風(fēng)電機(jī)組工作原理及結(jié)構(gòu)

文/王海剛 上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司 (200241)

王海剛 (1982年~)，男，山西省祁縣人，碩士。主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片氣動、結(jié)構(gòu)方面的研究。

隨著人類對風(fēng)能利用的重視，越來越多的國家在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究與應(yīng)用上投入了相當(dāng)大的人力及資金，充分利用空氣動力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)、自動控制及通信技術(shù)等方面的最新成果，開發(fā)建立了評估風(fēng)力資源的測量及計算機(jī)模擬系統(tǒng)，發(fā)展了變槳距控制及失速控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計理論，采用了新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料及葉片翼型，研制出了變極、變滑差、變速恒頻及低速永磁等新型發(fā)電機(jī)。

這里主要介紹水平軸、三葉片、變速變槳、雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的工作原理和主要結(jié)構(gòu)。

一、風(fēng)電機(jī)組的工作原理

圖1 風(fēng)電機(jī)組的工作原理

風(fēng)電機(jī)組的工作原理如圖1所示,當(dāng)非穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用于風(fēng)電機(jī)組時，將會在機(jī)組上產(chǎn)生不同的載荷作用。風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下，產(chǎn)生軸向推力和周向剪力，隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加，將產(chǎn)生扭矩和離心力，同時伴隨葉片重力的交變作用，使得整個風(fēng)輪形成了扭轉(zhuǎn)、傾覆和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。扭轉(zhuǎn)的主軸（低速軸）將會傳遞風(fēng)輪扭矩到齒輪箱的一級行星齒輪上，而一級行星齒輪將通過二級平行軸齒輪傳遞扭轉(zhuǎn)，使得低轉(zhuǎn)速大扭矩的載荷轉(zhuǎn)化為高轉(zhuǎn)速低扭矩的載荷，便于發(fā)電機(jī)的吸收；最后電機(jī)軸（高速軸）上的扭矩將通過切割電磁形成電能，完成了風(fēng)能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)化，其中伴隨能量的損耗。風(fēng)輪在主軸上作用的推力、傾覆力矩和偏轉(zhuǎn)力矩將由主軸軸承座傳遞載荷到主機(jī)架—塔架—基礎(chǔ)上，完成整個載荷的傳遞。當(dāng)機(jī)組迎風(fēng)方向與來流風(fēng)向不一致時，需要通過偏航系統(tǒng)進(jìn)行對風(fēng)操作，增大迎風(fēng)面積，提高機(jī)組利用率。

圖2所示為葉片工作時，葉片截面速度和力的分布圖，U為風(fēng)速，r為輪轂中心到截面的距離，即當(dāng)?shù)匕霃?，Ω為轉(zhuǎn)速，Ωr為圓周速度。根據(jù)速度三角形，風(fēng)速U和圓周速度Ωr合成相當(dāng)速度W。已知來流U、轉(zhuǎn)速Ω、當(dāng)?shù)匕霃絩、扭角β，可求來流角ψ和攻角α。同時已知攻角α，可根據(jù)翼型的特性參數(shù)，查出對應(yīng)攻角下的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，從而得出升力L和阻力D，此時將升力L和阻力D在旋轉(zhuǎn)方向和垂直于旋轉(zhuǎn)方向投影分別得出了推力和切向力，切向力驅(qū)動了葉片的旋轉(zhuǎn)。

圖2 葉片工作時，速度和力的分布

由于風(fēng)速為非定常來流，因此要求風(fēng)電機(jī)組在不同的風(fēng)速時有高的效率，即保證攻角α在特定的范圍內(nèi)，以保證足夠的升力。當(dāng)要求入流攻角α不變時，隨著風(fēng)速U的變化，扭角β為常數(shù)，必須要求圓周速度Ωr隨著發(fā)生變化，即轉(zhuǎn)速Ω也必須隨之變化，因此風(fēng)電機(jī)組的變轉(zhuǎn)速設(shè)計是提高葉片在低風(fēng)速區(qū)的風(fēng)能利用率。

當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時，必須控制風(fēng)電機(jī)組的功率。此時需要降低葉片的升力，此時額定轉(zhuǎn)速為恒定值，只有調(diào)節(jié)來流角ψ（當(dāng)?shù)嘏そ铅聻槌?shù)）來實現(xiàn)角度的變化，降低葉片升力。當(dāng)風(fēng)速有所減小時，又需提高葉片升力，通過改變?nèi)~片的角度來實現(xiàn)。可見風(fēng)電機(jī)組的額定功率控制是由葉片的變槳完成的。

二、風(fēng)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)

按照風(fēng)電機(jī)組載荷傳遞的過程和功能實現(xiàn)的分析，目前主流雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)械的主要部件包括：葉片、輪轂（變槳系統(tǒng)）、驅(qū)動鏈（主軸、主軸承、軸承座、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、高速軸制動）、前后機(jī)架（偏航系統(tǒng)、偏航制動系統(tǒng)）、冷卻系統(tǒng)、塔架等。如圖3所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

(1) 葉片

風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計既要滿足氣動特性的要求，又能符合結(jié)構(gòu)和所用材料的特征。在葉尖部分，為發(fā)電的主要區(qū)域，采用相對厚度小的翼型；在葉片根部，載荷起的作用較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度占主導(dǎo)地位，因此在葉根部采用相對厚度大的翼型。

目前葉片主要采用玻璃纖維增強(qiáng)材料制造，大致步驟如下：

① 制造生產(chǎn)葉片的外型模具；

② 按照生產(chǎn)工藝，布置玻璃纖維布、芯材和雷電保護(hù)裝置以及生產(chǎn)部分預(yù)制件；

③ 真空導(dǎo)入樹脂，固化后合?；蛘w灌注成型工藝成型，如圖4為葉片整體灌注成型（在模具內(nèi)）；

圖4 葉片成型前（模具內(nèi)）

圖5 葉片成型后（裝配中）

葉片主要組成：葉片主體、雷電保護(hù)系統(tǒng)、人孔蓋板組、葉根螺栓組、刻度牌等。

(2) 變槳系統(tǒng)

目前變槳系統(tǒng)主要分為兩種：一種是液壓驅(qū)動聯(lián)桿機(jī)構(gòu)，推動軸承，實現(xiàn)變槳，如圖6。一種是電機(jī)經(jīng)變槳齒輪減速驅(qū)動軸承，實現(xiàn)變槳，如圖7。

圖6 液壓變槳系統(tǒng)

圖7 電動變槳系統(tǒng)

電動變槳系統(tǒng)組成：葉片軸承、變槳驅(qū)動、變槳齒箱、蓄電池（或超級電容）、控制單元、變槳控制器、如圖8。變槳系統(tǒng)的作用：既能保證風(fēng)電機(jī)組槳距角的變化，實現(xiàn)功率控制的要求，同時又能完成保護(hù)機(jī)組安全順槳的氣動剎車功能。

圖8 電動變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(3) 輪轂

輪轂為球墨鑄鐵件，主要連接葉片和主軸。其作用是將葉片上的交變載荷傳遞到主軸上。此外，輪轂也為變槳系統(tǒng)，葉片軸承、導(dǎo)流罩、電氣部件等提供結(jié)構(gòu)布置。

(4) 主軸-主軸軸承-主軸承座

主軸主要傳遞風(fēng)輪上的旋轉(zhuǎn)力矩到齒輪箱，而主軸軸承和主軸采用過盈配合，并與主軸承座連接，將風(fēng)輪作用在主軸上的推力和彎矩，傳遞到前底架上。目前驅(qū)動鏈主要采用三點(diǎn)支撐（單主軸軸承，如圖9）和四點(diǎn)支撐（雙主軸軸承, 如圖10）的結(jié)構(gòu)形式。

三點(diǎn)支撐軸承，采用雙列球面滾子軸承，能承受徑向力和軸向力，并能承受部分來自風(fēng)輪的附加載荷。四點(diǎn)支撐軸承采用雙列向心推力滾子軸承, 目的在于減少由于風(fēng)作用于葉片而引起的軸向推力，以及消除風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時齒輪箱低速軸側(cè)的俯仰力矩，改善齒輪箱運(yùn)行環(huán)境。

圖9 三點(diǎn)支撐（單主軸軸承）

圖10 四點(diǎn)支撐（雙主軸軸承）

(5) 齒輪箱

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱基本采用行星輪結(jié)構(gòu)或行星輪加平行軸結(jié)構(gòu)。齒輪箱低速軸上的大扭矩載荷，通過一級行星齒輪兩級平行軸圓柱齒輪傳遞，到高速軸上轉(zhuǎn)化為高速低扭矩，提高便于發(fā)電機(jī)吸收的能量。齒輪箱的主要作用是實現(xiàn)了低速向高速的轉(zhuǎn)化。

齒輪箱箱體采用球鐵鑄造而成,如圖11、圖12。除扭矩外的其他載荷通過箱體兩側(cè)的支撐傳到底架，該支撐為強(qiáng)力橡膠結(jié)構(gòu)，可以降低風(fēng)電機(jī)組的噪聲和震動。 在齒輪箱后部的高速軸上安裝有制動盤，液壓制動器通過螺栓緊固在齒輪箱體上。齒輪箱主要組成：箱體、增速齒輪、過濾器、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。

圖11 齒輪箱（1）

圖12 齒輪箱（2）

(6) 發(fā)電機(jī)

目前風(fēng)電機(jī)組多采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，除了可以在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，也可以在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速情況下獲得風(fēng)能最大利用率，具備變轉(zhuǎn)速能力。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過直接轉(zhuǎn)矩控制和變流控制，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)。在超同步運(yùn)行模式下，轉(zhuǎn)子側(cè)四象限變流器可通過交-直-交方式將風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的功率并入電網(wǎng)。

異步發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)相比，定子結(jié)構(gòu)相同，不同的是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，容易并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、空冷裝置或水套冷裝置（電機(jī)、水泵、水箱等）組成,如圖13。

圖13 空冷式異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

(7) 偏航系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)的作用是讓風(fēng)電機(jī)組完成迎風(fēng)動作，使得風(fēng)輪所接收的風(fēng)能最大化。偏航系統(tǒng)組成：偏航軸承、偏航驅(qū)動（電動或液壓）、偏航齒箱、控制單元、制動系統(tǒng)，如圖14。偏航制動系統(tǒng)（液壓驅(qū)動）保證機(jī)組在偏航動作和無偏航動作時，制動給偏航系統(tǒng)一定的阻尼，以降低在機(jī)艙的振動，如圖15所示。

圖14 偏航系統(tǒng)

圖15 偏航制動

(8) 機(jī)械制動

風(fēng)電機(jī)組的制動系統(tǒng)包括氣動制動和高速軸機(jī)械制動，氣動剎車是通過改變?nèi)~片攻角，減小葉片升力，以達(dá)到降低葉片轉(zhuǎn)速直至停機(jī)；高速軸機(jī)械制動是通過制動片與制動盤間摩擦力，實現(xiàn)停機(jī)。機(jī)械制動是一種制動式減慢旋轉(zhuǎn)負(fù)載的裝置。在風(fēng)電機(jī)組中，為了減小制動轉(zhuǎn)矩，縮小制動器尺寸，通常機(jī)械制動裝在高速軸上，如圖16所示。高速軸液壓制動組成：制動盤、制動卡鉗、液壓驅(qū)動單元、控制單元等。

圖16 高速軸制動

在正常停機(jī)狀態(tài)，先啟動氣動制動，減速至一定轉(zhuǎn)速或時間后，機(jī)械制動動作，停機(jī)。緊急停機(jī)狀態(tài)下，氣動制動和機(jī)械制動同時動作，確保風(fēng)電機(jī)組在短時間內(nèi)停機(jī)。其中為了監(jiān)視機(jī)械制動機(jī)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)，制動卡鉗內(nèi)部裝有溫度傳感器和指示制動片厚度的傳感器。

(9) 冷卻系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)的主要功能是使機(jī)組部件在正常范圍內(nèi)工作，防止發(fā)生過熱，保護(hù)部件，其中主要需要冷卻的部件為齒輪箱和發(fā)電機(jī)。

風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)為強(qiáng)制風(fēng)冷和水套冷。由于發(fā)電機(jī)允許的工作溫度高于齒輪箱，因此可將發(fā)電機(jī)水套冷系統(tǒng)和齒輪箱冷卻系統(tǒng)合并，如圖17所示。冷卻水管道布置在定子繞組周圍，通過水泵與外部散熱器進(jìn)行循環(huán)熱交換。冷卻系統(tǒng)不僅直接帶走發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱量，同時通過熱交換器帶走齒輪潤滑油的熱量。

圖17 風(fēng)電機(jī)組的一種冷卻系統(tǒng)

(10) 塔架

塔架主要分為桁架型和圓筒型。其中圓筒型塔架在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中大量采用，其優(yōu)點(diǎn)是美觀大方，上下塔架安全可靠。以結(jié)構(gòu)材料可分為鋼結(jié)構(gòu)塔架和鋼筋混凝土塔架。塔架的主要功能是支承風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件，發(fā)電系統(tǒng)（重力載荷），承受風(fēng)輪的作用力和風(fēng)作用在塔架上的力（彎矩、推力及對塔架的扭力），塔架還必須具有足夠的疲勞強(qiáng)度，能承受風(fēng)輪引起的交變載荷。

三、小結(jié)

風(fēng)電機(jī)組的工作原理基本相似，但根據(jù)載荷分布和分布載荷情況的不同，導(dǎo)致了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)形式。例如驅(qū)動鏈的結(jié)構(gòu)形式除傳統(tǒng)型（雙饋）外，還有直驅(qū)型和半直驅(qū)型等。這些結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)基于對風(fēng)電機(jī)組工作原理、載荷傳遞、部件能力、工藝水平等綜合考慮的結(jié)果。