风电机组主要参数指标

风电机组主要参数指标风力发电机组的功能和结构功能：将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输出到电网中。并网型风力发电机组从外观上看可分为风轮、机舱、塔架和基础几个部份。对风力发电机组的基本要求基本要求：是在当地风况、气候和电网条件下能够长期安全运行，取得最大的年发电量和最低的发电成本。风的速度和方向是不断变化的，有时甚至非常激烈，而风的功率与风速的立方成正比，因此风力发电机组各个部件随时承受着交变载荷，疲劳强度是影响机组寿命的主要因素，对材料、结构、工艺和控制策略都提出了很高的要求。一、贝兹理论一、贝兹理论第一个关于风轮的完整理论是山哥廷根研究所的A·贝茨建立的。贝兹理论是应用一元定常流动的动量方程，来讨论理想状态下的风力发电机的最大风能利用系数。贝兹理论的假设条件如下：⑴风轮流动模型可简化成一个单元流管；⑵风轮没有锥角、倾角和偏角，这时风轮可简化成一个平面桨盘,；⑶风轮叶片旋转时没有摩擦阻力；对通过风轮的气流没有阻力。⑷风轮前未受扰动的气流静压和风轮后的气流静压相等，即P1=P2，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的；⑸作用在风轮上的推力是均匀的。二、风力机性能参数

二、风力机性能参数1.风轮直径与扫掠面积风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。风轮从自然风中获取的功率为：式中

P—风力发电机组设计（额定）风况输出电功率（kW）ρ—空气密度，一般取标准大气状态；（kg/m3）V1—设计风速（风轮中心高度）（m/s）D—风轮直径（m）Cp—风能利用系数。在计算时，一般应取额定风速下的Cp值。风轮直径增加，其扫掠面积成平方增加，其获取的风功率也相应增加。早起的风电机组直径很小，额定功率也相对较低，大型兆瓦机组的风轮直径在70-80米范围。2.轮毂高度风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，也是风电机组设计时要考虑的一个重要参数，由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此，大型风电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但是轮毂高度增加，所需塔架的高度也相应增加。当塔架高度达到一定水平时，设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风电机组成本的相应增加。3.风轮转速、叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比。下图是一个风力机的叶轮，u是旋转的风力机风轮外径切线速度，

，v是风进叶轮前的速度，叶尖速比

其中，R是风轮的最大旋转半径，或叶尖半径，单位m；

为风轮角速度，单位rad/sV为风速，单位m/s尖速比是风力发电机组的一个重要设计参数，通常在风力发电机组总体设计时提出。首先，尖速比与风轮效率是密切相关的，只要风力发电机没有超速，运转处于较高尖速比状态下的风力发电机，风轮就具有较高的效率。对于特定的风轮，其尖速比不是随意而定的，它是根据风力发电机组的类型、叶尖的形状和电机传动系统的参数来确定的。不同的尖速比意味所选用或设计的风轮实度具有不同的数值。设计要求的尖速比，是指在此尖速比上，所有的空气动力学参数接近于它们的最佳值，以及风轮效率达到最大值。在同样直径下，高速风力发电机组比低速风力发电机组成本要低，由阵风引起的动负载影响亦要小一些。另外，高速风力发电机组运行时的轴向推力比静止时大。高速风力发电机组的起动转矩小，起动风速大，因此要求选择最佳的弦长和扭角分布。如果采用变桨距的风轮叶片，那么在风轮起动时，变距角要调节到较大值，随着风轮转速的增加逐渐减小。当确定了风力发电机组尖速比范围之后，要根据风轮设计风速和发电机转速来选择齿轮箱传动比，最后进行尖速比的计算，确定其设计参数。4.叶片数一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比

。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即

＝4～7左右，叶片数一般取

2～3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能利用系数，也要考虑起动性能，总之要达到最多的发电量为目标。由于三叶片的风力发电机的运行和输出功率较平稳，目前风力发电机采用三叶片的较多。5.实度风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比），是风力机的一个参考数据。左图为水平轴风力机叶轮，S为每个叶片对风的投影面积，B为叶片个数，R为风轮半径，

为实度，右图为升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长，B为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度。垂直轴风力机叶轮的扫掠面积为直径与叶片长度的乘积，为实度实度是和尖速比密切相关的另一个重要设计参数。对风力提水机，因为需要转矩大，因此风轮实度取得大；对风力发电机，因为要求转速高，因此风轮实度取得小。自起动风力发电机组的实度是由预定的起动风速来决定的，起动风速小，要求实度大。通常风力发电机组实度大致在5%~20%这一范围。实度的大小的确定要考虑以下两个重要因素：一是风轮的力矩特性，特别是起动力矩，二是风轮的转动惯用量及电机传动系统特性决定。6.额定风速、切入风速和切出风速额定风速是指风电机组达到额定功率时对应的风速，额定风速的大小直接影响到机组的总体构成和成本，额定风速取决于风电机组所在区域的风能资源分布，需要事先掌握平均风速及其出现的频率。可以参照风速条件，按一定的原则评估确定风速。切入风速指风电机组开始并网发电的最低风速，决定了机组在低风速条件下的性能。切出风速则主要用于极端风速条件下对机组进行停机保护。当风速达到切出风速时，机组将实施制动停机。7.翼型及其升阻比翼型的选取对风力发电机组的效率十分重要。风在叶片翼型上产生的升力

与阻力

之比称为翼型的升阻比，用L/D表示，即式中，

是升力系数；

是阻力系数。翼型的升力/阻力比（L/D）值愈高，则风力发电机组的效率愈高。

在攻角到达临界值之前，升力

随攻角

的增加而增加，阻力

随仰角的增加而减小。当攻角增加到某一临界值时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支撑力，这种现象称为失速。风轮风轮是获取风中能量的关键部件，由叶片和轮毂组成。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力距驱动风轮转动，通过轮毂将扭距输出到传动系统。风轮按叶片数可以分为单叶片、双叶片、三叶片和多叶片风轮，其中三叶片风轮由于稳定性好，在并网型风电机组上得到广泛应用。

风轮按照叶片与轮毂的连接能否围绕其纵向轴线转动，可以分为定桨距风轮和变桨距风轮。定桨距风轮的叶片与轮毂固定连接，结构简单，但是承受的载荷较大，在风轮转速恒定的条件下，风速增加使风轮超过额定功率时，叶片将处于“失速”状态，降低风轮输出功率，防止发电机因超负荷而烧毁。变桨距风轮的叶片与轮毂通过轴承连接，虽然结构比较复杂，但能够获得较好的性能，而且承受的载荷较小，重量轻。

风轮按转速的变化又可以分为定转速风轮和变转速风轮。转速随风速变化可以使风轮保持在最佳效率状态下运行，获取更多的能量，并减小因阵风引起的载荷。但是变转速发电机的结构复杂，还需要与电网频率保持同步的装置，又消耗了一些能量。

机舱机舱由支架和舱体组成，支架上安装除了风轮和控制器以外的主要部件，舱体后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接。机舱内部由传动系统、偏航系统、液压系统与制动系统、发电机、控制与安全系统等组成。

传动系统传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴节。轮毂与主轴固定连接，将风轮的扭距传递给齿轮箱，有的风电机组将主轴与齿轮箱的低速轴合为一体。风轮的转速在10～30r/min，通过齿轮箱增速到1500r/min，高速轴经联轴节驱动发电机旋转。

偏航系统功能：跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风轮扫掠面与风向保持垂直。风向标是偏航系统的传感器，将风向信号发给控制器，经过与风轮的方位进行比较后，发出指令给偏航电机或液压马达。解缆功能，即机舱累计沿着同一方向转了若干圈后，必须向反方向回转，直到扭绞的电缆松开。偏航轴承分为滑动型和滚动型，有的具备自锁功能。液压系统功能：为油缸和制动器提供必要的压力，使其按规定动作，有的强制润滑型齿轮箱亦需要液压系统供油。油缸主要是用于定桨距风轮的叶尖制动装置或变桨距风轮的变距机构，因此油缸安装在与主轴同心的齿轮轴内，随同主轴旋转，通过液压滑环与固定的输油管连接。液压站由电机、油泵、油箱、过滤器、管路及各种液压阀等组成。

制动系统制动系统主要分为空气动力制动和机械制动两部份，有的风电机组只有机械制动。定桨距风轮的叶尖制动片旋转90度，或变桨距风轮处于顺桨位置均利用空气阻力使风轮减速或停止，属于空气动力制动。在主轴或齿轮箱的高速输出轴上设置制动盘和制动钳，属于机械制动。通常在运行时要让机组停机，首先采用空气制动，使风轮减速，再采用机械制动使风轮停转。

发电机发电机将风轮的机械能转换为电能，分为异步发电机和同步发电机两种。异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化，当风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电，风速继续增加，电机转速也略为升高，增加输出功率，达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不再增加。反之风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后应脱开电网。

发电机有的风电机组为了充分利用低风速时的风能，降低风轮转速，采用了可变极数的异步发电机，如从4极1500r/min变为6极1000r/min，但是这种电机仍然可以看作是基本上恒定转速的。普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网，无需同步调节装置，缺点是风轮转速固定后效率较低，而且在交变的风速作用下，承受较大的载荷。为了克服这些不足之处，相继开发出了高滑差异步发电机和变转速双馈异步发电机。

直接驱动同步多极发电机为了减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，有的风电机组采用风轮直接驱动同步多极发电机，又称无齿轮箱风电机组，其发电机转速与风轮相同而且随着风速变化，风轮可以转换更多的风能，所承受的载荷较小，减轻部件的重量。缺点是这种发电机结构复杂，制造工艺要求很高，需要变流装置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。

机组配置(1)Rotorblade(2)Castedhub(3)Bladepitchsystem(4)Generatorrotor(5)Generatorstator(6)Yawingsystem(7)Windmeasurementsystem(8)Machinebase(9)Tower(10)Auxillarywinch(2)轮毂2(3)变桨系统3(1)叶轮叶片1(7)风速风向采集系统7(6)偏航系统6(5)发电机定子5(4)发电机转子4(8)底板8(9)塔架9(10)提升机10AllaWECneeds…塔架和基础塔架支撑机舱达到所需要的高度，容纳发电机和控制器之间的动力电缆、控制和通讯电缆，安装供操作人员用的扶梯，大型机组还设有电梯，塔架结构有圆筒和桁架两种形式。基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况设计成不同的形式，中心位置预埋地脚螺栓，与塔架底部连接，保证将风电机组牢牢固定在地面上，能够承受住极大风速时的设计载荷，基础周围还要设置预防雷击的接地系统。

控制系统控制系统包括控制和监测两部分，控制部分又分为手动和自动，运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，自动控制应该在无人职守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询，也要送到风电场中央控制室的电脑系统，通过网络或电信系统现场数据还能传输到业主所在城市的办公室。

安全系统安全系统要保证机组在发生非正常情况时立即停机，预防或减轻故障损失。关键部件采用了“失效-保护”的设计原则，如制动系统的叶尖制动片在运行时是利用液压系统的高压油保持叶尖制动片与叶片外形组合成一个整体，同时保持机械制动器的制动钳处于松开状态，一旦发生液压系统失灵或电网停电，叶尖制动片和制动钳将在弹簧作用下立即使叶尖制动片旋转90度，制动钳变为夹紧状态，风轮被制动停止旋转。

主要参数—风轮直径风轮直径（或风轮扫掠面积）和额定功率，成为产品型号的组成部分。风轮直径（或风