1 概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是主要用于把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型很多，根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐應(yīng)用證明，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其風(fēng)能利用效率高、控制方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般按風(fēng)輪軸安裝形式、功率控制方式、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式等進(jìn)行分類。

2.1 風(fēng)輪軸安裝形式

按照風(fēng)輪軸安裝形式可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。

（1）水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸線與風(fēng)向平行。水平軸風(fēng)力機(jī)必須具有對(duì)風(fēng)裝置，跟隨風(fēng)向的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，以便吸收來(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)能。對(duì)于小型風(fēng)力機(jī)，這種對(duì)風(fēng)裝置常采用尾舵，而對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)，則利用風(fēng)向傳感器測(cè)量風(fēng)向，經(jīng)微處理器調(diào)整后控制偏航系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)風(fēng)。

水平軸風(fēng)力機(jī)按照風(fēng)輪相對(duì)于塔架的位置可分為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)和下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。風(fēng)輪位于塔架前面的為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪位于塔架后面的為下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。目前風(fēng)電場(chǎng)采用并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多為上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)。

（2）垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于地面或氣流方向。垂直軸風(fēng)力機(jī)能吸收來(lái)自各個(gè)方向的風(fēng)能，無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置，這是相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，并且傳動(dòng)裝置和發(fā)電設(shè)備均安裝在地面，便于維護(hù)；但是受葉片制造工藝的限制及拉線式塔架占用大量土地面積等因素，垂直軸風(fēng)力機(jī)一直未得到發(fā)展。

2.2 功率控制方式

按照功率控制方式可分為定槳距風(fēng)力機(jī)、變槳距風(fēng)力機(jī)和主動(dòng)失速風(fēng)力機(jī)。

（1）定槳距風(fēng)力機(jī)葉片與輪轂固定連接。在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速恒定的條件下，風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，隨著葉片攻角的增加，氣流與葉片表面分離，葉片將處于失速狀態(tài)，葉片吸收的風(fēng)能不但不會(huì)增加，反而有所下降，以確保風(fēng)輪輸出功率在額定范圍以內(nèi)。

定槳距風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要變槳機(jī)構(gòu)，同時(shí)控制系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單。

但風(fēng)輪吸收風(fēng)能的效率較低，特別在風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，由于葉片的失速作用，輸出功率還會(huì)有所下降；機(jī)組承受的載荷大；機(jī)組重量比同類型變槳距風(fēng)力機(jī)重。

（2）變槳距風(fēng)力機(jī)葉片與輪轂通過(guò)變槳軸承連接，可以通過(guò)變槳系統(tǒng)控制葉片的安裝角。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，保證葉片在最佳攻角狀態(tài)，以獲得最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)減小葉片的攻角，保證輸出功率在額定范圍內(nèi)。

變槳距風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要增加變槳軸承和一套變槳驅(qū)動(dòng)裝置，同時(shí)控制系統(tǒng)也變得很復(fù)雜。然而變槳距風(fēng)力機(jī)能夠獲得較好的性能，機(jī)組出力比相同容量相同風(fēng)輪的風(fēng)力機(jī)高；風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后葉片承受的載荷較小，機(jī)組重量比同類型定槳距風(fēng)力機(jī)輕。

（3）主動(dòng)失速風(fēng)力機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)與變槳距風(fēng)力機(jī)相似，葉片與輪轂通過(guò)變槳軸承連接，可以通過(guò)變槳系統(tǒng)控制葉片的安裝角。但控制上有所差別，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速分幾級(jí)控制葉片的安裝角，控制精度低于變槳距控制，并且無(wú)須復(fù)雜的伺服或比例控制系統(tǒng)；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)增加葉片攻角，使葉片產(chǎn)生失速，限制風(fēng)輪吸收功率的增加，這一點(diǎn)與定槳距風(fēng)力機(jī)的失速調(diào)節(jié)相類似，因此稱為主動(dòng)失速。

主動(dòng)失速風(fēng)力機(jī)兼有定槳距風(fēng)力機(jī)和變槳距風(fēng)力機(jī)兩者優(yōu)點(diǎn)的變槳機(jī)構(gòu)，保持風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速后平直的功率曲線，控制系統(tǒng)較變槳距風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)單，是介于定槳距和變槳距風(fēng)力機(jī)之間的一種風(fēng)力機(jī)。

2.3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式

按照風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式可分為恒速風(fēng)力機(jī)和變速風(fēng)力機(jī)。

（1）恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)直接連接到電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率基本保持同步，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持恒定不變，包括使用雙速發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)也屬于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

（2）變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)通過(guò)變頻器連接到電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不需要與電網(wǎng)頻率同步，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)變頻器輸送到電網(wǎng)。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

通過(guò)變速調(diào)節(jié)，能使葉尖尖速比更接近最佳葉尖速比，獲取更多的風(fēng)能。通過(guò)變速控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)的柔性連接，可以減少陣風(fēng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響，將陣風(fēng)時(shí)風(fēng)輪捕捉的風(fēng)能貯存為傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能，減少傳動(dòng)系統(tǒng)的交變沖擊載荷，提高輸出功率的穩(wěn)定性。同時(shí)又可減少變槳機(jī)構(gòu)的調(diào)整，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)變速控制，可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在恒扭矩狀態(tài)，減小主傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載。

2.4 主傳功驅(qū)動(dòng)方式

按照主傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式可分為齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)。

（1）齒輪箱驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力機(jī)選用高速發(fā)電機(jī)，通過(guò)齒輪箱的傳動(dòng)將葉輪的低轉(zhuǎn)速提高到和發(fā)電機(jī)匹配的轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

（2）直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力機(jī)采用多級(jí)發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪軸直接與發(fā)電機(jī)連接，不需要齒輪箱增速傳動(dòng)。采用多級(jí)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的級(jí)數(shù)很多，直徑也較大。由于大型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速很低，即使采用多級(jí)發(fā)電機(jī)，其輸出頻率也遠(yuǎn)低于電網(wǎng)頻率，因此必須采用大功率變頻器與電網(wǎng)連接。