第四节 各种不同类型的风电机组

风力发电机组是风电场的主要生产设备。并网型风力发电机组主要有定桨距失速型、变桨距型、变桨变速型、直驱型、半直驱型等类型。

一、定桨距失速型风力发电机组

定桨距失速刮风力发电机组的叶片装上以后桨距不能变动，额定风速较高。这种风电机组的发电特性如图3-43中曲线3所示。

图3-43 风速频率曲线和定桨距失速型风力发电机组的功率输出曲线

1—风速频率曲线；2—理想曲线风能曲线；3—失速控制型

注：定桨距风机的发电量随着风速的提高越来越大，到14m左右达到最大，这时叶片显出失速特性，风速再增加，出力反而下降。

定桨距风电机组的优点有：①机械结构简单，易于制造；②控制原理简单，运行可靠性高。缺点有：①额定风速高，风轮转换效率低；②转速恒定，机电转换效率低；③对电网影响大；④常发生过发电现象，加速机组的疲劳损坏；⑤叶片结构复杂，较难制造，不适用于功率更大的风电机组。

二、变桨距型风力发电机组

风力发电机组变桨距技术主要解决了风能转换效率低的问题。变桨距技术就是将叶片做成可变桨距的，以使三个叶片随着风速的变化而同步变距，始终保持最佳角度，提高风轮转换效率。图3-44比较了定桨距失速型和变桨距型风电机组的功率曲线。

变桨距风电机组的优点有：①提高了风能转换效率，更充分利用风能；②不会发生过发电现象；③叶片相对简单，重量轻，利于造大型风电机组。缺点有：①调桨距机构复杂，控制系统也较复杂；②因机构复杂出现故障的可能性增加；③对电网的影响大。

三、变桨变速型风力发电机组

变速恒频技术解决机电转换效率低的问题。变速恒频技术就是将风力发电机组的转速做成可变的，并采用双馈式发电机，通过控制使发电机在任何转速下都始终工作在最佳状态，机电转换效率达到最高，输出功率最大，而频率不变。变速恒频风力发电机组的特性曲线如图3-45所示。

图3-44 定桨距失速型和变桨距型风力发电机组的功率曲线比较

1—失速控制型；2—变桨控制型；3—理想曲线

注：变桨距风机的性能曲线的额定风速向前提了一些，同时在达到额定功率以后功率曲线不再下降，有效地提高了风轮的转换效率。如果调试好，可以接近理想效果。

图3-45 变速恒频风力发电机组的特性曲线

1—失速控制型；2—变速恒频型；3—理想曲线

注：变速恒频技术将风力发电机的特性曲线的前沿向左移动，较大地提高了风机在低风速情况下的发电能力。

变速恒频风力发电机组的优点有：①机电转换效率高；②不会发生过发电现象；③对电网影响小。缺点有：①电机结构较为复杂；②风轮转速和电机控制较复杂，运行维护难度较大；③需增加一套电子变流设施。

变桨变速风力发电机是将变桨和变速恒频技术同时应用于风力发电机，使其风能转换效率和机电转换效率都同时得到提高的风力发电机。

变桨变速风力发电机的优点是：①发电效率高；②超出定桨距风电机组10%以上。缺点是：机械、电气、控制部分都比较复杂。其特性曲线如图3-46所示。

图3-46 变桨变速风力发电机的特性曲线

1—失速控制型；2—变桨变速型；3—理想曲线

注：变桨变速风力发电机的发电特性曲线比较接近于理想特性曲线。

四、直驱型风力发电机组

直驱型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。nerc-1200kW风机功率曲线如图3-47所示。

图3-47 nerc-1200kW风力发电机功率曲线

直驱型机组技术的优点是：①省去了齿轮箱，传动效率得到进一步提高；②造价也有可能降低；③免除了齿轮箱出现故障的情况。缺点是：①由于无齿轮箱，发电机转速较慢，因此发电机的级数较多，增加了发电机的制造难度；②电控系统复杂，运行维护难度较大。

五、半直驱型风力发电机组

半直驱型风力发电机组有较简单的低速齿轮箱，低速齿轮使风电机组的寿命和可靠性有了大幅度的提高。而且还可以减少直驱型风电机组发电机的极数，降低发电机的制造难度并减少发电机的体积和重量。