兆瓦风机原理及介绍

1、现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高 度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以 及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体 的复杂的机电能量转换系统。的复杂的机电能量转换系统。 风力机分类 一、旋转主轴方向（即主轴与地面相对位置） 水平轴风力机水平轴风力机 垂直轴风力机垂直轴风力机 二、桨叶受力方

2、式 升力型风力机升力型风力机 阻力型风力机阻力型风力机 三、风机接受风的方向 上风向上风向 下风向下风向 水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向 之分；风轮在塔架的前面迎风旋转, 叫做上风向风力机。风轮安装在 塔架的下风位置的, 则称为下风向风力机。上风向风力机必须有某种 调向装置来保持风轮迎风。而下风向风力机则能够自动对准风向, 从 而免除了调向装置。但对于下风向风力机, 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, 使性能有所降低。 四、叶片数量 单叶片单叶片 双叶片双叶片 三叶片三叶片 多叶片多叶片 风力机的分类 叶片

3、的数量由很多因素决定，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。 五、功率传递的机械连接方式 有齿轮箱型风机有齿轮箱型风机 直驱型风机直驱型风机 有齿轮箱风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万向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，可吸收矢 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

4、载。 而直驱型风机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。 六、按桨叶接收风能的功率调节方式 定桨距（失速型）机组定桨距（失速型）机组 变桨距机组变桨距机组 风力机的分类 定桨距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，该机组结构简单、性能可靠，在20年来的风能开发中一直占主 导地位；而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090度）调节变化，其性能相对提高很多，但结构也趋于复杂。 七、按照叶轮转速是否恒定 恒速风力发电机组恒速风力发电机组 变速风力发电机变速风

5、力发电机 组组 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。 而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。 常用于大容量机型。 八、按发电机类型 异步发电机型异步发电机型 同步发电机型同步发电机型 绕线式双馈异步发电机转子为绕线型。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。 变速恒频机理 从上式可知，当发电机转速变化时， 可通过调节转子励磁电流频率保持 定子输出电能频率恒定，这

6、是变速 恒频运行的原理。当发电机亚同步 运行时，转子绕组相序与定子相同； 当发电机超同步运行时，转子绕组 相序与定子相反；当发电机同步速 运行时，转子进行直流励磁。 图中分别为DIFG定、转子电流的 频率，为定子磁场的转速，即同步 转速，为转子磁场相对于转子的转 速，为DFIG转子的电转速。由电 机学的知识可知，DFIG 稳定运行 时，定、转子旋转磁场相对静止， 即 风电机组整体解决方案 风电机组叶片制造工艺 适于风电机组运行的环境条件 用于北方地区的低温型风机用于北方地区的低温型风机: : 待机环境温度范围:-40 +50 运行环境温度范围:-30 +40 (至海拔 1250 m) -30

7、+35 (海拔 1250 至 1500 m) 海拔高度: 10001500 m 地震风险:有 结冰风险:有 沙尘暴风险:有 平均湿度:70 % 用于南方地区的常温型风机用于南方地区的常温型风机: : 待机环境温度范围:-20 +50 运行环境温度范围:-10 +40 平均环境温度: 20C 平均湿度:82 % 兆瓦风机主要零部件说明 1叶片 2变桨系统 3轮毂 4发电机转子 5发电机定子 6偏航系统 7测风系统 8辅助提升机 9顶舱控制柜 10底座 11机舱罩 12塔架 风机塔筒 第三塔架 第二塔架 第一塔架 风机轮毂及变桨系统 风机传动链 传动链特点：传动链特点： 双轴承支撑的锻压主轴、三级

8、增速齿轮箱、双馈式异步发电机。 齿轮箱不承担转子重量和推力，只承担扭矩(齿轮箱悬挂在传动轴上) ，可 靠性大大提高。 发电机的独立壳体安装在主体结构上。 发电机壳体不承受转子负载。 转子负载不对齿轮箱产生冲击。 机舱布局宽敞，检修、维护方便。 风机主轴 材料材料:42CrMo4+QT (常温常温) 34CrNiMo6+QT (低温低温) 重量重量:8040 kg 风机齿轮箱 类型类型 三级齿轮箱三级齿轮箱(2级行星齿轮级行星齿轮 和和1级直齿轮级直齿轮) 额定功率时效率额定功率时效率 0.965 额定功率额定功率 (输入输入) 1663 kW 额定转矩额定转矩 (输入）输入） 912.5 kN

9、m 齿轮箱传动比齿轮箱传动比 100.74/100.48 风轮转速范围风轮转速范围(正常运行正常运行) 9.7 19.5 rpm 风轮额定转速风轮额定转速 17.4 rpm 极限载荷时的最大转速极限载荷时的最大转速 24.3 rpm (A1-DLC1.6c2-1) 主轴倾角主轴倾角 5 风轮旋转方向风轮旋转方向 (从主轴侧看从主轴侧看) 右右 高速轴制动器 风力发电机的主制动器是空气动力 制动器，机械制动器为第二制动系 统； NHCE-900盘式制动器为主动式、 自定位盘式制动器，也就是通过液 压油的压力来制动的。 高速轴制动器（高速轴制动器（antec） 高速轴联轴器 联轴器功能：联轴器功能

10、： 连接齿轮箱输出轴与发电机轴； 补偿两平行性偏差和角度误差； 转矩限制； 防止寄生电流通过联轴器从发电机 转子流向齿轮箱； 风机变频器 专为双馈式风力发电机设计的。功能：通过控制转子对发电机激磁， 在指定的范围内将发电机与电网同步，并网/脱网操作；产生所需要的 转矩/功率；产生所需要的无功功率。 Crowbar用来在电网出现异常情况时防止出现低电压，通过产生容性 无功功率来支撑电网运行。Crowbar可以根据电网电压对转子侧变流 器的影响开通或关断，保证传动单元在电网电压快速变化时能正常工 作。 变频器可以控制风力发电机组机的功率因数，从容性0.9 到 1.0 再到 感性0.9，可以根据用户

11、的要求在0.9范围内进行任意功率因数的设 定。 变频器主要组成有：并网开关、转子侧变流器、网侧变流器、LCL 滤 波器、du/dt 滤波器、传动单元主接触器和充电电路。 变频器的结构设计为IP54 的防水型空冷柜体。柜体结构中带有电气 加热控制部分，能够保证在很冷的环境下进行安全的启动程序。 安装地海拔高度 0 到4000 米，超过1000 米时需降容使用。海拔高度 在1000-2000 米之内，每升高100 米，降容1%。 发电机 原理 双馈异步发电机 额定功率 1550 kW 额定转矩 (发电机输入) 8.46 kNm 最大过载转矩 (由过载安全耦合限定) 13.49 kNm 速度范围 1

12、000 rpm -2016 rpm 最大机械转速 2450 rpm 当发电机与电网相连时，最大转速 2050 rpm 额定功率下发电机的效率 96.6 % 发电机 风机偏航系统 偏航系统的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相配 合，调节整个机舱的对风向位置，根据风速仪和风标仪的传感检测， 自动使风轮对准风向，以提高风力发电机组的发电效率；其二是提供 必要的紧锁力矩，以保证风力发电机组的安全运行。 偏航电机下面有一个小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮叫偏航轴承，由偏 航电机驱动。偏航轴承承载机组中主要部件的重量，并传递气动推力 到塔架，轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合。明阳 1

13、.5MW 风力发电机组的偏航系统采用内齿形式。 驱动装置由驱动电动机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构等组 成。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均无振动现象。在风力发电中， 叶轮应该总是处在对风状态，以便于风轮最大程度的吸收风能。偏航 电机就起转动机舱使叶轮对风的作用。 应用齿轮驱动偏航系统，为避免因振荡的风向变化而引起偏航齿轮产 生交变载荷，采用偏航制动器来吸收微小自由偏转振荡，防止偏航齿 轮的交变应力引起轮齿过早损坏。 偏航系统 序序 号号 名称名称 数数 量量 单重（单重（Kg)Kg) 总重（总重（Kg)Kg) 1 偏航编码器装 配 13.093.09 2偏航编码齿轮10.270.27

14、3 偏航编码器支 架 12.412.41 4偏航制动盘11617.711617.71 5制动器支座11768.181768.18 6偏航驱动45502200 7偏航轴承114161416 8偏航制动器1275900 系 统 偏航系统5MF.201.001 A8211.72 偏航制动器 1.5MW机组偏航系统通常采 用810组偏航制动器，每 组制动器由上、下两个闸 体组成；刹车夹为液压卡 钳形式，在偏航刹车时， 由液压系统提供140- 160bar之间的压力，使刹 车片紧压在刹车盘上，提 供制动力；偏航时保持 45bar的余压，产生一定 的阻尼力矩，使偏航运转 更加平稳，减少机组的振 动。 风机

15、液压系统 1.5兆瓦机组兆瓦机组HYDAC液压站主要参数液压站主要参数： 工作介质：Esso Univis HVI 26 油箱容积：12L 电机功率：0.75 KW 电机频率：400 V 电机转速：1450 RPM 泵出口流量：1.6 L/min 工作压力：160 bar左右 1.5MW风机液压站系统有两个主控制回 路：转子制动回路和偏航刹车回路。系 统正常工作压力范围在140-160bar之间， 系统压力由电机泵组（序号90、60）作 为动力单元提供，并由压力传感器来加 以精确显示，动力源的断合利用压力传 感器和电气联动控制来实现。 1.5MW风机安全与控制方案 基本概念基本概念 正常运行准

16、备运行启动 转矩控制 自动偏航 变桨动作 自检测 变桨控制 监测/监视 故障处理 服务/维修 无故障情况下无故障情况下 电气安全保护 发电机外部定子接线箱上部装有发电机防雷箱，可以保护 发电机免遭雷击。定子绕组和前后轴承等处的温度通过 PT100温度传感器被连续地监控。 电气设备保护装置还包括： 1)连接到电网的具有过载、短路保护的空气开关。 2)发电机定子电路的必要保护。 3)变换电源的保护。 4)在发电机中对谐波电流进行滤波的电抗器。 5)保证与电网电磁兼容的滤波器。 6)IGBT的电子保护。 控制与电气设备 控制系统是用PLC语言开发的一个 软件PLC控制系统。 软件是基于安全和控制原理

17、图设计 的。 电缆和额外的软件功能，比如可视 化 和远程访问软件由明阳风电负责开 发。 控制与电气设备 双馈风力机的控制手段： 通过变频器控制器对逆变电路中功率器件 的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流 的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、 有功功率和无功功率的目的，既提高了机组 的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。 变频控制： 为了保证转子转速最优，风轮叶片的角 度通过变桨系统进行调整。但是，角度的调 整是一个非常缓慢的过程，为了补偿转子转 速的快速变化，变频控制单元快速增加或降 低转子磁场的旋转速度，保证发电机获得最 优的滑差。当风速降低时，控制单元从电源 获得电能并增加转子磁场的转

18、速，以保证定 子向电网提供固定频率的能量。同样，当风 速不断增加、转子磁场的转速也逐步增加， 达到超同步转速以上时，转子产生的能量不 仅满足转子自身励磁还有剩余电能输送到电 网。 风电场监控系统 其他控制器 CX1020 数据文件 DB 业主业主 实时数据库 历史数据库 中控室中控室 Internet 数据库服务器 数据文件 数据流 投资商投资商 政府政府 WEB Server 发布到WEB 数据流 数据文件 数据文件 风电场监控系统概述 1就地监控系统：基于倍福控制器和TWINCAT 软件开发的、用于控制单台 风机； 2中央监控系统：安装在中控室内，以闭环光纤网络，可靠连接所有风机； 1)

19、基于TCP/IP 协议的以太网络： 支持所有现有的TCP/IP 网络部件，所需部件可以在任何地方买到； 没有专利所有权的限制；便于其他供应商的系统接入； 对现有带宽可以进行优化； 2）闭环网络：提高了网络可靠性；在单个节点故障情况下，系统仍然 可以正常运行。 3）方便扩展：可以通过增加服务器来集中管理多组风机，； 3远程监控系统：安装在远方调度室内，采用支持JAVA 程序的网络浏览器； 1）用户无需购买任何额外软件或许可证； 2）可根据需要，自由配置远程网络的接入方式； 风电场网络结构 信息服务层网络把每台风机控制器连接到中控室机房，为中控室监控系统与 每台风机之间建立通讯通道。 信息服务层网

20、络的网络拓扑结构为：链形闭环网络；采用基于光纤以太网 的TCP/IP 协议，速度为100M； 风机雷电保护 变桨系统防雷措施：变桨系统防雷措施： 变桨系统及变桨电机按照LPZ2防雷级别设计，为了 防止变桨系统及控制箱遭受电磁干扰，所有输入接地电缆 和屏蔽层在进入控制箱内直接和接地端子条连接。 机舱控制器与轮毂变桨系统控制箱之间的所有电缆都 有屏蔽，屏蔽装置与接地端子条和滑环外壳相连。 在变桨控制电路中对输入和输出信号采用浪涌保护装 置进行保护。 测风杆防雷措施：测风杆防雷措施： 风速计与风标支架作为避雷针来建造。从该避雷针底 部，一根50mm2的单股铜线将雷电电流以最短的线路直 接传导至左主梁

21、。 风机雷电保护 电控系统、变频器防雷措施：电控系统、变频器防雷措施： 电控系统按照LPZ2防雷级别设计，为了防止电控系 统及控制箱遭受电磁干扰，所有输入接地电缆和屏蔽层在 进入控制箱内直接和接地端子条连接。 机舱控制器与塔筒控制箱之间的所有电缆都有进行屏 蔽。屏蔽装置与接地端子条相连。在控制电路中对输入和 输出信号采用浪涌保护装置进行保护。 塔架防雷措施：塔架防雷措施： 塔架的每个法兰部分互相之间至少有三点由50mm2的 接地铜电缆进行连接。 总接地设备通过它内部的一条扁钢引出基础。该扁钢 规格为506mm，与主接地母线相连。 机组安全系统的功能简述 安全系统也叫做安全链，它是独立于计算机系

22、统的软硬件保 护措施。采用反逻辑设计，将可能对风力机组造成严重损 害的故障节点串联成一个回路：紧急停机按钮（塔底主控 制柜）、发电机过速模块1和2、扭缆开关、来自变桨系统 安全链的信号、紧急停机按钮（机舱控制柜）、振动开关、 PLC过速信号、到变桨系统的安全链信号、总线OK信号。 一旦其中一个节点动作，将引起整条回路断电，机组进入 紧急停机过程，并使主控系统和变流系统处于闭锁状态。 如果故障节点得不到恢复，整个机组的正常的运行操作都 不能实现。同时，安全链也是整个机组的最后一道保护， 它处于机组的软件保护之后。安全系统由符合国际标准的 逻辑控制模块和硬件开关节点组成，它的实施使机组更加 安全可

23、靠。 机组安全系统的结构 安全系统程序功能块的描述 “与”的关系，类似于乘 法的概念，输入都是1 时，输出是1；只要有 1个输入为0，输出就 为0。 AND功能块 风机水冷系统工作原理 当温度达到设定温度时，电动三通阀开始开启，若温度继续升高，电动 三通阀不断开启直至全部开通，冷却液全部通过散热器进行散热，同 时两个散热扇轮流交替进行工作强制散热。 风机电控系统的操作 机舱控制柜上的按钮机舱控制柜上的按钮 紧急停机按钮（紧急停机按钮（emergency stop） 出现特殊情况时，拍下紧急停机按钮；此按钮按下后 安全链断开,机组在运行状态下将执行紧急停机。 复位按钮（复位按钮（reset） 按

24、下该按钮后，系统的安全链恢复，清除故障反馈信 号。与塔底控制柜的复位按钮功能相同。 停机按钮（停机按钮（stop） 手动停机。按下后系统执行正常停机过程。与塔底控 制柜的停机按钮功能相同。 风机主要信息页面 此页面包括： 常规数据、累 计量、风机控 制功能、机组 基本信息、自 启动及纽缆状 态。 通过就地调试 与控制按钮可 以在风机控制 中对机组进行 复位、启动、 停机等简单的 控制。 变速变桨变速变桨功率曲线数据功率曲线数据 318 452 5106 6186 7293 8426 9582 10760 11965 121200 131200 141200 151200 161200 1712

25、00 181200 191200 201200 211200 221200 231200 241200 251200 主控系统的功能 主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理； 逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信 号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的 变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制 变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭 矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。控 制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机

26、舱自动跟踪风 向，液压系统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，电容补偿和电容滤 波投切以及低于切入风速时自动停机。 为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。 谢谢大家！ 现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高现代化的风力发电，已不只是一台风力机和一台发电机的简单组合，而是一个高 度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以度集成了空气动力学、机械学、电机学、电力电子学、微电子学、计算机科学以 及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体及电力系统分析、继电保护技术、先进控制技术和数据通讯等各方面知识为一体 的

27、复杂的机电能量转换系统。的复杂的机电能量转换系统。 风机偏航系统 偏航系统的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相配 合，调节整个机舱的对风向位置，根据风速仪和风标仪的传感检测， 自动使风轮对准风向，以提高风力发电机组的发电效率；其二是提供 必要的紧锁力矩，以保证风力发电机组的安全运行。 偏航电机下面有一个小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮叫偏航轴承，由偏 航电机驱动。偏航轴承承载机组中主要部件的重量，并传递气动推力 到塔架，轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合。明阳 1.5MW 风力发电机组的偏航系统采用内齿形式。 驱动装置由驱动电动机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构等组 成。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均无振动现象。在风力发电中， 叶轮应该总是处在对风状态，以便于风轮最大程度的吸收风能。偏航 电机就起转动机舱使叶轮对风的作用。 应用齿轮驱动偏航系统，为避免因振