风力发电系统的原理、组成和各部件功能

超全面风力发电系统介绍——CAMILLE BAUER工业仪表

风力发电原理

原理是风带动叶轮旋转，叶轮带动发电机旋转切割磁力线，将风能转换为机械能，机械能带动发电机转子旋转，最终产生电能。风力发电包含陆上和海上风电。

风力发电系统介绍——系统组成和各部件功能

•叶片

•变桨系统

•偏航系统

•制动器

•低速轴

•高速轴

•齿轮箱

•主控系统

•变流器

•发电机

•机舱

•风速计

•风向标

•风塔

•升压站

•变电站

Anemometer 风速计：

测量风速并将风速数据传输给控制器

Blades 叶片：

当风吹过它们时，提升和旋转，引起转子旋转。大多数风机都有两个或三个叶片。

Brake 制动器：

在紧急情况下以机械，电气或液压方式停止转子。

Controller 控制器：

以大约8到16英里/小时(mph)的风速启动机器，并以大约55 mph的速度关闭机器。涡轮机不能以高于每小时55英里的风速运转，因为它们可能会被强风损坏。

Gear box 齿轮箱 :

将低速轴连接到高速轴，并将转速从每分钟约30-60转(rpm)增加到约1,000-1,800 rpm; 这是大多数发电机发电所需的转速。齿轮箱是风力涡轮机中昂贵(又沉重)的一部分，工程师正在研究以较低转速运行且不需要齿轮箱的“直接驱动”发电机。

Generator 发电机：

产生周期的交流电，它通常是现成的感应发电机。主流发电机类型包括鼠笼式异步感应发电机，双馈式异步感应发电机，直驱永磁同步感应发电机。

High-speed shaft 高速轴：

驱动发电机

Low-speed shaft 低速轴：

以30-60 rpm的速度旋转低速轴。

Nacelle 机舱：

坐在塔顶上，并包含齿轮箱，低速和高速轴，发电机，控制器和制动器。一些机舱足够大，足以让直升机降落。

Pitch system 叶片变桨系统：

变桨系统是闭环驱动系统。涡轮主控制器根据一组条件(例如风速，发电机速度和发电量)计算所需的俯仰角。所需的俯仰角作为设定值传输到变桨系统。

Rotor 旋转体：

叶片和轮毂共同形成旋转体。

Tower 风塔：

由管状钢，混凝土或钢格制成。支撑涡轮的结构。

由于风速随高度增加而增加，因此更高的塔使涡轮机能够捕获更多的能量并产生更多的电力。

Wind vane 风向标 :

测量风向并与偏航系统通信，以使涡轮相对于风正确定向。

Yaw System 偏航系统：

调整迎风涡轮机的方向，以使它们在风向改变时始终面对风。

Power Converter 变流器：

主要功能是在转子转速n变化时，通过变流器控制励磁的幅值、相位、频率等，使定子侧能向电网输入恒频电。包括功率模块、控制模块、并网模块。这里包含了逆变和整流的电力变换，进行上述电力变换的技术称为变流技术。

Transformer 升压站：

安装在风塔底座，升压站中的升压变压器功能是将风机电能传输给变电站，一般从发电机出口电压690v升至10KV或23KV或35KV

Substation 变电站：

风塔升压站，再次升压到110KV或220KV后进行并网电能分配。

风力发电系统介绍——重点部件介绍

l发电机

目前主流采用的发电机类型有鼠笼式异步发电机(SCIG)，双馈式异步发电机(DFIG)，直驱永磁同步发电机(PMSG).

SCIG, Squirrel Cage Induction Generator

DFIG, Doubly-Fed Induction Generator

PMSG, Permanent Magnet Synchronous Generator

•SCIG 定速异步发电机在风电中的工作图示

是指电动机的定子上为三相绕组，转子为笼式的导条。因为该导条形状与鼠笼相似，故称之为鼠笼式异步发电机。电动机在定子绕组加三相交流电后，会形成旋转磁场，其转子上的闭合的导条会因为切割定子磁场的磁力线而感应出电势和电流，而通电的导体在磁场中就会受到安培力，从而驱动转子运动。电动机转子就旋转起来了。这就是鼠笼式三相异步电动机的工作原理。

Soft starter 软启动器(基于SCR可控硅整流器)：

是定速的风机与电网连接期间使用的一种简单且便宜的电气组件。它的功能是通过在发电机中缓慢建立磁通量来减少浪涌电流，从而限制对电网并网时的冲击干扰。

By-pass 旁路开关：

通过软启动器完成稳定并网后，风机系统通过旁路开关合闸直接连接到电网。可以帮助在运行状态下的SCR散热。

Capacitor bank 电容柜：

无功补偿装置，并网后立即并入无功补偿装置，提供功率因数至0.95以上。

•DFIG 双馈异步发电机在风电中的工作图示

双馈式发电就是指感应电机的定子，转子同时能发出电能，双馈发电机其转子和定子都最终连于电网，转子和定子都参与励磁，其定子和转子都可以与电网有能量的交换。

工作原理：通过叶轮将风能转变为机械转矩，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。

双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱变速，带动以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时额定转速下，转子侧也能同时发出电流，已达到最大利用风能效果。

•PMSG 直驱永磁同步发电机在风电中的工作图示

永磁同步发电机是一种同步发电机，其中励磁场由永磁体而不是线圈提供。术语“同步”是指转子和磁场以相同的速度旋转的事实，磁场是通过安装在轴上的永磁机构产生的，并且电流会感应到固定电枢中。

永磁同步发电机取消了增速齿轮箱，发电机轴直接连接到风机轴上，随着风电机转速的变化，永磁风力发电机所发电力的频率也是不断变化的，所以还必须用一台全功率变流器，将这些电能改变为恒频恒压的交流电，才能并入电网，即变速恒频技术。

l变流器

p双馈式变流器

基本工作原理：

双馈发电机定子通过并网开关直接与电网连接，而转子通过双馈变流器(网侧变流器，机侧变流器)与电网连接。当风速变化导致发电机转速变化时，变流器通过控制转子的励磁电流频率来改变转子磁场的旋转，使发电机的输出电压，频率和电网保持一致。

系统构成：

配电柜实现变流器与电网，发电机定子的连接。内外部供电以及保护开关设置。

控制柜主要完成信号调理，控制信号产生，通讯以及与主控系统的信号交换。

功率柜实现转子转差功率和电网的交换与传输，对转子励磁电流进行控制，从而实现对定子电压，频率，有功和无功的控制。

l变流器

p全功率型变流器

基本工作原理：

发电机定子直接与变流器机侧相连接，而变流器的网侧与电网连接。发电机的全部功率都通过变流器传送至电网。变流器跟踪电网电压的频率和相位，使输出电流，频率和电网保持一致。

系统构成：

变流器包含若干个子变流器系统，每个子变流器系统包括一个机侧变换器和一个网侧变换器。

l偏航系统

与发电机组的控制系统相互配合，使叶片始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。

基本工作原理：

风向标作为传感器将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束.

l变桨系统

变桨系统是闭环驱动系统。风机主控制器根据一组条件(如风速，发电机转速和发电量等)计算所需的俯仰角。所需的俯仰角作为设定值传输到变桨系统，

调节叶片的桨距角。变桨控制系统与变速恒频技术相配合，最终提高了整个风力发电系统的发电效率和电能质量。