第三节 传统式和混合式并网风力发电机组的总体结构布局

世界风电装机容量平均每年以20%的增容速度发展着，成为诸能源中发展最快的能源。根据“世界风能协会”（WWEA）的统计，2000年世界风电装机容量约为18GW，到2011年已达到240GW，增长13倍以上，达到世界电力总装机容量的3%。

世界水平轴并网风力发电机组经历了近百年的研究、试验、发展和优化，基本上形成了一个统一的模式，笔者称其为传统式。目前世界风电场使用的风电机组大部分属于这种传统式。

进入21世纪，为了降低风力发电机组的制造成本和用户的使用成本，从而降低风电成本，世界上有些风力发电机组制造商尝试了去掉造价昂贵，寿命只有4～6年的增速器（齿轮箱），采用多极永磁发电机与风轮轴直接连接的方式，称作直驱式风力发电机组。直驱式风力发电机组已经商品化生产。直驱式风力发电机组是未来最有发展前景的风力发电机组之一。

笔者认为另外一种具有发展前景的风力发电机组是采用多极永磁发电机，配以低传动比的增速器，称作混合式风力发电机组。这种混合式只要在传统式的总体结构布局的基础上稍加改动就可实现。

水平轴并网风力发电机组从总体结构布局上可分为传统式、混合式和直驱式三种。

1.传统式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局

自20世纪80年代之后，世界上水平轴并网风力发电机组经过了几十年的优化，逐步形成了一个传统式结构布局模式。国内外水平轴并网风力发电机组的总体结构布局基本上都遵循这个传统式的总体结构布局，只是大同小异。

图4-3是丹麦Vestas V52-850kW水平轴变桨距并网风力发电机组的传统式总体结构布局，图6-6是德国Nordex的N80/2500kW变桨距水平轴并网风力发电机组的传统式总体结构布局。

它们的总体结构布局为：风轮安装在风轮轴上，风轮轴安装在固定在机舵座上的内有轴承的轴承座里，风轮轴的输出端连接在大增速比增速器的输入轴上，增速器的输出轴与联轴器的输入端连接，联轴器的输出端安装盘式制动盘并与4极或6极异步发电机轴连接，轮毂内置变桨距的液压油缸或齿轮变桨距的驱动机构，这是传统式水平轴并网风力发电机组从风轮接受风能驱动风轮旋转到机械传动至驱动发电机发电的主体结构布局。

机舱内安装有液压泵站、压力表、蓄能器、电磁阀等液压系统的组成部分，发电机和增速器的冷却系统，起重机械，配电箱，机械制动器等。

机舱是由钢骨架和玻璃钢围成的空间，机舱位于机舱座上，机舱顶的外部安装有风向传感器和风速仪，机舱顶部有热交换器或空气交换器，机舱座通过调向轴承安装在塔架上。机舱的调向齿轮安装在塔顶上，调向驱动机构安装在机舱座上。

锥钢筒式或桁架式塔架支撑着除塔架自重之外的所有风力发电机组的重量、风推力对塔架的弯矩以及风轮转动时形成的反转矩等。塔架固定在塔架基础上。

这就是传统式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局。换言之，传统式水平轴并网风力发电机组是由接受风能和功率调节系统、机械传动系统、机械制动系统、异步发电机、液压系统、冷却系统、调向系统、电力输送系统、计算机控制系统、配电及并网系统、机舱和塔架等组成，这些系统按工作的先后顺序有条理地安装在机舱座上和塔架上，这种科学、合理地安装就是传统式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局。

图6-6 德国Nordex N80/2500kW水平轴风力发电机组的总体结构布局

1—叶片 2—轮毂 3—风轮轴 4—增速器 5—膜片联轴器 6—钳式液压制动器 7—液压泵站 8—调向减速机 9—变桨距液压油缸 10—双馈式异步发电机 11—发电机水冷管 12—发电机水冷站 13—热交换器 14—逆变器 15—起重机 16—机舱 17—塔架

国内外传统式水平轴并网风力发电机组总体结构布局基本相同，它们的共同特点是：

1）都采用4极或6极异步发电机。进入21世纪大部分采用4极或6极绕线转子交流励磁异步发电机；

2）都采用大增速比的增速器。增速比随风力发电机组额定功率的不同而异，基本上增速比i为50～125。

不同之处为：

1）发电机都有冷却系统，但冷却的方式不同。丹麦Vestas V52-850kW风力发电机组采用风冷，而德国Nordex的N80/2500kW风力发电机组采用的是水冷。见图6-6。传统式水平轴并网风力发电机组的发电机也有采用氢冷或水氢冷的。风冷和水冷是传统式水平轴并网风力发电机组常用的两种冷却方式。

2）变桨距调速系统都安装在轮毂内，但变桨距调速的驱动方式不同。如丹麦Vestas52-850kW和德国Nordex N80/2500kW为液压驱动连杆机构转动叶片改变叶片迎角来调速的，而中国东方汽轮的FD70/77-1500kW和印度的Suglon的变桨距调速的原理是：叶片根部安装轴承，轴承内圈的下部安装内齿圈，用减速机单独驱动内齿圈转动，从而使叶片转动，改变叶片迎角来实现调速的。

现代传统式水平轴并网风力发电机组变桨距调速通常有两种方式，即液压连杆机构驱动叶片转动和齿轮驱动叶片转动以改变叶片迎角的变桨距调速方式。外齿圈驱动的调向机构见图4-15，液压驱动变桨距见图4-17。

传统式水平轴并网风力发电机组调速方式还有一种是定桨距叶尖扰流器调速，它是将液压驱动装置置于轮毂中来控制叶尖扰流板的释放和转动，达到调速的目的。这种叶尖扰流板调速通常用于600kW以下的传统式水平轴并网风力发电机组。

2.混合式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局

混合式水平轴并网风力发电机组采用多极永磁发电机配以低增速比增速器，制造成本、用户使用成本及风电成本比传统式风力发电机组低，是一种具有美好发展前景的风力发电机组。

混合式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局与传统式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局基本相同。所不同的是传统式采用了4极或6极绕线转子交流励磁异步发电机，其转速通常为1000～1800r/min。为了风轮转速匹配异步发电机的转速不得不采用增速比很大的增速器，其增速比往往达到1∶50～1∶125。这么大的增速比不得不采用一级行星与二级圆柱齿轮或二级行星与一级圆柱齿轮传动才能达到。

而混合式水平轴并网风力发电机组采用多极永磁发电机，其增速比往往只需要3.5～7.5，这样的增速比只要一级或二级圆柱齿轮传动就可以达到。比如混合式1500kW水平轴并网风力发电机组采用72极永磁发电机，其转速为83.33r/min，当风轮转速为20r/min时，它的增速比只有4.1667，这样的增速比用二级圆柱齿轮传动就可以达到。

混合式水平轴并网风力发电机完全适用于传统式水平轴并网风力发电机组的总体结构布局，只要将传统式的大增速比的增速器换成低增速比的增速器，将传统式的绕线转子交流励磁发电机换成多极永磁发电机就实现了传统式水平轴并网风力发电机组到混合式水平轴并网风力发电机组的改造了。

当然，传统式改造成混合式还需要对计算机程序和部分传感器进行改动，但这些改动很容易也很方便。