这一停机方式不能自启动，需要人工启动。
（6）紧急停机方式。紧急停机方式适用于安全保护系统，包括电网掉电、发电机超速、转子过速、机舱过振动、紧急按钮动作等。在这种状态下风电机组叶片顺桨和机械刹车同时动作，这种状态需要人工进行恢复。