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功率 变换器
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齿轮箱
电网 P
异步发电机
图2.2 绕线式异步发电机的系统构成
2.1.3 现代风机
现代风机为了解决风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定的问题，增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等，现代风机的示意如图2.3。
图2.3现代风力发电机的系统构成
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2.2 风力发电的原理
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现代风力发电系统由风能资源、风力发电机组、控制装置及检测显示装置等组成。风力发电机组是风电系统的关键设备，通常包括风轮机、发电机、变速器及相应控制装置，用来实现能量的转换。完整的并网风力发电系统结构示意图见图2.4。
风力机控制器 ref ref 风速模型 V 风力机 ωN PW 传动部分 ωO 变频器 发电机与换流器控制 电网 T,PWW 发电机 PC 变频器 P 变压器
图2.4 风力发电系统结构示意图
其中，风轮机理想运行功率输出曲线见图2.5。
图2.5 风轮机理想运行功率输出曲线
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图2.6 恒速恒频发电方式与变速恒频发电方式运行功率曲线比较
长期以来风力发电系统主要采用恒速恒频发电方式(Constant Speed Constant Frequency简称CSCF)和变速恒频发电方式(Variable Speed Constant Frequency简称VSCF)两种。恒速恒频发电方式，概念模型通常为“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速或主动失速调节实现功率控制。在正常运行时，风力机保持恒速运行，转速由发电机的极数和齿轮箱决定。由于风速经常变化，功率系数C不可能保持在最佳值，不能最大限度地捕获风能，效率低。
变速恒频发电方式，概念模型通常为“变速风力机+变速发电机(双馈异步发电机或低速永磁同步发电机)”，采用变桨距结构，启动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后，在额定风速以下，调节发电机反转矩使转速跟随风速变化以保持最佳叶尖速比从而获得最大风能；在额定转速以上，采用变速与桨叶节距的双重调节限制风力机获取的能量以保证发电机功率输出的稳定性。前者结构简单、运行可靠，但其发电效率较低，而且由于机械承受应力较大，相应的装置成本较高。后者可以实现不同风速下高效发电从而使得系统的机械应力和装置成本都大大降低。两者运行功率曲线比较如图2.5、2.6所示。可以看出，采用变速恒频发电方式，能在风速变化的情况下实时调节风力机转速，使之始终在最佳转速上运行，捕获最大风能。
2.3 风力发电机系统组成部分简介
现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变成机械转距，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的
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定子电能并入电网；如果超过了发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。由于风力不可控而且不稳定，一般的小型风力发电机产生电能以后先向蓄电瓶充电，转化为化学能，然后由逆变电源向外输出稳定的电压。
与传统的恒速恒频风力发电系统相比，采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等但无论哪种结构形式，风力发电机系统基本包括以下几个组成部分：风力机桨叶系统，齿轮箱系统，发电机系统，控制系统，偏航系统，刹车系统等。
图2.7风力发电机组结构总图
2.3.1 风力机桨叶系统
风轮是吸收风能并将其转换成机械能的部件，风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变为机械能，进而通过增速器驱动发电机。
对于定桨距系统，其桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之改变。这一特点，给定桨距风力发电机组提出了两个必须要解决的问题，一是当风速高于风轮额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。称桨叶的这一特性为自动失速性能。二是运行
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中的风力发电机组在突然失去电网的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。为解决这样的问题，制造商家通过改善叶轮的制造材料，采用加强玻璃塑料、碳纤维强化塑料、钢和铝合成。另外在桨叶尖部安装叶尖扰流器，在需要制动时打开。由于叶尖部分处于距离轴的最远点，整个叶片作为一个长的杠杆，扰流器产生的气动阻力相当高，足以使风力机在几乎没有任何磨损的情况下迅速减速，这一过程即是桨叶空气动力刹车。
对于变桨距系统，叶片用可转动的轴安装在轮毂上，轮毂上安装的几个叶片可同步转动以改变叶片的安装角，即同步改变叶片的迎角以满足不同的风速条件下风力发电机得到最大功率。
随着风力机单机容量的不断增加，风力机发电效率和可靠性的不断改善，大中型风力机的叶片材料逐渐由玻璃纤维增强树脂发展为强度高、质量轻的碳纤维。 2.3.2 风力机齿轮箱系统
由于风轮转速与发电机转速之间的巨大差距，增速齿轮箱成为风力发电机组中的一个必不可少的部件。增速箱的低速轴接桨叶，高速轴联接发电机（直驱式风力发电机则没有齿轮箱机构）。齿轮箱系统的特点是：
（1）低速轴采用行星架浮动，高速轴采用斜齿轮（螺旋齿轮）浮动，这种两级或者三级的复合齿轮形式，使结构简化而紧凑，同时均载效果好。
（2）输入轴的强度高、刚性大、加大支承，可承受大的径向力、轴向力和传递大的转矩，以适应风力发电的要求。在大型风力发电机中，发电机的极数愈多，增速箱的传动比就可以越小。国外一般采用2-4极的发电机。
风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达20年之久，因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。在齿轮箱的使用中，应根据使用地点的不同添加润滑油冷却或加温机构，以确保齿轮箱的润滑，增加其使用寿命。
与传统的风力发电机系统相比，直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，提高了风力发电机组的可靠性和利用率，降低了制造和维护成本，减小了机械效率损失，提高了运行效率。开发直驱式风力发电机组是我国日后风力发电机制造的趋势之一。 2.3.3 发电机系统
现今，风力发电机的单机容量越来越大。风力发电机所用的发电机一般采用异步发电机，对于定桨距风力发电机组，一般还采用单绕组双速异步发电机，这一方案不仅解决了低功率时发电机的效率问题，而且还改善了低风速时的叶尖速比。由于绕线式异步