双馈风电机组（有齿轮箱型）介绍

目前市场上主要机型为金风科技直驱永磁风机，明阳科技半直驱发电机，远景能源以及其他厂家的双馈异步发电机，不管是双馈异步发电机还是直驱永磁发电机都属于变速恒频系统采用变桨距的方式，无论风力变大变小，都充分利用风能，通过电力电子装置进行恒频，避免频率波动。双馈感应发电机由定子绕组直连定频三相电网的绕线型感应发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。

我国调管层级分为五级：一级国调、二级分调（如西北分调）、三级省调、四级地调、五级（发电厂、大用户、铁路等）

国调会将每日发电量报到国务院，每日发电量会在早上放到国务院总理办公桌上。

新能源场站设备调管范围（只涉及省调、地调）：

（1）省调直调设备：所有光伏发电单元、风机。

（2）省调许可设备：35kV（10kV）母线、集电线路及其开关、无功补偿装置及其开关。

（3）地调直调设备：110kV母线、主变及其各侧开关、并网送出线路及其开关。

（4）场站自行调管设备：除上述设备以外的设备。

风机倒塔事故基本为风速不稳定，突然风速急剧上升导致刹车不及时，沙漠中的沙子固化技术国内也是遥遥领先，而地基不牢或者地基长时间泡水而倒塔的事故并不多。

电站理论发电功率：指在当前风光资源情况下站内所有逆变器或风机均可正常运行时能够发出的功率；

可用发电功率：指在当前风光资源情况下考虑站内设备故障、缺陷或检修等原因引起受阻后能够发出的功率。

受阻电力分为站内受阻电力和站外受阻电力两部分：

站内受阻电力指电站理论发电功率与可用发电功率之差；

站外受阻电力指电站可用发电功率与实发功率之差。

网侧限功率通过AGC给场站主控系统下达指令，风机通过变桨调节减少有功功率，当风速在10~20m/s时，即额定风速小于切出风速时，风力发电机组为了达到相对恒定的额定输出功率，需变换桨叶角已获取恒定风能，使发电机转速保持相对恒定。变桨系统根据风力发电机组主控器指令，完成控制驱动桨叶变换到设定角度的任务。

风电厂SCADA系统：在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，即我们所知的“四遥”功能。RTU (远程终端单元)，FTU (馈线终端单元)是它的重要组成部分。SCADA (SupervisoryControl And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，涉及到组态软件、数据传输链路。

风电厂NCS系统：电网计算机监控系统(简称NCS)，发电厂电气控制系统，根据电厂的运行逻辑，通过电厂的运行逻辑来实现对各种执行元件的控制。这是一个全面的系统。准确采集各种数据，正确发出控制指令的基本功能，关键是对各种数据的分析判断。

双馈式风力发电机组变速恒频系统 :交流励磁双馈式异步风力发电机组，简称双馈式风力发电机组，发电机采用转子交流励磁双馈异步发申机，结构与绕线转子异步发电机类似。所谓“双馈式”是指发电机的定子绕组和转子绕组与电网都有电气连接，都可以与电网交换功率。当转子速度随风速变化时，控制转子电流的频率f，即f1=f+f2 就可使定子频率始终与电网频率保持一致。由于变频器在转子侧，只需要一部分功率容量 (发电机额定功率的1/3或1/4)，变频器就能在超载范围内调节系统。因此相对于前两种变速恒频系统而言，降低了变频器的成本和控制难度。定子直接接于电网，抗干扰性好，系统稳定性强，还可以灵活控制有功功率和无功功率，十分适用于大中容量风力发电。

特点：双馈电机的定子接50 Hz工频电网，转子接自动调节频率的交流电源。随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈电机在电动工况或发电工况下运行，转速都可以调节变化，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可以调节电网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。

伯努利原理，风从叶片的凸面通过时，速度较快，压力较小;风从叶片的凹面通过时，速度较慢，压力较大。这样就形成了一个压力差，推动叶片向低压方向旋转，这就是使叶片转动的升力，决定了叶片旋转的速度。风以速度V吹向风轮时，风轮转动。设旋转着的风轮其扫掠面积为A，空气密度为，Pw是理论计算的总风能，P是叶轮接收到的实际风能，Cp是风能利用率，因为风在经过叶片后总还有速度，Cp不可能降到零，所以会有一个最大值，为0.59，这被称为贝兹极限(Betz's limit),在1 s中内流向风轮的空气所具有的动能为

风轮功率与风轮直径的平方成正比

风轮功率与风速的立方成正比

风轮功率与风轮功率系数成正比

一、风机结构

发电机：风电机组采用双馈异步滑环发电机，主要组成部分有：定子、转子、加热器、抗磨滚珠轴承、冷却和通风系统、滑环室、速度编码器、温度传感器、端子接线盒等。

冷却系统：齿轮箱、发电机、变频柜的冷却系统都是独立的，温度的监控包括齿轮箱轴承、齿轮箱油、发电机线圈、发电机轴承，各个温度监测点都受控制系统的实时监控，多余的热量通过热交换系统和空气循环系统排除到机舱外。 齿轮箱：采用空-油冷却方式；发电机：也采用空气冷却系统；变频器：主要使用的REE变频器采用空气冷却方式。

机舱：由机座和机舱罩组成，机座上安装各主要装置。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有通风装置等，底部与塔架相连。主要装置由传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统组成。 

风轮：获得风中能量的关键部分，由叶片和轮毂组成。

传动部分：①、动力传动系统由如下部件组成：主轴、齿轮箱、联轴器、主轴轴承、刹车盘、弹性支承；  ②、主轴是连接叶片和齿轮箱的传动机构，用来支撑轮毂及叶片并传递转矩到齿轮箱；③、联轴器，主要用于轴与轴之间的联接，并传递转矩。用联轴器联接的两根轴，只有在停机刹车后，经过拆卸才能将之分离； ④、齿轮箱，是一个重要的机械部件，其主要作用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。由于风轮的转速低而发电机转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴与高速的发电机之间接一个增速器。对于低极对数发电机都是通过齿轮箱的增速作用来实现。发电机转速与风轮转速的比就是齿轮箱。

制动系统：变桨系统是机组的主要制动机构，除了变桨系统以外还有偏航制动、高速轴制动。

偏航系统主要由偏航轴承、偏航电机、偏航编码器、偏航制动器等组成。其主要作用有三个： 一是与风力发电机组的控制系统相配合，调节整个机舱的对风向位置，根据风速仪和风标仪的传感检测，自动使风轮对准风向，以提高风力发电机组的发电效率；二是自动偏航过程中提供必要的周向阻尼力矩，以保证风力发电机组的安全运行。（对风过程的平稳、防止竖直方向的运动）；三是为机组在扭缆达到限值时进行解缆，保护电缆不被扭断。

 液压站系统有两个主控制回路：转子制动回路和偏航刹车回路。系统正常工作压力范围在155～170（140～160）bar之间，系统压力由电机泵组作为动力单元提供并由压力传感器来加以精确显示，动力源的断合利用压力传感器和电气联动控制来实现。

塔架：是支撑风力发电机的支架。发电机的动力电缆，控制、通信电缆都在其中。塔架内有一个梯子从塔架底部延伸至机舱，塔架内有多个中间平台用于检修。梯子装有防跌落的安全装置塔架下端安装在地面，需做钢筋混凝土结构的基础，周围有防雷击接地系统。

防雷系统：风机是高于100m的建筑物，由合成材料制造的叶片和机舱决定了其不能经受直接的雷电或者传导闪电电流；叶片和机舱得转动增加了风机防雷保护的难度；风机部件也可以将雷电流传导到地面。以上说明风机的防雷保护系统有一定的特殊性，高层建筑物的防雷保护经验已经不适用。对于直接雷击通过在叶片内部和机舱顶部安装接受体和导体装置，通过叶片轴承、主轴、齿轮箱和偏航轴承的放电装置，以及机架、塔筒将雷电流传导到大地，达到释放雷电流的目的。

二、主控系统

主控系统分为塔基控制柜和机舱控制柜。主控制器 PLC 安装于塔基柜内，通过光纤与机舱柜进行通讯；控制柜内都装有功能扩展模块对控制信号进行采集、处理；安装有各种断路器、浪涌保护器用于对内外设备进行过电压、过电流和防雷保护；配备有 UPS 不间断电源，在电网掉电时保证主控制器能够至少正常运行一个小时。

安全链独立于 PLC 的 CPU 运行，当 CPU 出现故障时，安全系统保证机组在极端情况下的顺利停机。

控制策略

（1）根据风速的变化，风轮可以在限定的任何转速下运行。

（2）在额定功率以下，浆叶调到0°，最大限度地获取能量。

（3）可靠、快速地变频调节发电机功率及功率因素。

（4）三浆叶独立的变浆传动控制单元。

（5）完善的制动偏航功能。

风力发电机组的控制系统通过协调变桨系统、变频器系统、发电机、传动链等所有风机部件的动作，从而控制风力发电机组在各种模式下自动运行，机组共有 21 种不同的运行模式。

风力发电机组的安全系统由安全链组成，其优先级大于安全系统中的计算机，在安全链中，传感器断路触点以串联方式连接，安全链包含的触点有： 1) 塔基急停； 2) 机舱急停；3) 轮毂急停；(不再启用) 4) 风轮超速； 5) 扭缆保护； 6) 振动超限； 7) PLC 监视。 

如果触发上述安全触点任一个或多个，安全链都会断开。当安全链断开时，首先触发空气动力学制动，即叶片顺桨，待发电机转速小于 100rpm 时，触发机械制动，使风轮保持静止状态，同时会切断部分DO输出，以此保证风力发电机组的安全。当安全链故障后恢复时，必须手动复位，不能进行远程复位。

三、双馈机组变流器

变流器是使电力系统的电压 、频率、相位及其他电量或特性发生变化的电气控制设备包括整流器(交流变直流)、逆变器 (直流变交流)、变频器。变流器是风力发电机组控制系统中的主要组成部分。除主电路(分别为整流电路、逆变电路和斩波电路) 外，还有控制功率开关元件通断的触发电路和实现对电能的调节、控制的控制电路。风电场风力发电机组采用的是变速恒频控制，变流器可将机组发出的电能变换成与电网的电压和频率相同的电能。

双馈机组用变流器具备功率双向流动功能，其功率通常为机组额定功率的 1/3。网侧采用的是PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)整流技术，保持母线电压恒定。转子侧变换器控制对象为双馈发电机，控制发电机定子电量的频率、幅值、相位、有功和无功功率，实现机组顺利并网（多台风机同频同幅值同相位并网）。

双馈型风力发电机组变流器在双馈发电机的转子侧施加三相交流电进行励磁，通过变流器控制器对逆变电路小功率器件的控制，调节励磁电流的幅值、频率和相位，可以改变双馈型发电机转子励磁电流的幅值、频率和相位，实现定子侧输出恒频恒压。通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率;通过控制励磁电流的频率可以调节发电机的有功功率;通过变桨距控制与发电机励磁电流控制相结合，可按最佳运行方式调节发电机的转速。既提高机组效率，又对电网起到稳频稳压的作用，而且提高了发电质量。使用功率为发电机额定功率 30%左右的电力电子变频器，即可控制整个机组的输出功率。

转子这边是起到对定子功率的调整作用，使用背靠背的IGBT进行交直交变换，按照运行要求调节转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位，使机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。通过注入变流器的转子电流，变流器对机械频率和电频率之差进行补偿。在正常运行和故障期间，发电机的运转状态由变流器及其控制器管理。变流器由两部分组成: 转子侧变流器和电网侧变流器，它们是彼此独立控制的。电力电子变流器的主要原理是转子侧变流器通过控制转子电流分量控制有功功率和无功功率，而电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在统一功率因数(即零无功功率)。

由于风能的波动使发电机转速不断变化，经常在同步转速附近上下波动，就要求转子励磁变频器不仅具有良好的输入输出特性，要有能量双向流动的能力，是四象限双 PWM 背靠背变频器。在发电机亚同步转速运行时，变频器向转子绕组馈入交流励磁电流，同步转速运行时变频器向转子绕组馈入直流励磁电流，而在超同步转速运行时转子绕组输出交流电通过变频器馈入电网。电能是馈入转子还是从转子提取，取决于传动链的运行条件。

在超同步状态，电能从转子通过变流器馈入电网;（转子转速＞1500转，转子向电网馈能）

在欠同步状态，电能反方向传送。（转子侧变流器向电网吸收电能，然后调节励磁电流频率，达到恒频效果）

在两种情况( 超同步和欠同步)下,定子都向电网馈电。

双馈机组用变流器主要功能是:

(1)根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，在指定的速度范围内将发电机与电网同步。

(2)调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，即变速恒频运动，可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。

(3)调节励磁电流的有功分量和无功分量，独立调节发电机的有功功率和无功功率这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。

(4)在电网故障时，能提供低电压穿越功能（重要指标，现在风机必须具备此能力）

注：低电压穿越:当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。要实现风电机组的低电压穿越，其关键是风电机组变流器保护和主控及桨距角控制的配合。实现双馈式变速风电机组低电压穿越能力的常用技术有两种:一是在机组转子与变流器之间增加一个旁路电路，故障时投入旁路电路将转子侧变流器短路，保证变流器避开过电流的冲击，从而起到保护作用;二是在两个变流器之间的直流环节加入能量泄放模块，当检测到直流电压过高则触发该模块以泄放多余的不平衡能量。高电压穿越：指当电压超过额定电压某一值时，挂网设备能够不脱网运行，并提供相应的故障恢复电流。

四、变桨系统

    1、变桨控制系统是风力发电机组的核心部分之一，安装在风力发电机组的轮毂内，用于对风机叶片的定位和控制，起风开桨，制动闭桨增加阻力

    2、变桨系统包含 1 个中控箱和 3 个轴控箱，每个轴箱连接 1 台电机、2 个限位开关和 2 个编码器。

（1）中控箱

中控箱配备了雷电保护、主开关、电源滤波器、断路器等器件，主要功能为连接外部电源、分配电源至三个轴控箱，执行变桨系统和风机主控之间的通讯工作

（2）轴控箱 

轴控箱主要包括电源管理单元（PMM），轴控制单元（PMC），电池单元（PBS），如图  所示。电源管理单元确保电力供应和备用电池的充电管理，是变桨系统的核心部件。轴控制单元控制变桨驱动电机。电池单元可以保证当电网掉电时系统能正常工作。

（3）变桨电机

变桨系统通过变桨电机驱动变桨减速机带动桨叶旋转，实现变桨距的目的。机组根据不同的环境工况，可选用直流变桨电机或交流变桨电机，如图所示，该变桨电机是一个三相交流感应电机。变桨电机具有独立散热风扇，能够自动调节电机温度；具有电热调节器，达到电机线圈过热保护；在电机停止运行期间根据需要进行加热，并能在低温环境-30℃（低温型）或-10℃（常温型）下能够启动运行。

（4）限位开关

限位开关用于控制桨叶运行的行程及限位保护，当桨叶运行到相应角度时就会触碰限位开关，此时桨叶处于顺桨位置。限位开关包括 91°限位开关（一级限位开关）和100°(95 ° )限位开关（二级限位开关）

（5）编码器 

编码器包括安装在变桨电机尾部的电机编码器A和安装在变桨轴承处的桨叶编码器B，电机编码器直接测量变桨电机转速，桨叶编码器是用来测量风机叶片的转速，变桨转速信息将通过编码器反馈回系统中。

五、偏航系统

风力发电机组的偏航系统主要由偏航轴承、偏航驱动器、偏航制动器以及润滑泵、相关传感器等辅助设备组成。

作用：一是与风力发电机组的控制系统相配合，调节整个机舱的对风向位置，根据风速仪和风标仪的传感检测，自动使风轮对准风向，以提高风力发电机组的发电效率；其二是自动偏航过程中提供必要的周向阻尼力矩，以保证风力发电机组的安全运行。（对风过程的平稳、防止竖直方向的运动），其三是为机组在扭缆达到限值时进行解缆，保护电缆不被扭断；

1、偏航轴承

偏航电机下面有一个小齿轮与大齿轮啮合（偏航轴承），由偏航电机驱动。偏航轴承承载机组中主要部件的重量，并传递气动推力到塔架，轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合。风向总是变化的，为了捕获最大的风能，必须每隔一段时间计算一次风向偏差，如果超过范围，就要偏航对风。

2、偏航驱动器

驱动装置由驱动电动机、减速器、传动齿轮、齿轮间隙调整机构等组成。偏航驱动装置要求起动平稳，转速均无振动现象 。

3、偏航制动器

偏航液压刹车，用于偏航对风后固定机舱位置。安装在机座偏航制动块上液压驱动，封闭式设计;通过卡钳给制动盘一个制动力矩，以达到阻止制动盘转动的目的。

4、风向仪、风速仪

六、传动系统

1、传动系统是风力发电机最重要的系统之一，它将叶轮系统低速旋转的机械能经过齿轮

箱加速传给发电机转变为电能，提供给电网。主要组成零部件有：主轴组件、齿轮箱、高

速轴联轴器、发电机。

2、在进行维护和检修前必须注意：

    ◆如果环境温度低于-20℃，不得进行维护和检修工作。低温型风力发电机,如果环

    境温度低于-30℃，不得进行维护和检修工作。

    ◆如果超过下述的任何一个限定，必须立即停止工作，不得进行风轮的维护和检修:

    （1）叶片位于工作位置和顺桨位置之间的任何位置：

    ①5分钟平均值(平均风速) 10m/s

    ②5秒平均值 (阵风速度)19m/s

    （2）叶片位于顺桨位置(当叶轮锁定装置启动时不允许变桨)：

    ①5分钟平均值(平均风速) 18m/s

    ②5秒平均值 (阵风速度) 27m/s

3、重要提示：

    （1）对传动系统进行任何维护和检修，必须首先使风力发电机组停转，高速轴制动器处

    于制动状态并用主轴锁定装置锁定风轮后方可进行检修。

    （2）如特殊情况，需在风力发电机处于工作状态或传动系统转动状态下进行维护和检修

    时（如检查齿轮箱轮齿啮合、电机噪音、振动等状态时），必须确保有人守在紧急开关旁，

    可随时按下开关，使系统停机。

   （3）更换的废油脂必须统一回收处理，避免污染环境。