我国国产化兆瓦级风力发电机组的结构

四、我国国产化兆瓦级风力发电机组的结构

(一)我国国产化兆瓦级风力发电机组的研制和生产获重大突破

通过引进消化国外先进技术，我国风力发电机组制造水平不断提高。目前能制造兆瓦级风力发电机组的公司已超过10家，如华锐风电、东方汽轮机、新疆金风、浙江运达、沈阳华创、江苏新誉、上海电气等。

有的公司在国内系首家引进1.5MW风力发电机组技术，通过开展消化、吸收和二次开发工作，自主研发并认证了适用于不同风区类型、不同温度范围的1.5MW系列风力发电机组，打造完成了大型风力发电机组国产化配套产业链。目前主力机型1.5MW风力发电机组国产化率高达89.7%，并建立起完善的实验设施和质量保证体系。在国内大型风电设备制造企业中，率先实现了批量化、规模化生产。如华锐风电公司目前已具备年产1000台1.5MW风力发电机组的能力，已成为国内风电产业的领军企业。

这些公司肩负中国大型风电装备国产化、自主化的历史使命，全力研发具备自主知识产权的3MW和5MW陆地、海上风力发电机组。2008年底，3MW海上风力发电机组样机具备了装机条件，2009年实现批量化生产和供货。

(二)FL1500风力发电机组结构简介

1．简要说明

FL1500风力发电机组具有3个风轮叶片，主动变桨，主动偏航系统，变速，额定电力输出1520kW。风轮直径为70m或77m，轮毂高度60～100m，用于在陆地固定位置将风能转变成电能并按照供电公司的规范要求输入电网。

FL1500风力发电机组可以通过变速运行保证低载荷，优化效率，输出端无载荷高峰，因此可实现高效运转，并且工作寿命长。

2．风力发电机组的结构

FL1500风力发电机组的结构，均表示在图3-16～图3-19中。

图3-16　风力发电机机舱

3．部件介绍

(1)风轮叶片

风轮叶片为玻璃纤维(环氧树脂)制成的多重的梁(壳)体结构。叶片将风能转换为机械能并传递到轮毂(见图3-17)上。各个叶片有内置的防雷电系统，其中包括一个位于叶尖的金属尖、一根沿着叶片翼梁布置的接地电缆和一根接到变桨轴承的接地电缆。

图3-17　风力发电机组轮毂

(2)轮毂

轮毂是一个铸造结构，用于将叶片载荷传递到齿轮箱上。轮毂内部包括变桨系统。

(3)变桨系统

变桨系统(见图3-18)作为主要的制动系统使用，可以在额定功率范围内对风力发电机组速度进行控制。变桨系统包括三个驱动装置，分别是电机、齿轮箱和变誊轴承，可以实现每个叶片单独调整。

图3-18　风力发电机组变桨系统

从额定功率起，通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风力发电机组的功率控制。如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风力发电机组停机。风轮叶片调整驱动器的供电为冗余形式，使每个叶片都可以作为独立的阻力制动系统，使风力发电机组停止。

(4)齿轮箱

风轮转速通过一个多级齿轮箱提高发电机转速。齿轮箱由两个行星级和下游侧的一个正齿级组成。为减小噪声，所有的齿轮机均为螺旋齿轮。风轮轴内置在齿轮箱内，即轮毂直接与齿轮箱的传动轴连接，风轮载荷直接传递到齿轮箱和齿轮箱壳体上。需提供一个油路集成装置，确保为齿轮箱提供持续的润滑。齿轮箱传动轴上的一个盘式制动器起到锁定和紧急制动器的作用。

(5)减噪装置

减噪装置由呈环形布置、通过保持环固定的弹性层体组成。应避免将齿轮箱的振动传递到主机架上，而是将风轮施加在齿轮箱上的载荷传递到主机架。

(6)主机架

主机架上安装齿轮箱，并将来自齿轮箱的力转移到塔筒上。主机架是一个焊接结构，发电机安装在主机架的发电机支架部分上，主机架上还装有偏航系统的偏航驱动器，一台辅助吊车，变频器柜和电源柜，设备和电源的断路器以及控制系统部件。

(7)发电机

风力发电机组装有一台双馈感应发电机。发电机装有一个全封闭式的滑环装置，确保低磨损。为了避免潮湿损坏发电机，发电机安装有加热绕组。此外，在发电机内装有传感器用于监控温度。

(8)偏航系统

偏航系统(见图3-19)的作用是转动机舱使风轮永远迎风。主机架上内嵌有滑动元件，使其在偏航齿圈上滑动。偏航齿圈又与塔筒连接。根据风向记录的信号，由安装在主机架上的偏航驱动同步电机驱动，使风力发电机组旋转。

图3-19　风力发电机组偏航系统

(9)制动联轴器

制动联轴器包括安装在齿轮箱后部驱动轴上的一个液压盘式制动器以及盘式制动器与发电机驱动轴之间的联轴器。

制动器用于工作时紧急停机，在非工作时作为锁定制动器使用。启动制动器时需要液压系统工作。启动制动器时，压力降低，制动闸瓦通过弹簧力压在制动盘上。液压系统重新加压时，制动器松开。制动器闸瓦的磨损情况经检测并在电脑上显示。制动器闸瓦可以自动调整，永远保持在正确的位置。

联轴器将齿轮箱输出的驱动力矩传递到发电机驱动器上。联轴器电绝缘，防止漏电。可以补偿轴向和径向的位移和轴向旋转阻断不利的峰值载荷传递到发电机上，同时也阻断发电机的反作用。另外联轴器还与发电机驱法兰连接，该接头在规定的力矩下可以滑动，防止对发电机或齿轮箱造成损坏。

(10)冷却

齿轮箱的冷却通过安装在机舱内的一台油—空气冷却器实现。在冷却环路中有一个热电旁路阀，当油温过低时将冷却器旁路，保证油温快速升高到工作温度。另外在温度极低时齿轮油会通过电气加热。齿轮箱油温终身持续检测。如果超过工作温度范围的上限，位于换热器上方的电子风扇启动，加速散热。这些措施可确保齿轮箱油温永远保持在最佳温度范围。

发电机和变频器的冷却利用安装在机舱外的一台水—空气冷却器进行水冷。

(11)风力数据记录器

风力数据测量通过安装在机舱外的一个风速仪实现。风速仪用于确定风向和风速。为防止受到风轮和塔筒的影响，风速仪安装在机舱后上方的机舱罩上。根据测量结果．偏航系统旋转机舱，使风轮最佳对风。风向标装有防雷装置。

(12)玻璃钢罩

轮毂和机舱有玻璃钢罩，可保护设备部件不受气候影响，并起到降低噪声排放和增强空气动力的作用。玻璃钢罩装有笼式防雷装置。

(13)塔筒

有两种类型的塔筒:一种是筒形钢制塔筒，一种是混合式塔筒。

1)筒形钢制塔筒。根据轮毂高度和风力发电机组的机型，钢制塔筒分3段或5段。各段之间，塔筒段与基础之间以及塔筒段与机舱之间为法兰接头，通过预紧螺栓连接。在每个连接法兰下方和顶部法兰下方设有安装平台。塔筒内有带保护装置的梯子、休息平台和电缆桥架。

2)混合式塔筒。混合式塔筒是包括基础和分段钢制塔筒的混凝土塔筒。混凝土塔筒段是现场混凝土施工，在外部预紧连接。塔筒内的紧固钢筋将钢制塔筒段和含基础的混凝土塔筒段连接。在塔筒内有梯子，带安全防护装置、休息平台和电缆桥架。在混凝土塔筒段和钢制塔筒段连接处下方，有一个安装平台，在那里从混凝土塔筒的梯子换到钢制塔筒的梯子。基础内还有一个地下室，那里可以测试钢筋，必要时可拉紧钢筋。

(14)防雷电系统

如果发生雷击，雷电从风轮叶片通过叶片接地装置传导到轮毂，经过齿轮箱轴到齿轮箱外壳和主机架，然后通过塔筒、塔筒接地和基础接地装置传导到地下。如果机舱外壳、轮毂外壳或风向标受到雷击，也以相同的路线传导。在风力发电机组转动部件(叶片—轮毂，齿轮箱轴—齿轮箱外壳)上安装有带碳纤维刷的不锈钢避雷齿或者不锈弹簧钢滑环装置(主机架—齿圈)，通过电压避雷器实现间接防雷保护。

(15)电气设备

风力发电机组有一台双馈感应发电机，带变频器(IGBT电压源变频器)，实现变速运行。采用双馈发电机实现变速运行，与其他方案相比有以下基本技术优势:电效率较高，谐波载荷降低。

功率输出和功率因数可以在整个功率范围内，根据外部的目标值进行逐级控制或采用一个固定值控制。发电机和变频器均装有多个温度传感器用于监测温度，还装有加热装置，防止发生冷凝。

1)控制系统包括3台可编程逻辑控制器(PLC)，彼此之间通过以太网系统通信。这些单元布置在机舱内和塔筒底部。每个单元独立负责相关的控制功能。

2)电网连接。发电机的控制动作类似于一个同步电机。变频器在转子侧有两个独立的值是可调的，也就是力矩和励磁。励磁决定产生的无功功率，力矩决定风力发电机组的总发电量。力矩根据转速进行调节。在正常工作情况下，约有80%的有功功率来自定子，约20%来自发电机的转子。因此，与全部功率通过变频器传导的同步或异步发电机的变速设备相比，此发电机产生较少的谐波载荷。

3)闪变。风力发电机组的控制方式能够实现没有突然的载荷变化。所以，闪变载荷是可以忽略的。

4)谐振。IGBT变频器的恒定切换频率约为3kHz。因此，由于切换频率高且恒定，滤波量很少，谐振比例很小(THD约小于5%)。

5)切换过程。只有在直流中间回路加载时才出现切换过程。直流中间回路的电容通过一个电阻加载。产生的电流值最大为额定电流的1%。

6)接入电网。发电机与电网实现平滑同步。同步后，力矩和功率缓慢地进行调节。