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风力发电机组的分类及各自特点
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风力发电机的分类及其特点
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发布时间： 17:05:01
作者：银河电气
　　风能是一种取之不尽、无任何污染的可再生能源，近年来，我国的风电发展迅速，风力发电机也在不断进行发展，本文主要说说风力发电机的分类及其特点。
一按风力发电机按叶片分类
　　按照风力发电机主轴的方向分类可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
01水平轴风力发电机
　　旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。水平轴风力发电机相对于垂直轴发电机的优点;叶片旋转空间大，转速高，适合于大型风力发电厂。水平轴风力发电机组的发展历史较长，已经完全达到工业化生产，结构简单，效率比垂直轴风力发电机组高。到目前为止，用于发电的风力发电机都为水平轴，还没有商业化的垂直轴的风力发电机组。
02垂直轴风力发电机
　　旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。垂直轴风力发电机相对于水平轴发电机的优点在于;发电效率高，对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力强(可抗12-14级台风)，启动风速小维修保养简单。
　　垂直轴与水平式的风力发电机对比，有两大优势：一、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区;二、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定;另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。
二按风力发电机的输出容量分类
　　可将风力发电机分为小型，中型，大型，兆瓦级 系列。
　　(1)小型风力发电机是指发电机容量为0.1~1kw的风力发电机。
　　(2)中型风力发电机是指发电机容量为1~100kw的风力发电机。
　　(3)大型风力发电机是指发电机容量为100~1000kw的风力发电机。
　　(4) 兆瓦级风力发电机是指发电机容量为1000以上的风力发电机。
三按风力发电机功率调节方式分类
　　可分为定桨距时速调节型，变桨距型，主动失速型和独立变桨型风力发电机。
01定桨距失速型风机
　　桨叶于轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时依靠叶片的失速特性保持输入功率基本恒定。
02变桨距调节
　　风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能;当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。
03主动失速调节
　　风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制;当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。
04独立变桨控制风力机
　　由于叶片尺寸较大，每个叶片有十几吨甚至几十吨，叶片运行在不同的位置，受力状况也是不同的故叶片中立对风轮力矩的影响也是不可忽略的。通过对三个叶片进行独立的控制，可以大大减小风力机叶片负载的波动及转矩的波动，进而减小传动机构与齿轮箱的疲劳度，减小塔架的震动，输出功率基本恒定在额定功率附近。
四按分离发电机的机械形式分类
　　可分为有齿轮箱的风力机，无齿轮的风力机和混合驱动型风力机。
01带齿轮箱的风力发电机
　　由于叶尖速度的限制，风轮旋转速度一般较慢。风轮直径在100m以上时，风轮转速在15r/min或更低。为了使发电机的体积变小，就必须是发电机输入转速更高，这时就必须使用变速箱体搞转速使得发动机输入转速在1500/min或者3000/min这样，发电机体积就可以设计的尽可能小。
02无齿轮箱发电机
　　将叶轮和发电机直接连接在一起结构的风力发电机成为无齿轮箱使风力发电机。这种发电机由于没有齿轮箱，所以结构简单，制造方便，维护方便故无齿轮箱的风力发电机将来有可能发展与海上风力发电机上使用。
03混合驱动型风力发电机
　　混合驱动型风力发电机采用一级齿轮进行传动，齿轮箱结构简单效率高。由于增加了点击转速点击尺寸和重量比一般的直趋机组的电机尺寸小，重量也比较轻。所以这种风力发电机具有直趋风力发电机的特点也有体积小，重量轻的有点，逐渐成为3GW以上的大型风机组设计开发的一种趋势。
五按风力发电机组的发电机类型分类
　　可分为异步型风力发电机和同步型风力发电机。
01异步发电机按其转子结构不同又可分为
　　(a) 笼型异步发电机――转子为笼型。
　　由于结构简单可靠、廉价、易于接入电网，而在小、中型机组中得到大量的使用;
　　(b) 绕线式双馈异步发电机――转子为线绕型。
　　定子与电网直接连接输送电能，同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率。
02同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为
　　(a) 电励磁同步发电机――转子为线绕凸极式磁极，由外接直流电流激磁来产生磁场。
　　(b) 永磁同步发电机――转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通常为低速多极式，不用外界激磁，简化了发电机结构，因而具有多种优势。
六按齿轮箱和发电机相对位置分类
　　齿轮箱和发电机相对位置可分为紧凑型和长轴布置型。
01紧凑型风力发电机
　　紧凑型风力发电机的风轮直接与齿轮箱低速轴相连，齿轮高速轴输出端通过弹性联轴节与发电机连接，发电机与齿轮箱外壳连接。这种结构齿轮箱使专门设计的，由于结构紧凑，可以节省材料和相对的费用。作用在风轮和发电机上的力都是通过齿轮箱外壳体传递到主框架上的。紧凑型风力发电机的结构主轴与发电机轴在同一平面内，在齿轮箱损坏是，需要将风轮，齿轮箱，发电机一块拆下来进行修理，比较麻烦。
02长轴布置型风力发电机
　　通过固定在机舱主框架的主轴，与齿轮箱低速轴连接。长轴布置型风力发电机的主轴是单独的，有单独的轴承支撑。这种结构的优点是风轮没有直接作用在齿轮箱的低速轴上，齿轮箱可以采用标准结构，减小齿轮箱低速轴收到的复杂力矩，降低了费用，减少了齿轮箱受损的可能性。
七按风力发电机的转速分类
　　按照发电机的转速及并网方式可以将发电机分为定速风机和变速风机。
01定速型风力发电机
　　定速风力机一般采用时速控制的桨叶控制方式，使用直接与电网相连的异步感应电动机，由于风能的随机性，驱动异步发电机的风力机低于额定运行的时间占全年运行时间的60%~70%。为了充分利用低风速的风能，增加发电量，广泛应用双速异步发电机，设计成4级和6级绕组。在低速运转时，双速异步发电机的效率比氮素异步发电机搞，滑差损耗小，当风力发电机组在低风速运行时，不仅桨叶具备有较高的启动效率，发电机效率也能保持在较高的水平。
02变速风力发电机
　　变速风力机一般配备变桨距功率调节方式。风力机必须有一套控制系统来调节，限制转速和功率。调速与功率调节装置的首要任务是使风力机在大风，运行发生故障和过载荷是得到保护：其次，使风电机组能够在启动时顺利切入运行，电能质量符合公共电网要求。
八按风力发电机塔架的不同分类
　　按照塔架的不同可分为塔筒式风力机和桁架式风力机
01塔架式风力发电机
　　国内及国外绝大多数风力发电机组采用塔筒式结构，这种结构的优点是刚性好，冬季人员登塔安全，连接部分的螺栓与桁架塔相比要少得多，维护工作两少，便于安装和调节。
02桁架式风力机
　　桁架式采用类似电力塔的结构形式。这种结构风阻小，便于运输。但组装 复杂，需要每年对他家的螺栓进行紧固，工作量很大，而且冬季爬塔架的条件恶劣。在我国，这种结构的机型更适合南方海岛使用，特别是阵风达，风向不稳定的风场，桁架塔更能吸收手机组运行时产生的扭矩和震动。
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官方公共微信风力发电机基础知识概述
发电机分为两个主要类型。同步发电机运行的频率与其所连电网的频率完全相同，同步发电机也被称为交流发电机。异步发电机运行时的频率比电网频率稍高，异步发电机常被称为感应发电机。
感应发电机与同步发电机都有一个不旋转的部件被称为定子，这两种电机的定子相似，两种电机的定子都与电网相连，而且都是由叠片铁芯上的三相绕组组成，通电后产生一个以恒定转速旋转的磁场。尽管两种电机有相似的定子，但它们的转子是完全不同的。同步电机中的转子有一个通直流电的绕组，称为励磁绕组，励磁绕组建立一个恒定的磁场锁定定子绕组建立的旋转磁场。因此，转子始终能以一个恒定的与定子磁场和电网频率同步的恒定转速上旋转。在某些设计中，转子磁场是由永磁机产生的，但这对大型发电机来说不常用。
感应电机的转子就不同例如，它是由一个两端都短接的鼠笼形绕组构成。转子与外界没有电的连接，转子电流由转子切割定子旋转磁场的相对运动而产生。如果转子速度完全等于定子转速磁场的速度（与同步发电机一样），这样就没有相对运动，也就没有转子感应电流。因此，感应发电机总的转速总是比定子旋转磁场速度稍高，其速度差叫滑差，在正常运行期间。它大概为1%。
同步发电机和异步发电机
将机械能转化为电能装置的发电机常用同步励磁发电机、永磁发电机和异步发电机。同步发电机应用非常广泛，在核电、水电、火电等常规电网中所使用的几乎都是同步发电机，在风力发电中同步发电机即可以独立供电又可以并网发电。然而同步发电机在并网时必须要有同期检测装置来比较发电机侧和系统侧的频率、电压、相位，对风力发电机进行调整，使发电机发出电能的频率与系统一致；操作自动电压调压器将发电机电压调整到与系统电压相一致；同时，微调风力机的转速从周期检测盘上监视，使发电机的电压与系统的电压相位相吻合，就在频率、电压、相位同时一臻的瞬间，合上断路器将风力发电机并入系统。同期装置可采用手动同期并网和自同期并网。但总体来说，由于同步发电机造价比较高，同时并网麻烦，故在并网风力发电机中很少采用。
控制监测系统
风力发电机的运行及保护需要一个全自动控制系统，它必须能控制自动启动，叶片桨距的机械调节装置（在变桨距风力机上）及在正常和非正常情况下停机。除了控制功能，系统也能用于监测以提供运行状态、风速、风向等信息。该系统是以计算机为基础，除了小的风力机，控制及监测还可以远程进行。控制系统具有及格主要功能：
1、顺序控制启动、停机以及报警和运行信号的监测
2、偏航系统的低速闭环控制
3、桨距装置(如果是变桨距风力机)快速闭环控制
4、与风电场控制器或远程计算机的通讯
风机传动系统
叶轮叶片产生的机械能有机舱里的传动系统传递给发电机，它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。齿轮箱用于增加叶轮转速，从20~50转/分到转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。
齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是较昂贵的一种，允许输入、输出轴共线，使结构更紧凑。传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。由于叶轮功率输出有波动，一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，这对大型的风力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。
异步发电机
永磁发电机是一种将普通同步发电机的转子改变成永磁结构的发电机，常用的永磁材料有铁氧体（BaFeO）、钐钴5(SmCo)等，永磁发电机一般用于小型风力发电机组中。
异步发电机是指异步电机处于发电的工作状态，从其激励方式有电网电源励磁发电（他励）和并联电容自励发电（自励）两种情况。
1、电网电源励磁发电：是将异步电机接到电网上，电机内的定子绕组产生以同步转速转动的旋转磁场，再用原动机拖动，使转子转速大于同步转速，电网提供的磁力矩的方向必定与转速方向相反，而机械力矩的方向则与转速方向相同，这时就将原动机的机械能转化为电能。在这种情况下，异步电机发出的有功功率向电网输送；同时又消耗电网的无功功率作励磁作用，并供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率，因此异步发电机并网发电时，一般要求加无功补偿装置，通常用并列电容器补偿的方式。
2、并联电容器自励发电：并联电容器的连接方式分为星形和三角形两种。励磁电容的接入在发电机利用本身的剩磁发电的过程中，发电机周期性地向电容器充电；同时，电容器也周期性地通过异步电机的定子绕组放电。这种电容器与绕组组成的交替进行充放电的过程，不断地起到励磁的作用，从而使发电机正常发电。励磁电容分为主励磁电容和辅助励磁电容，主励磁电容是保证空载情况下建立电压所需要的电容，辅助电容则是为了保证接入负载后电压的恒定，防止电压崩溃而设的。
通过上述的分析，异步发电机的起动、并网很方便且便于自动控制、价格低、运行可靠、维修便利、运行效率也较高、因此在风力发电方面并网机组基本上都是采用异步发电机，而同步发电机则常用于独立运行方面。
偏航系统的设计
根据调向力矩的大小，可以进行齿轮传动部分的设计计算。当驱动回转体大齿轮的主动小齿轮的强度不能满足时，可选用两套偏航电机－－－行星齿轮减速器分置于风轮主轮的两侧对称布置，每个电机的容量为总容量的一半。齿轮传动计算可按开式齿轮传动计算，其主要的磨损形式是齿面磨损失效，如调向力矩较大，除按照弯曲强度计算之外，应计算齿面接触强度。
值得注意的是，大多数风机的发电机输出功率的同轴电缆在风力机偏航时一同旋转，为了防止偏航超出而引起的电缆旋转，应该设置解缆装置，并增加扭缆传感器以监视电缆的扭转状态。位于下风向布重的风轮，能够自动找正风向。在总体布置时应考虑塔架前面的重量略重一些，这样在风机运行时平衡就会好一些。
风机工作状态之间转变
说明各种工作状态之间是如何实现转换的。
提高工作状态层次只能一层一层地上升，而要降低工作状态层次可以是一层或多层。这种工作状态之间转变方法是基本的控制策略，它主要出发点是确保机组的安全运行。如果风力发电机组的工作状态要往更高层次转化，必须一层一层往上升，用这种过程确定系统的每个故障是否被检测。当系统在状态转变过程中检测到故障，则自动进入停机状态。
当系统在运行状态中检测到故障，并且这种故障是致命的，那么工作状态不得不从运行直接到紧停，这可以立即实现而不需要通过暂停和停止。&&&&
下面我们进一步说明当工作状态转换时，系统是如何动作的。
1．工作状态层次上升
紧停→停机
如果停机状态的条件满足，则：
1)关闭紧停电路；
2)建立液压工作压力；
3)松开机械刹车。
停机→暂停
如果暂停的条件满足，则，
1)起动偏航系统；
2)对变桨距风力发电机组，接通变桨距系统压力阀。
暂停→运行
如果运行的条件满足，则：
1)核对风力发电机组是否处于上风向；
2)叶尖阻尼板回收或变桨距系统投入工作；
3)根据所测转速，发电机是否可以切人电网。
2．工作状态层次下降
工作状态层次下降包括3种情况：
(1)紧急停机。紧急停机也包含了3种情况，即：停止→紧停；暂停→紧停；运行→紧停。其主要控制指令为：
1)打开紧停电路；
2)置所有输出信号于无效；
3)机械刹车作用；
4)逻辑电路复位。
(2)停机。停机操作包含了两种情况，即：暂停→停机；运行→停机。
暂停→停机
1)停止自动调向；
2)打开气动刹车或变桨距机构回油阀(使失压)。
运行→停机
1)变桨距系统停止自动调节；
2)打开气动刹车或变桨距机构回油阀(使失压)；
3)发电机脱网。
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