「原创」风力发电技术全面介绍版「鼠笼、双馈、半直驱、直驱」

风力发电机技术介绍（鼠笼、双馈、半直驱、直驱）

1、鼠笼风力发电机（高速）：异步发电机，从定子发出电能，需要配置增速齿轮箱，额定转速850-1640转/分钟，定子额定电压1140V，切入风速2.5-3m/s，额定风速9.5-11m/s，切出风速20-24m/s。缺点为加了齿轮箱传动效率低，齿轮箱维护难度大，齿轮箱及发电机转速高影响轴承和齿轮使用寿命。

2、双馈风力发电机（高速）：异步发电机，定子和转子同时发出电能，需要配置增速齿轮箱，额定转速1500-1800转/分钟，定子额定电压1140V，切入风速2.5-3m/s，额定风速9.5-11m/s，切出风速20-24m/s。缺点为加了齿轮箱传动效率低；低电压穿越能力较差；由于转子为绕线式，转子引出线、碳刷、滑环比较容易出故障；齿轮箱维护难度大，齿轮箱及发电机转速高影响轴承和齿轮使用寿命。

3、半直驱永磁同步风力发电机（中速）：永磁同步发电机，从定子发出电能，需要配置增速齿轮箱，额定转速198-378转/分钟，定子额定电压1380V，切入风速2.5-3m/s，额定风速9.5-11m/s，切出风速20-24m/s。折中的一个方案，具备双馈和直驱的优点，同时也具备双馈和直驱的缺点，加了齿轮箱传动效率低，齿轮箱维护难度大，一旦失磁发电机得直接更换。

4、永磁直驱风力发电机（低速）：永磁同步发电机，从定子发出电能，没有齿轮箱，额定转速3-25转/分钟，定子额定电压690V，切入风速2.5-3m/s，额定风速9.5-11m/s，切出风速20-24m/s。一旦失磁发电机得直接更换，发电机体积大吊装难道大，发电机结构复杂无法现场维修，叶轮和发电机直接相联对叶片和发电机冲击载荷大，发电机重量大对于轴承受力更大影响轴承使用寿命。

备注：直驱式风力发电机低转速原理，对于发电机或电动机，转速与频率和磁极对数有关，电源频率越高，磁极对数越少，其转速就越高。发电机转速计算公式（n=60f/p）：n（转速）=60（常数）*f（频率）÷p（发电机旋转磁场的极对数）。例如4极（2对）发电机转速计算方法：n=60*50÷2=1500转/分钟（理论转速，实际转速会略低于理论转速）。

主控系统（风机大脑机构）

主控系统是风力发电风机的三大控制系统之一，属于风机的大脑系统，主要功能为控制风机内部的所有元器件协调工作。主控系统分为塔基控制柜和机舱控制柜，相互之间通过现场总线进行通信。

1、机舱柜：实现对各种参数的监控，如风速、风向、塔筒震动频率、主轴转速、齿轮箱温度、发电机温度、润滑油温度、机舱内温度等监测。实现各种控制功能的实施指令，具控制机舱内的加热器进行加热、对齿轮箱进行润化、提供照明、在塔底柜和变桨系统中间建立一个通讯、为变桨系统提供电源。外形尺寸比常规低压柜小，参考尺寸大约为：宽度1000mm*深度400mm*高度1400mm。

2、塔底柜（塔基控制柜）：实现对电网的监控，包括电网电压、电网电流、电网频率、功率因数、三相均衡等监控。并可对过压与欠压、过流与欠流、过频与低频、功率因数偏离正常值、电压缺相等故障发出报警信号。通过带在柜体上的人机界面（一般是触摸屏）来实现对风机的各种控制，包括手工正常停机、手工紧急停机等。通过自身携带的通讯模块来实现与机舱柜、风场管理主机之间的通讯。外形尺寸比较接近常规低压柜尺寸，参考尺寸大约为：宽度1000mm*深度2000mm*高度1400mm。

风电偏航系统（控制风机左右摇头捕风装置）

偏航系统是风力发电风机的三大控制系统之一，主要功能为根据风向的变化及时左右调整机舱方向使风轮始终捕捉最佳风向，对准风向后还需及时锁紧机舱。为避免旋转过程中电缆由于扭曲而造成损害还需配置解缆安全开关。所以偏航系统主要分为4个功能：

1、控制功能：风机的机舱外部安装风速仪和风向标，经传感器传递到PLC控制器，当检测到风向偏离后控制器偏航电机动作。

2、转向功能：一般会配置2-4个偏航电机，偏航电机通过行星齿轮减速器对机舱进行转向。当对风完成后，电机停止工作。

3、锁紧功能：一般会配置大约5块制动器（刹车），风机偏差转向时候，液压系统释放压力松开刹车片，对准风向后液压制动系统推动刹车片锁紧机舱。

4、解缆功能：机舱转向会导致连接电缆扭转，风力发电采用专用抗扭转电缆能承受360度的扭转，加上电缆有一定的余量长度机舱可以旋转600-900度范围，可以根据实际情况对机舱旋转角度进行设置，电缆扭转达到设定值后机舱进行反转强制解缆。

变桨系统（风机叶片角度调节机构）

变桨系统是风力发电风机的三大控制系统之一，属于风机叶片角度调节机构，主要功能是通过对叶片桨距角的控制。变桨系统还是风力发电机组的主刹车系统（气动刹车），电动变桨系统可以使每个桨叶独立地调整角度。通常一个完整的交流或直流变桨系统主要包括3个变桨电机（包括刹车），3个变桨齿轮箱（实现叶片的角度调整的机构），变桨控制系统（根据风速和风向等参数计算叶片的最佳角度），备电源柜（用于在电网断电后为执行紧急供电）等。所有这些部件都装在轮毂内。

风机变桨控制方式有风机顺桨和收桨两种控制方式：风机顺桨控制是指风力发电机在工作时，通过调整桨叶的桨距角度，使风轮受到的风力在合理范围内，以调整风机的转速和电功率输出。而风机收桨控制是指在切断电网或停机时，通过调整桨叶的桨距角度，使桨叶呈现垂直于风轮的状态，以减小强风对发电机组的损害程度。同时，在风速过高时，也可以通过收桨控制，使风机减小转速，以防止安全事故的发生。

高风速变桨（顺桨）原理：当风速增加时，叶片迎风角度变大，发电机转速增加，输出功率增加。

低风速变桨（顺桨）原理：当风速降低时，叶片迎风角度变小，发电机转速降低，输出功率降低。

收桨停机原理：当风速超过20m/s（部分厂家25m/s），变桨机构自动收桨停机。风机收桨原理是是通过减小桨叶的桨距角度，使桨叶呈现垂直于风轮的状态，从而减小风能对发电机组的损害。

风机叶片失效时保护功能：变桨系统在一片叶片失效时，能将风电机组转速降低至安全速度。

电网掉电时保护功能：当给变桨系统的电网电压掉电时，后备电源直接给变桨控制系统供电，确保叶片顺桨到安全位置。

变流系统（频率及电能质量控制设备）

风力发电机变流器作用为保障输出恒定的频率及稳定的电能质量，双馈或永磁风机均需要配置变流器，变流器具有整流器和逆变器的功能，变流器原理为交-直-交（交流-直流-交流），整流及逆变通过IGBT来实现。风机发出来的电本来就是交流电，为什么要大费周章的交-直-交来回折腾呢，主要由于风机转速时快时慢电能质量没法保障，采用变流器目的是为了保障电能质量，变流器功能有：一次调频能力、电能质量控制能力、有功功率控制能力、向电网发送（或吸收）无功功率、电网电压及频率适应性能力、低电压穿越能力（LVRT）、高电压穿越能力（HVRT） 。变流器冷却方式一般采用水冷方式。

海上风电变压器和陆上风电箱变安装方案对比

1、陆上风电箱变主流安装方式：采用箱变结构，直接将箱变安装在风机外面附近的箱变平台上面，此方案需要加大平台的基础尺寸，另外还需要单独做箱变基础。如今随着设备技术更新，也有部分厂家陆上风电也将变压器直接安装机舱内部或者塔筒内部的方案。

2、海上风电变压器主流安装方式：将干式变压器及低压开关设备安装到风机的机舱里面或者塔筒内部，高压环网柜安装在塔筒下端内部。这种安装方式有很大的优势，第一节约低压电缆成本，可以节约大约1000多米的低压电缆（能节约几十万元电缆费用），海上风电升压变电压等级有35KV和66KV两种，变压器出线只要一根高压电缆即可。第二节约检修平台的建设费用，变压器安装机舱内，风机检修平台尺寸可以减小且不用做箱变基础。

3、变压站安装机舱内技术难点：考虑到风电机舱内部安全性和减少维护周期，一般推荐安全性高免维护的干式变压器，对于干式变压器安装机舱内部最大的技术难点为散热问题。现在最主流方案为采用水冷方式，风电机舱专业的变压器包含：封闭式壳体、干式变压器、内部冷却器、冷却水泵、外部冷却器、冷却管道等。

备注：由于未拍到风电干式变压器水冷结构原理图，以下用船用干式变压器水冷系统结构图作为参考。

5MW级风电机组主要技术参数

1、风机叶片

材质：环氧树脂叶片（玻璃钢）、聚氨酯叶片、碳纤维叶片，用的比较多的一般是玻璃钢叶片。

叶片数量：3片

节圆直径：3.2米

单片长度：91米

单片重量：25吨

2、风机轮毂（含变桨机构）

材质：球墨铸铁QT400（抗拉强度400Mpa）

外形尺寸：长5米*宽5米*高4米

重量：58吨

3、 机舱（含主机架）

主机架是塔筒和轮毂之间的连接件，主机架也是机舱的主要框架，用于固定齿轮箱、发电机等零部件，机舱由主机架和机舱罩等部件组成。

外形尺寸（长×宽×高）： 12米×5米×5米

重量：130吨

主机架材质：球墨铸铁QT400（抗拉强度400Mpa）

机舱罩材质：环氧树脂玻璃钢。

4、发电机（半直驱型参数）

尺寸：直径2.3米*高度1.5米

重量：10吨

轴承结构：TRB单列圆锥滚子轴承

冷却方式：强迫风冷式

5、主齿轮箱

级数：3级（采用三级行星传动结构）

速比：75

重量：33吨

尺寸：直径2.5米×长度2.7米

传动效率：97%以上

6、风机塔筒

塔筒为锥形结构，高度约100-110米左右，塔筒底部直径约5.5米，塔顶直径约4米。一般分为3段-5段，以5段式塔筒为例，每节平均高度20米以上，5段式塔筒的重量塔底段70吨以上，中间段50吨以上，顶部段40吨左右，锚栓锚板约18吨，内部附件约10吨，合计整个塔筒重量约300吨左右。

7、免爬器（塔内附件）

免爬器主要包括：升降机车体、导轨、驱动系统、刹车防坠系统、遥控系统、控制系统、工作钢丝绳、安全钢丝绳。

8、视频监控设备（塔内附件）

每台风机一般安装4个摄像头以上：机舱内部安装2个枪式摄像头，塔筒内部安装1个枪式摄像头，塔筒外面安装1台球式摄像头。