风电设备基本结构知识

风机设备基础知识

目录

一、风电场的组成及基本原理................................1

二、风电集电线路.........................................8

三、风电场选址..........................................12

四、风速仪..............................................14

五、风能资源参数的计算...................................16

一、风电场的组成及基本原理

风电场是指将风能捕获、转换成电能并通过输电线路送入电网的

场所，由四部分构成：

1、风力发电机组

风力发电机是风电场的发电装置，其工作原理是风轮把风作用

在桨叶上的力转化为自身的转速和扭矩，通过主轴一一增速箱一一联

轴器一一高速轴把扭矩和转速传递到发电机，实现风能一机械能一电

能的转换。

风力发电机由传动系统、偏航系统、刹车系统、支承系统、冷却

润滑系统、电控系统等六个系统组成。

1.1传动系统

传动系统由桨叶、轮毂、主轴、轴承、轴承座、胀套、齿轮箱、

联轴器、发电机组成。传动系统主要作用有三个；1、把风能转化成

旋转机械能；2、传递扭矩，并增速达到发电机的同步转速；3、将旋

转机械能转化成电能。

1.2偏航系统

偏航系统的作用是与控制系统相互配合，使机组风轮始终处于迎

风状态，充分利用风能，提高机组的发电效率。提供必要的锁紧力矩,

以保障风机的安全运行。

回转支承内圈

偏航驱动偏航制动器

1.3刹车系统

刹车系统能使风力发电机组在发生故障或紧急情况下，能快速、

平稳的制动停机。在运行情况下使机组保持稳定，不被侧风或绕流影

响。刹车机构由三部分组成：叶片刹车（小叶片或变桨）、风轮刹车

（低速、高速制动装置）、偏航刹车（盘式制动器）

1.4支承系统

支承系统包括塔架和基础两部分。

塔架作用是支承风力发电机组的机械部件，承受各部件作用在塔

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架上的荷载。

基础作用是安装、支承风力发电机组，平衡运行过程中产生的各

种载荷。

1.5冷却润滑系统

冷却润滑系统主要是对齿轮箱各轴承、各齿面提供足够的润滑及

对齿轮箱进行冷却散热。

1.6电控系统

电控系统是现代风力发电机的神经中枢。它承担着风机监控、自

动调节、实现最大风能捕获以及保证良好的电网兼容性等重要任务-，

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它主要由监控系统、主控系统、变桨控制系统以及变频系统（变频器）

几部分组成。

2、道路包括风力发电机旁的检修通道、变电站站内站外道路、

风场内道路及风场进出通道。

3、变电站：风电场的运行监控中心及电能配送中心。

4、场内一次设备有：变压器、断路器（开关柜）、母线、隔离

开关、互感器（电流和电压）、避雷器、场用变、接地电阻柜和无功

补偿装置。

（1）变压器：起变换电压的作用，可以升高电压以利于功率的

传输、降低线损。可以降低电压满足不同住户的需求。其组成部分有:

铁芯、绕组、绝缘套管、油箱、储油柜，呼吸器、防爆管、散热器、

分接开关、气体继电器以及温度计等。

风机箱式变压器的作用就是将风机发出的690V电能经过升压变

为10kV或35kV,通过埋地电缆或架空线输送到风电场升压站。

综合风电系统的特点，可以总结出风电专用变压器的技术要求：

一）变压器空载时间长。风力发电一般具有明显的季节性，变压

器的年负载率平均只有30%左右。因此，要求变压器的空载损耗应尽

量低；

二）过载时间少。由于变压器容量一般都比风力发电机容量大，

而由于风机采用微机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护措施非

常完善，在风机过载时会自动采取限速措施或停止运行，基本上不会

造成变压器过载运行。因此变压器的寿命;匕普通配电变压器应长；

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三）运行环境恶劣。在我国，风力资源丰富的地区一般集中在沿

海、东北、西北地区，变压器运行在野外。因此就要考虑设备的耐候

性问题。在沿海地区的设备就应考虑防盐雾、霉菌、湿热；在东北、

西北地区就要考虑低温严寒、风沙等的影响。

四）组合式变压器高压侧必须配置避雷器，以便与风机的过电压

保护装置组成过电压吸收回路。在变压器的绝缘设计上应充分考虑避

雷器残压对变压器的影响。另外，风电用组合式变压器的箱体基本上

按照标准组合式变压器的结构型式制造，除需具有足够的机械强度，

外形力求美观等外，还应具有抗暴晒，不易导热，抗风化腐蚀及抗机

械冲击等特点。箱体需采用片式散热器，外加防护罩的结构。此外，

外壳油漆需喷涂均匀，防护等级高，抗暴晒，抗腐蚀，抗风沙，并有

牢固的附着力；组合式变压器内部电气设备的装设位置也应易于观

察、操作及安全地更换；高压配电装置小室应保证可靠安全，以防误

操作。

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（2）断路器：切断和闭合高压电路的空载和负荷电流，而且当

系统发生故障时，它和继电保护及自动化装置相配合，迅速切断故障

电流，以减少停电范围，防止事故扩大，保证系统的安全运行。高压

断路器的主要结构分为：导流部分、灭弧部分、绝缘部分、操动机构

部分。

（3）母线：载流设备，是电流的通道，承载负荷、空载电流。

（4）隔离开关的用途：设备检修时提供明显断开点，使检修设

备与带电设备隔离，同时与断路器配合改变运行方式。隔离开关一般

由绝缘支架、操作机构、连锁机构、动静触头、刀口等组成。

（5）互感器：将大电流变换为小电流，将高电压变换为低电压,

供给继电保护及仪表所需，同时将高压系统与二次相隔离保证人员、

设备的安全，同时使仪表、继电器的制造标准化、简单化，以利于生

产。互感器由一、二次绕组、铁芯、绝缘支撑物组成。

（6）避雷器：用于防止雷电进行波沿线路侵入变电站或其他建

筑物危害电气设备绝缘的一种防雷装置，防止雷电及内部过电压。其

中阀型避雷器由套管、火花间隙、并联电阻、阀型电阻、上下法兰以

及压缩弹簧及其附件组成。氧化锌避雷器由套管、氧化锌电阻、上下

法兰以及压缩弹簧及其附件组成。

（7）场用变：构成与变压器相同，供给站内正常生活和生产用

电。

（8）无功补偿装置：主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率,

抑制电网闪变和谐波，提高电网的功率因数，改善高压配电网的供电

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质量和使用效率，进而降低网络损耗。

风电场的无功电源包括风力发电机组和风电场的无功补偿装置。

目前，风电场主要采用双馈型和永磁直驱型风电机组，绝大多数风电

场的风电机组功率因数设定为1,虽然提出了风电场的机组必须采用

恒压或恒功率因数控制方式，从而释放机组的无功容量的要求，但预

计机组难以满足无功控制的要求。由于风电机组无功出力自动调整能

力不足，且风电有功出力预测预报精度不高，电压波动幅度及时刻也

难以准确预测，因此，固定无功补偿装置已不能满足风电场的运行要

求，必须采用使用静止型动态无功补偿装置（SVC、SVG）调节风电

场的无功。

6、场内二次设备有：

（1）继电保护装置：风力发电机、变压器、母线、电抗器、电

容器、线路（含电缆）、断路器等设备的继电保护装置等。

（2）系统安全自动装置：风电智能运行控制系统、备用设备及

备用电源自动投入装置、故障录波器及其他保证系统稳定的自动装置

等。

（3）控制屏、信号屏与继电保护有关的继电器和元件。

（4）连接保护装置的二次回路（含保护有直流系统）。

（5）继电保护专用的通道设备。

二、风电集电线路

风电场集电线路是连接风电机组、变电所与电力网的一个传送电

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能的系统。按传输媒介分为架空线路和电缆线路。

风电场集电线路普通情况多为混合方式，即风力发电机与升压箱

变之间、升压箱变与输电主干线之间选用电缆方式，输电主干线多以

架空线方式为主。但若风电场处于海滨等环境保护、旅游区域时，不

允许采用架空线方式，则只能采用全线电缆方式。

集电线路的环接方式也分为二种：一种是利用升压箱变高压侧的

铜板母线进行环接；另一一种是采用“T”接方式，每台风机均用

“T”接接头接人主线路。从目前看来，环接方式更加可靠，而叮”

接方式则使接线更加简化。

3种连接方式中，电缆方式造价最高，混合方式其次，架空线方

式造价最低。

1、集电线路的架空线路

由于架空线路具有线路结构简单，施工周期短，建设费用低，输

送容量大，维护检修方便，所以广泛应用。

在平地和丘陵等便于运输和施工的地区，宜因地制宜采用拉线杆

塔和钢筋混凝土杆C在走廊清理费用比较高及走廊较为狭窄的地带，

宜采用导线三角形排列的杆塔，对非重冰区还宜结合远景规划采用双

同路或多回路杆塔；在重冰区地带宜采用单回路导线水平排列的杆

塔；在城市或城郊可采用钢管杆塔。

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架空输电线路是由绝缘子将导线架设在杆塔上，并与风电场或变

电站互相连接，构成电力系统或电力网，用以输送电能。风电场集电

线路绝大多数采用35kV的电压等级。

2、集电线路的线缆敷设

(1)电缆深槽敷设方式

电缆沟埋深大于冻土层厚度，使电缆沟位于冻土层下。电缆沟采

用预制素混凝土结构。

若该风场所属地区为季节性冻土地带。季节性冻土在自然冻结过

程中产生冻胀，若电缆沟位于冻土层内的话，会在自然冻结过程中由

于土层中产生的切向冻胀力不均匀而使电缆沟上拔；而在自然融化过

程中由于土层中的冻胀力的不断消失又产生部分下陷。严重的冻胀将

给埋深在冻土层中的电缆沟产生较大的危害。故考虑上述因素将电缆

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沟埋深在冻土层下，以此避免电缆沟因冻土的影响而产生电缆沟结构

的破坏。同时将电缆沟埋设在冻土层下可以避免电缆沟受外界气候变

化、生物及人类活动、植被生长等因素的影响。

该方案需要大面积及超深开挖，开挖工程量大，施工费用大，同

时开挖后的堆土量大，势必增加临时用地的面积。此种施工方法会增

加遭破坏的植被面积，对该地区的植被保护不利。

(2)电缆穿管敷设方式

穿管敷设即将电缆敷设在电力保护管中，此种电力保护管(以

HBB玻璃电缆保护管为例)具有强度高、耐腐蚀、非磁性、不变形、

重量轻、施工简便等优点。

(3)电缆浅槽敷设方式

浅埋式电缆沟即将电缆沟浅埋，沟顶与地面间距离大于700mm,

电缆沟采用预制素混凝土结构。

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(4)电缆直埋敷设方式

根据《电力工程电缆设计规范》规定，同一通路少于6根的35kV

及以下电力电缆，在不易有经常性开挖的地段，宜用直埋。电缆外缘

至地面的深度大于1000mmo

以上4种敷设方式中，直埋电缆敷设方式技术可行，施工方便，

投资少，故在允许的情况下推荐采用直埋电缆敷设的方式。

三、风电场选址

1、宏观选址因素

(1)基本概念：在一个较大的地区内，通过对若干场址的风能

资源和其他建设条件的分析和比较，确定风电场的建设地点、开发价

值、开发策略和开发步骤的过程，是企业能否通过开发风电场获取经

济效益的关键。

(2)基本原则:1、风能资源丰富，风能质量好。2、符合国家产

业政策和地区发展规划。3、满足接入系统要求。4、具备交通运输和

施工安装条件。5、保证工程安全。6、满足环境保护要求。7、满足

投资回报要求。

(3)宏观选址步骤：1.参照国家风能资源分布区划，首先在风

能资源丰富区内候选风能资源区，每个候选区应具备以下特点：有丰

富的风能资源，在经济上有开发利用的可行性：足够的面积；具备良

好的场地形、地貌。2.将候选风能资源区再进行筛选，以确定其中有

开发前景的场址。在这个阶段，非气象学因素，比如交通、通信、联

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网、土地投资等因素对该场址的取舍起着关键的作用。3.对准备开发

建设的场址进行具体分析。

2、微观选址因素

(1)基本概念：风电场微观选址即风电机组位置的选择。通过

对若干方案的技术经济比较，确定风电场风电机组的布置方案，使风

电场获得较好的发电量。

(2)基本原贝1：微观选址按照以下原则设计：尽量集中布置、

尽量减小风电机组之间尾流影响、避开障碍物的尾流影响区、满足风

电机组的运输条件和安装条件、视觉上要尽量美观。

(3)微观选址步骤：风电机组的布置和发电量的计算，一段都

借助于WAsP和WindFarmer两个软件。具体步骤如下：1、确认风电

场可用土地的界限。2、结合地形、地表粗糙度和障碍物等，利用风

电场测站所测的并经过订正的测风资料，在风电场范围内绘制出一定

轮毂高度的风能资源分布图。3、根据微观选址的基本原则和风电场

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的风能资源分布图，拟定若干布置方案，并用软件对各方案进行优化。

4、对各方案的发电量、尾流影响、投资差异及其它相关因素进行经

济技术综合比较，确定最终的布置方案，绘制风电机组布置图。

四、风速仪

传统测风仪有风杯式风速仪、螺旋浆式风速计及风压板风速仪

等。新型测风仪有超声波测风仪、多普勒测风雷达测风仪、风廓线仪

等。

常用的风杯式风速仪如下图所示。

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这是一种机械式测风仪，由一个垂直方向的螺旋轴和三个风杯组

成。风杯式风速仪的转速可以反映风速的大小。

旋桨式风速计，由一个三叶或四叶螺旋桨组成感应部分，将其安

装在一个风向标的前端，使它随时对准风的来向。桨叶绕水平轴以正

比于风速的转速旋转。

一般情况下，风速仪和风向标配合使用，可以记录风速和风向数

据。

机械式测风仪的优点在于可靠性高，成本低。但同时也存在机械

轴承磨损的情况，因此需要定期检测甚至进行更换，另外，在结冰地

区，需要安装加热设备防止仪器结冰。

非接触式测风仪有超声波风速仪和激光风速仪等。超声波风速仪

通过检测声波的相位变化来记录风速，这些非机械式风速仪的优点在

五、风能资源参数的计算

1、风能

风能是大气运动具有的动能，在单位时间内流过某一截面的风能

E,亦即风功率的计算公式为