风力发电机组的分类及各自特点

风力发电机组的分类及各自特点

 

风力发电机组主要由两大部分组成：

风力机部分――它将风能转换为机械能；

发电机部分――它将机械能转换为电能。

根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征，再加上它们的不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。

(1)  如依风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为：

“水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置；

“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。

            

(2)  按照桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机”。

(3)  按照桨叶数量分类可分为“单叶片”﹑“双叶片”﹑“三叶片”和“多叶片”型风机；叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。

大型风力发电机可由1、2 或者3 片叶片构成。

叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。而如果叶片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。目前3 叶片风电机是主流。从美学角度上看，3 叶片的风电机看上去较为平衡和美观。

(4)  按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向（即在塔架的前面迎风旋转）和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。

上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。

而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。

(5)  按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。

有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。

而直驱型风机则另辟蹊径，配合采用了多项先进技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴，使风机发出的电能同样能并网输出。这样的设计简化了装置的结构，减少了故障几率，优点很多，现多用于大型机组上。

(6)  根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为：

“定桨距（失速型）机组”――桨叶与轮毂的连接是固定的。当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。由于定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠，在20 年来的风能开发利用中一直占据主导地位。

“变桨距机组”――叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0－90度）调节变化，其性能比定桨距型提高许多，但结构也趋于复杂，现多用于大型机组上。

(7)  按照叶轮转速是否恒定可分为：

“恒速风力发电机组”――设计简单可靠，造价低，维护量少，直接并网；缺点是：气动效率低，结构载荷高，给电网造成电网波动，从电网吸收无功功率。

“变速风力发电机组”――气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支撑结构轻。缺点是：功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。现常用于大容量的主力机型。

(8)  根据风力发电机组的发电机类型分类，可分为两大类：

“异步发电机型” “同步发电机型”

只要选用适当的变流装置，它们都可以用于变速运行风机。

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。

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。

(9)  如根据风机的输出端电压高低化分，一般可分为：

“高压风力发电机”――风力发电机输出端电压为10~20kV，甚至40kV，可省掉风机的升压变压器直接并网。它与直驱型，永磁体磁极结构一起组成的同步发电机总体方案，是目前风力发电机中一种很有发展前途的机型。

“低压风力发电机”――输出端电压为1kV 以下，目前市面上大多为此机型。

(10) 如根据风机的额定功率化分，一般可分为：

微型机：10 kW 以下

小型机：10 kW 至100 kW

中型机：100 kW 至1000 kW

大型机：1000 kW 以上（MW 级风机）

12. 直驱永磁同步风力发电机

永磁同步发电机由于结构简单、无需励磁绕组、效率高的特点而在中小型风

力发电机中应用广泛，随着高性能永磁材料制造工艺的提高，大容量的风力发电

系统也倾向于使用永磁同步发电机。永磁风力发电机通常用于变速恒频的风力发

电系统中，风力发电机转子由风力机直接拖动，所以转速很低。由于去掉了增速齿轮箱，增加了机组的可靠性和寿命；利用许多高性能的永磁磁钢组成磁极，不像电励磁同步电机那样需要结构复杂、体积庞大的励磁绕组，提高了气隙磁密和功率密度，在同功率等级下，减小了电机体积。

永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。

对于典型的外转子永磁同步发电机结构，外转子内圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，内定子嵌有三相绕组。外转子设计，使得能有更多的空间安置永磁磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。

由于转子直接暴露在外部，所以转子的冷却条件较好。外转子存在的问题是主要发热部件定子的冷却和大尺寸电机的运输问题。

内转子永磁同步发电机内部为带有永磁磁极、随风力机旋转的转子，外部为定子铁心。除具有通常永磁电机所具有的优点外，内转子永磁同步电机能够利用机座外的自然风条件，使定子铁心和绕组的冷却条件得到了有效改善，转子转动带来的气流对定子也有一定的冷却作用。另外，电机的外径如果大于4m，往往会给运输带来一些困难。很多风电场都是设计在偏远的地区，从电机出厂到安装地，很可能会经过一些桥梁和涵洞，如果电机外径太大，往往就不能顺利通过。内转子结构降低了电机的尺寸，往往给运输带来了方便。

内转子永磁同步发电机中，常见有四种形式的转子磁路，分别为径向式、切向式、和轴向式。相对其它转子磁路结构而言，径向磁化结构因为磁极直接面对气隙，具有小的漏磁系数，且其磁轭为一整块导磁体，工艺实现方便；而且径向磁化结构中，气隙磁感应强度接近永磁体的工作点磁感应强度，虽然没有切向结构那么大的气隙磁密，但也不会太低，所以径向结构具有明显的优越性，也是大型风力发电机设计中应用较多的转子磁路结构。