第一节 风力发电机组概述

风力发电机组（简称风电机组、机组）是将风的动能转换成电能的系统。目前，主要的风能利用领域是风力发电，特别是并网发电。

一、总体结构

图1-1所示为风力发电机组的组成。

从整体上看，风力发电机组可分为风力机、发电系统和控制系统3个部分。风力机将风的动能转换为旋转机械的动能；发电系统包括发电机和辅助设备，将旋转机械的动能转换为电能；控制系统包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件，对整机进行监控。

二、基本参数

风力发电机组的基本参数是风轮直径（或风轮扫掠面积）和额定功率。风轮直径决定机组能够在多大的范围内获取风中蕴含的能量。额定功率是在正常工作条件下，风力发电机组的设计要达到的最大连续输出电功率。

风轮直径应当根据不同的风况与额定功率匹配，以获得最大的年发电量和最低的发电成本，必要时配置较大直径风轮供低风速区选用，配置较小直径风轮供高风速区选用。

三、分类

大型风力发电机组的分类与其所采用的风力机和发电机的种类有关，从宏观上看，可以有如下分类。

1．按风力机的类型分

（1）按捕获风能多少分

1）小型：10kW以下，主要用于离网发电的场合，一般采用尾舵自动对风；

2）中型：10kW～1MW；

3）大型：大于1MW，主要用于并网发电的场合，目前陆地上常用2～3MW，海上最大达10MW。

（2）按驱动原理分

1）升力型：风轮旋转是由叶片所受的升力作用引起的；

2）阻力型：风轮旋转是由叶片对风的阻力作用引起的。旋转杯形风速计就是阻力型风力机的例子。由于阻力型风力机效率较低，很少用于大型机组。

（3）按风轮轴方向分

1）水平轴：水平轴机组是风轮轴基本上平行于风向的风力发电机组，如图1-2a所示。工作时，风轮的旋转平面与风向基本垂直。

水平轴机组随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分，如图1-3所示。风轮在塔架的前面迎风旋转，称为上风向机组；风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，则称为下风向机组。上风向机组必须有调向装置来保持风轮迎风。而下风向机组则能够自动对准风向，从而免去了调向装置。但对于下风向机组，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓“塔影效应”，影响风力机的出力，使性能有所降低。

2）垂直轴：垂直轴机组是风轮轴垂直于风向的风力发电机组，如图1-2b所示。其主要特点是可以接收来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构简化。垂直轴风力发电机组的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上。由于垂直轴风力发电机组需要大量材料，占地面积大，起动性能较差，目前商用大型风力发电机组采用较少。

（4）按额定功率调节方式分

1）定桨距：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变。当风速超过额定风速时，利用叶片本身的空气动力特性减小旋转力矩维持输出功率相对稳定。

2）变桨距：叶片通过迴转轴承安装在轮毂上，通过叶片安装角度的变化，改变获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。

3）主动失速：这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。当机组达到额定功率后，通过叶片安装角度的反向变化，利用叶片本身的空气动力特性减小旋转力矩，从而限制风能的捕获。

2．按发电机的类型分

（1）按转速分

1）高速型：风力发电机组应用高速发电机，由于风轮的转速较低，通常达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱的增速作用来实现。

2）低速（直驱）型：风力发电机组应用多极同步发电机，让风力机直接拖动发电机转子运转在低速状态，可以去掉齿轮箱，提高了机组的可靠性。

3）中速（“半直驱”）型：这种风力发电机组的工作原理是以上两种形式的折中。减少了多极同步发电机的极数，同时也相应地设置了增速比较小的齿轮箱。

（2）按转速变化分

1）恒速：发电机在与电网频率相对应的恒定转速下工作，当齿轮箱增速比恒定时，风力机也在恒定不变的转速下运行，称为恒速恒频运行方式。

2）多态恒速：机组中包含两台或多台发电机（或应用双速、多速发电机），根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行，使风力机在两个或两个以上的速度下工作，从而提高效率。

3）变速：采用变速发电机，可以使风力机的转速随风速连续变化，从而更有效地捕获风能。目前，主流的大型风力发电机组都采用变速恒频运行方式。