1.2 风力发电机组

1.2.1 风力发电机组的分类

根据风力发电机组能否变桨和变速运行，可将其分为定桨定速和变桨变速两大类。

变桨变速型风力发电机组按变桨执行机构的动力形式又可分为电动和液压变桨控制；按采用的发电机类型主要可分双馈异步发电机和永磁同步发电机；按传动方式又可分为齿轮增速和直驱（半直驱）式。

定桨定速型风力发电机和采用双馈发电机的风力发电机，由于其额定转速较高，必须要采用齿轮箱来增速，而永磁同步发电机可采用多极化设计，发电机转速可低至十几转，因而可采用直驱式。

风力发电机组分类除了可以按上述情况分类外，还可以根据不同情况分为以下几类（见图1-12）。

（1）按风力发电机组的额定功率分类

1）微型风力发电机组：额定功率为50～1000W；

2）小型风力发电机组：额定功率为1～10kW；

3）中型风力发电机组：额定功率为10～100kW；

4）大型风力发电机组：额定功率大于100kW。

（2）根据风力发电机容量分类

1）小型风力发电机组：容量小于60kW；

2）中型风力发电机组：容量60～600kW；

3）大型风力发电机组：容量为600～1000kW（1MW）；

4）巨型风力发电机组：容量大于1000kW。

单机容量越大，桨叶越长。2MW风力发电机组叶片的直径已经达到72m，最长的叶片已经达到50m长且随着机组容量的增加会更长。风力发电机组的额定容量与风轮旋转直径见表1-1。

（3）按照风力发电机组主轴的方向分类 可以分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组；按风轮转速的快慢划分，水平轴风力发电机组又可分为高速风力发电机组和低速风力发电机组；按照风轮与塔架相对位置的不同划分，水平轴风力发电机组又可分为逆风式风力发电机组和顺风式风力发电机组；根据动力学，垂直轴风力发电机组又可划分为阻力型风力发电机组和升力型风力发电机组。

（4）根据桨叶接受风能的功率调节方式分类 可划分为定桨距（被动失速型）风力发电机组和变桨距风力发电机组及主动失速风力发电机组。

（5）根据叶轮转速是否恒定分类 可分为恒速风力发电机组、变速风力发电机组及多态定速风力发电机组。

（6）按风力发电机组的运行方式分类 可以划分为独立运行风力发电机组、并网运行风力发电机组及风力互补运行发电机组。

（7）按传动形式分类 可划分为高传动比齿轮箱型和直接驱动型及上述两种类型的综合半直驱型。

（8）按风力发电机组型式分类 可分为笼型异步发电机组、双馈异步发电机组和永磁型同步发电机组。

（9）按照塔架分类 分为桁架式风力发电机组和塔筒式风力发电机组。

（10）根据风力发电机组所在地理位置分类 可划分为陆地风力发电机组和海上风力发电机组等。

1.2.2 风力发电机组的工作原理及特点

1.定桨定速型风力发电机组

定桨定速型风力发电机组的主要特点是桨叶与轮毂是固定的，当风速变化时，桨叶的角度不会随风的方向变化而变化。叶片经过特殊的设计，可以依靠其气动特性保持叶轮转速相对不变。当风速高于风轮的额定风速时，叶片会通过自动失速将功率限制在额定值附近，防止转速过快造成过载，所以又称失速式风力发电机组。

定桨定速型风力发电机组主要由塔架、轮毂、桨叶、主轴、齿轮箱、发电机、偏航系统、液压系统及电气控制等组成。桨叶与齿轮增速箱通过主轴联接，发电机采用笼型异步发电机。为了提高发电机的效率，多采用双绕组发电机，控制系统根据不同的风速切换大/小发电机，低风速时切入小发电机，高风速时大发电机工作。为了减小风力发电机并网时对电网的冲击，定桨定速型风力发电机采用晶闸管软并网，再由并网开关（或接触器）旁路晶闸管，将并网冲击减小到最低程度。大多数失速式风力发电机因起动困难而设计有电动机起动程序，起动程序由小发电机执行。为保证风力发电机在突然失电情况下的制动能力，定桨距风力发电机的叶片安装有叶尖扰流器，在紧急情况下，叶尖扰流器释放并旋转90°形成阻尼板，对风力发电机进行空气动力制动，低速或高速轴上的盘式制动器与扰流器配合保证机组可靠制动。由于发电机采用笼型异步发电机，风力发电机在并网状态时，需从电网吸收大量的无功电流用于励磁，因而功率因数较低，必须配置一定数量的移相电容器进行补偿。

2.变桨变速型风力发电机组

变桨变速型风力发电机组的典型代表是Vestas公司生产的V80/V90-1.8MW机组。变桨变速型的特点是桨叶与轮毂之间通过轴承相连，变桨是指整个叶片围绕中心轴旋转，使叶片攻角可以沿轴向在0°～90°的范围内变化，从而使输出功率不超过容许值。变速是指发电机转速随风速的变化而变化，输出频率由变频装置来恒定。变桨变速型风力发电机一般以1MW以上的居多，是目前的主流产品。

（1）变桨距控制 变桨距控制主要有两个作用：一是在高于额定风速的情况下通过增大桨距角改变气流对叶片的攻角，将输出功率稳定在额定功率下，保证功率曲线的平滑，防止风力发电机过载；二是当发电机与电网脱网时，可以进行空气动力制动，配合高速轴制动器对风力发电机叶轮快速制动。

风力发电机变桨执行机构的动力形式可分为两种：电-液伺服变桨和电动伺服变桨。

1）电-液伺服变桨俗称液压变桨，液压执行机构具有单位体积小、重量轻，动态响应好、转矩大、不需要变速机构且技术成熟等优点。

2）电动伺服变桨俗称电动变桨，电动执行机构具有适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄漏、无污染、维护方便等优点。随着电动机、变频和控制技术的发展，电动变桨近年来得到了广泛的应用，国内绝大多数的风力发电机组企业采用了电动变桨技术。

（2）采用双馈异步发电机的风力发电机组 双馈型风力发电机组由塔架、轮毂、桨叶、主轴、增速齿轮箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。某些机型采用无主轴结构，叶轮直接耦合在齿轮箱上。双馈型风力发电机组变频系统基本上采用交-直-交电压型。双馈异步发电机由变频装置为其提供交流励磁，不仅可以调节励磁电流的幅值，还可以改变励磁电流的频率和相位。调节励磁电流的频率，保证风力发电机组在变速运行的情况下发出恒定频率的电能；改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的，因而机组的功率因数本身是可调的，不需要另外增加功率因数补偿装置。

双馈异步发电机的工作原理是：由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场，这个旋转磁场的转速n₁与转子由风力带动所产生的机械转速n₂相叠加，在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场，合成磁场的旋转速度等于同步转速n，即n₁+n₂=n，最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频（50Hz）电压输出到电网。当风速发生变化时，转速n₂也随之发生变化，可计算出变频器需输出转子电流频率，通过改变转子电流的频率调节旋转磁场n₁的转速，就能够补偿发电机转子转速的变化，从而保持输出到电网的频率恒定不变。

由于在变频器中仅流过转差功率，因此，变频器所需容量比较小，一般为发电机额定功率的10%～30%，变频器的损耗小，投资也相对较低，技术相对比较成熟，是当前最主流的风力发电机组类型，但其电气连接和变桨系统较为复杂。世界上大多数的风力发电机组制造企业生产双馈型风力发电机组。

（3）采用永磁同步发电机的风力发电机组 目前国内一些厂家研发生产采用永磁同步发电机的风力发电机组。由于永磁同步发电机容易实现多极化，可省去或简化齿轮增速箱的结构，实现叶轮主轴与发电机的直接耦合，不经齿轮增速而直接驱动发电机，因此，这类风力发电机组又称为直驱（半直驱）式。直驱式风力发电机组由塔架、轮毂、桨叶、发电机、变频器、偏航系统、液压系统及电气控制等组成。

直驱式风力发电机组采用低速永磁同步发电机。低速永磁同步电机设计的极对数p为40～80对，因此，发电机额定转速可低至每分钟十几到20转左右。由于风轮转速随着风速变化，发电机发出电能的频率是波动的，而永磁同步电机没有转子绕组，所以不能采用类似于双馈电机转子的变频装置来稳定输出频率。解决的方法是采用全功率变频器，即首先将永磁同步发电机输出的频率不稳定的交流电进行整流，然后通过逆变器逆变，输出恒定频率的电能。这就要求变频器的功率大于等于发电机的额定功率，也就是说，1.5MW的风力发电机组的变频器容量将不能小于1.5MW。得益于变频器价格的下降，目前全功率变频器成本能够得到有效控制。国内金风科技生产的1.2MW、1.5MW机型，湘电股份研制的2MW机型都是采用了直驱式结构，已经实现了批量生产和安装。

3.水平轴风力发电机组

风轮轴线安装位置与水平夹角不大于15°的风力发电机组。水平轴风力发电机组的叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平面与风向垂直。叶片径向安置于风轮上，与旋转轴垂直或近似垂直。风轮叶片数目视风力发电机组用途而定，用于风力发电的风力发电机组的叶片数一般取1～3片，用于风力提水的风力发电机组叶片数一般取12～24片。水平轴风力发电机组示意图，如图1-13所示。

（1）按风轮转速划分 按风轮转速的快慢划分，水平轴风力发电机组又可分为高速风力发电机组和低速风力发电机组。

1）高速风力发电机组。叶片数较少，1～3片应用得较多，其最佳转速对应的风轮叶尖线速度为5～15倍风速。在高速运行时，高速风力发电机组有较高的风能利用系数。由于叶片数较少，在输出功率相同的条件下，高速风轮比低速风轮要轻得多，因此适用于发电。

2）低速风力发电机组。叶片数较多的风力发电机组的最佳转速较低，为高速风力发电机组的一半甚至更低，风能利用率也比高速风轮的低，通常称为低速风力发电机组。该类型机组起动力矩大，起动风速低，低速运行产生较高的转矩，因而适用于提水。

（2）按风轮与塔架的相对位置划分 按照风轮与塔架相对位置的不同划分，水平轴风力发电机组又可分为逆风式风力发电机组和顺风式风力发电机组。

1）逆风式风力发电机组。以空气流向作为参考，风轮在塔架前迎风旋转的风力发电机组为逆风式风力发电机组。需要调风装置，使风轮迎风面正对风向。

2）顺风式风力发电机组。是风轮在塔架的下风位置旋转的风力发电机组。优点：能够自动对准风向，不需要调向装置。缺点：空气流先通过塔架然后再流向风轮，会造成塔影效应，风力发电机组性能降低。

4.垂直轴风力发电机组

风轮轴线安装位置与水平面垂直的风力发电机组。在风向改变时，无需对风。在这点上，是相对水平轴风力发电机组的一大优点。其结构简化，同时也减少了风轮对风时的陀螺力。垂直轴风力发电机组如图1-14所示。

根据动力学原理，垂直轴风力发电机组又可划分为阻力型风力发电机组和升力型风力发电机组。

（1）阻力型风力发电机组 在逆风方向装有一个阻力装置，当风吹向阻力装置时推动阻力装置旋转，旋转能转化为电能，形式主要有S形。风力发电机组不能产生高于风速很多的转速；风轮转轴的输出转矩很大。常用于提供扬水、拉磨等所需动力。

S形风力发电机组由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是可在较低风速下运行，但由于风轮周围气流不对称，易产生侧向推力。

受侧向推力与安全极限应力的限制，S形风力发电机组大型化比较困难。风能利用系数也远低于高速垂直轴或水平轴风力发电机组，仅为0.15左右。在风轮尺寸、重量和成本相同的条件下，其输出功率较低，因而用于发电的经济性较差。

（2）升力型风力发电机组 风能吹过转子时对转子产生升力带动转子转动。由于升力的作用，风轮圆周速度可达风速的几十倍，达里厄型风力发电机组是水平轴风力发电机组的主要竞争者。主要形式有Φ形、H形、△形、Y形和菱形（见图1-15）等。根据叶片结构形状，可简单地归纳为直叶片和弯叶片两种。

H形风轮和Φ形风轮应用最为广泛。叶片具有翼型剖面，空气绕叶片流动而产生的合力形成转矩，因此，叶片几乎在旋转一周内的任何角度都有升力产生。达里厄型风力发电机组的最佳转速较水平轴的慢，但比S形风力发电机组快很多，其风能利用系数与水平轴风力发电机组相当。

H形风轮结构简单，但离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。直叶片借助支撑件或拉索来支撑，这些支撑产生气动阻力，降低了风力发电机组的效率。

Φ形风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，Φ形叶片比较轻，与直叶片相比可以更高的速度运行。但Φ形叶片不便采用变桨距方法来实现自起动和转速控制。对于高度和直径相同的风轮，Φ形转子比H形转子的扫掠面积要小一些。

当风速超过额定风速时，为了保证发电机的输出功率维持在额定功率附近，需要对风轮叶片吸收的气动功率进行控制。对于确定的叶片翼型，在风的作用下产生的升力和阻力主要取决于风速和攻角，在风速发生变化时，通过调整攻角可以改变叶片的升力和阻力比例，实现功率控制。

5.定桨距（被动失速型）风力发电机组

定桨距（失速型）的桨叶与轮毂的连接是固定的。叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力发电机组的功率调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。

定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠，但不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且由于阻力增大，叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大。此外，由于桨距角不能调整，没有气动制动功能，因此，定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。

6.变桨距风力发电机组

叶片和轮毂不是固定连接，叶片可绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0°～90°）调节变化。在超过额定风速时，通过增大叶片桨距角使攻角减小，改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。

变桨距风力发电机组在高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出，性能比定桨距提高很多，但因需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。目前的大型兆瓦级风力发电机组普遍采用变桨距控制技术。

7.主动失速风力发电机组

这种发动机的工作原理相当于以上两种形式的组合。利用叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到额定功率后，叶片向桨距角减小的方向转过一个角度，以增大来风攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。

主动失速风力发电机组改善了被动失速机组功率调节的不稳定性，但增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。

8.恒速风力发电机组

发电机转速恒定不变，不随风速的变化而变化。恒速风力发电机组的设计简单可靠，造价低，维护量小，可直接并网；缺点是气动效率低，结构负荷高。

9.变速风力发电机组

发电机工作转速随风速变化而变化。变速风力发电机组的优点是气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支撑结构轻；缺点是功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。目前主流大型风力发电机组基本都采用变速恒频运行方式。

10.多态定速风力发电机组

发电机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。

11.独立运行风力发电机组

风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能，再供用户使用。这种方式可供边远农村、牧区、海岛、边防哨所等电网达不到的地区使用。一般单机容量在几百瓦到几千瓦。

12.并网运行风力发电机组

在风力资源丰富地区，按一定的排列方式安装风力发电机组，称为风力发电场。发出的电能全部经变电设备送到电网。这种方式是目前风力发电的主要方式。

13.风力发电同其他发电方式互补运行

风力—柴油发电互补方式运行、风力—太阳电池发电联合运行、风力—抽水蓄能发电联合运行等方式一般需配备蓄电池，以减少因风速变化导致的发电量突然变化所造成的影响，还可节约一次能源。

14.高传动比齿轮箱型风力发电机组

这种结构的优点是极对数小，因而结构简单、体积小；缺点是传动系统结构复杂，齿轮箱设计、运行维护复杂，容易出故障。

15.直接驱动型风力发电机组

采用多级同步风力发电机组，让风轮直接带动发电机低速旋转。优点是没有齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性；缺点是发电机极对数大，体积较大，结构复杂。

16.半直驱型风力发电机组

半直驱型发电机组是上述两种类型的综合。中传动比型风力发电机组减小了传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步风力发电机组的极数，从而减少了发电机的体积。

17.笼型异步风力发电机组、双馈异步风力发电机组和永磁型同步风力发电机组

笼型异步风力发电机组的转子为笼型，结构简单可靠、易于入网；双馈异步风力发电机组的转子为绕线型，定子与电网直接连接输送电能；永磁型同步风力发电机组的转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通常是低速多极式。

18.桁架式风力发电机组和塔筒式风力发电机组

桁架式风力发电机组的桁架采用了类似电力塔的结构型式，它的风阻小、便于运输；塔筒式风力发电机组的结构刚性好，便于维护、安装和调节。

19.陆地风力发电机组和海上风力发电机组

根据风力发电机组所在的安装地理位置划分。

1.2.3 风力发电机组的主要参数及设计级别

1.主要技术参数

风力发电机组的性能和技术规格可以通过一些主要参数来反映，某1.5MW机组的主要技术参数见表1-2。

（1）风轮直径与扫掠面积 风轮直径是风轮旋转时的外圆直径，用D表示。风轮直径大小决定了风轮扫掠面积的大小以及叶片的长度，是影响机组容量大小和机组性价比的主要因素之一。

根据贝茨理论，风轮从自然风中获取的功率为

式中，S为风轮的扫掠面积，。

D增加，则其扫掠面积与D2成比例增加，其获取的风功率也相应增加。

早期的风力发电机组直径很小，额定功率也相对较低。目前大型兆瓦机组的风轮直径达到了70～80m，也有风轮直径超过100m、额定功率超过若干兆瓦的风力发电机组投入商业运行。

（2）轮毂高度 风轮高度是指风轮轮毂中心离地面的高度，是风力发电机组设计时要考虑的一个重要参数。

由于风剪切特性，离地面越高，风速越大，具有的风能也越大，因此，大型风力发电机组的发展趋势是轮毂高度越来越高。但轮毂高度增加，所需要的塔架高度也相应地增加，当塔架高度达到一定水平时，其设计、制造、运输和安装等方面都将产生新的问题，也导致风力发电机组成本相应地增加。

（3）叶片数 组成风轮的叶片个数，用B表示。选择风轮叶片数时，要考虑风力发电机组的性能和载荷、风轮和传动系统的成本、风力发电机组气动噪声及景观效果等因素。

采用不同的叶片数，对风力发电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。风轮的风能转换效率取决于风轮的功率系数。

多叶片风车的最佳叶尖速比较低，风轮转速可以很慢，也称为慢速风轮。多叶片风轮由于功率系数很低，因而很少用于现代风力发电机组。

现代水平轴风力发电机组风轮的功率系数比垂直轴风轮高，其中，三叶片风轮的功率系数最高，最大功率系数约为0.47，叶尖速比约为7；双叶片和单叶片风轮的风能转换效率略低，最大功率系数对应的叶尖速比也高于三叶片风轮。在相同风速条件下，叶片数越少，风轮最佳转速越高，因此，有时也将单叶片和双叶片风轮称为高速风轮。

三叶片风轮的性能比较好，目前，水平轴风力发电机组一般采用两叶片或三叶片风轮，其中以三叶片风轮为主。我国安装投运的大型并网风力发电机组绝大多数采用三叶片风轮。

叶片数量减少，将使风轮制造成本降低，但也会带来很多不利的因素，在选择风轮叶片数时要综合考虑。两叶片风轮上的脉动载荷大于三叶片风轮。另外，由于两叶片风轮转速高，在旋转时将产生较大的空气动力噪声，对环境产生不利影响，而且风轮转速快视觉效果也不好。

（4）转矩系数 风轮的作用是将风能转换成推动风轮旋转的机械转矩，转矩系数是衡量风轮转矩性能的重要参数，其值为功率系数除以叶尖速比。

转矩系数决定了传动系统中主轴及齿轮箱的设计。现代并网风力发电机组希望转矩系数小，以降低传动系统的设计费用。

叶片数越多，最大转矩系数值也越大，对应的叶尖速比也越小，表明起动转矩越大。

（5）风轮实度 风轮叶片总面积与风轮扫掠面积的比值即为风轮实度，常用于反映风轮的风能转换性能。

风轮的叶片数多，风轮的实度大，功率系数比较大，但功率曲线较窄，对叶尖速比的变化敏感。叶片数减小，风轮实度下降，其最大功率系数相应降低，但功率曲线也越平坦，对叶尖速比变化越不敏感。

（6）风轮转速、叶尖速比 叶尖速比为风轮叶片尖端线速度与风速之比，是描述风力发电机组风轮特性的一个重要的无量纲量。

对于特定的风轮形式，其功率系数与叶尖速比的关系曲线确定，形状如同一个山包。在某一叶尖速比值处，功率系数达到最大值，此时，风轮吸收的风能最多，对应的叶尖速比值称为最佳叶尖速比。

风力发电机组风轮的一个主要设计目标是尽可能多地吸收风能，因此，在低于额定风速的区域，希望使风轮尽可能工作在最大功率系数附近，即风轮转速与风速的比值尽可能保持在最佳叶尖速比附近。由于风速是连续不断变化的，因此，需要对风轮的转速进行控制，使之与风速变化匹配。

以表1-2所列的1.5MW风力发电机组为例，粗略估算风轮的额定转速。三叶片风轮，直径77m，额定风速12m/s。设三叶片风轮对应的最佳叶片速比约为7，风轮的额定转速约为

实际风力发电机组的风轮转速范围的确定，还要考虑其他多种因素，如所列机组的实际转速范围为11～20r/min。

风轮转速除了影响风能吸收特性以外，还对风轮的机械转矩产生影响。当风力发电机组的额定功率和风轮直径确定后，风轮转速增加，则风轮转矩减小，因而，作用在传动系统上的载荷也相应减小，并使齿轮箱的增速比降低。

（7）风轮锥角和风轮仰角 风轮锥角是叶片与风轮旋转轴相垂直的平面的夹角。风轮仰角是风轮主轴与水平面的夹角。

由于叶片为细长柔性体结构，在其旋转过程中，受风载荷和离心载荷的作用，叶片将发生弯曲变形，风轮锥角和仰角的主要作用是防止叶片在发生弯曲变形状态下，叶尖部分与塔架发生碰撞（见图1-16）。

（8）偏航角 通过风轮主轴的铅垂面与风速在水平面上的分量的夹角即为偏航角。

风力发电机组在运行过程中，根据测量的风速方向，通过偏航系统对风轮的方向进行调整，使其始终保持正面迎向来风方向，以获得最大风能吸收率。

（9）风力发电机组的基本性能 主要指其吸收和转化风能的性能，即风轮的气动性能。

功率特性是反映风力发电机组基本性能的重要指标，用风力发电机组输出功率随风速的变化曲线来表示。功率曲线直接影响风力发电机组的年发电量。

风力发电机组的功率曲线有不同风速对应的理论风功率曲线、根据贝茨理论计算的理想风轮吸收风功率曲线以及风力发电机组的实际功率曲线。其中理论风功率与风速的三次方成正比；而根据贝茨定理，理想风轮只能吸收部分风功率（极限状态下，只能吸收理论风功率的0.59倍）；实际风力发电机组的风轮不满足理想风轮条件，并且存在各种损失，其风能吸收数量低于贝茨极限。风力发电机组的发展过程，一直追求使机组的风能利用系数接近贝茨极限。

2.风力发电机组设计级别

风场条件（风况条件、地理和气候环境特点等）是风力发电机组设计和选型的主要影响因素。

在世界范围内，可用于风力发电的风场条件千差万别。国际电工委员会在其颁布的风力发电机组相关设计标准中（IEC64000-1），根据风速和湍流状态参数将水平轴风力发电机组分成若干个级别，这样就减少了风力发电机组的类型，从而可以降低风力发电机组的设计成本，增加风力发电机组的竞争力。

将风力发电机组分成4个级别，即3个标准级别（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）和1个特殊级别（S），见表1-3。

表1-3中所列数值是风轮轮毂高度处的值。风力发电机组分级标准只依据风场的平均风速v_ref和湍流强度I_ref两个主要参数。

1）v_ref为10min参考平均风速，实际风场的10min平均风速值计算为v_ave=0.2v_ref

即3个标准级别机组所适用的风场的平均风速分别为：I级机组为10m/s平均风速；Ⅱ级机组为8.5m/s平均风速；Ⅲ级机组为7.5m/s平均风速。

2）I_ref为风速在15 m/s时的湍流强度期望值。表中对每个标准机组级别都分为A、B、C 3种不同的风湍流状态，其湍流强度期望值分别为0.16、0.14和0.12，即标准机组共有9个类型。

3）为了解决一些特殊风场条件的机组设计和选用问题，在3个标准级别以外，标准还列出一个特殊级别S，具体设计参数由设计者根据实际风况条件制订。

1.2.4 风力发电机组的构成

1.2.4.1 工业风力发电机组构成

一般大型的工业风力发电机组应当有以下构成部件：

（1）机舱 机舱容纳着风力发电机组的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。

（2）转子叶片 转子叶片用于捉获风，并将风力传送到转子轴心。每个转子叶片的长度一般为几十米长，机组越大，叶片长度越长，而且被设计得很像飞机的机翼。

（3）轴心 转子轴心附着在风力发电机组的低速轴上。风力发电机组转子转速相当慢，为15～30r/min。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

（4）齿轮箱 齿轮箱左边是低速轴，用于将叶轮的转速提高至发电机的转速。

（5）高速轴及其机械闸 高速轴以1500 r/min或以上转速运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效或风力发电机维修时。

（6）发电机 通常被称为感应电机或异步发电机。在我国使用的风力发电机，电力输出通常为500kW以上。发电机与齿轮箱通常是风力发电机组的最关键部件。

（7）偏航装置 借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。

（8）电子控制器 包含1台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机组的转动，并通过网络呼叫风力发电机组操作员。

（9）液压系统 用于重置风力发电机组的空气动力闸。

（10）冷却元件 包含1个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含1个油冷却系统，用于冷却齿轮箱内的油。一些风力发电机组具有水冷发电机。

（11）塔 风力发电机组塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格子状的塔的优点在于它的价格比较便宜。

（12）风速计及风向标 用于测量风速及风向。

1.2.4.2 水平轴风力机组构成

水平轴风力发电机组还可以分为塔架与基础、风轮、偏航系统、传动系统四部分。

1.塔架与基础

塔架是风力发电机组的支撑部件，承受机组的重量、风载荷以及运行中产生的各种动载荷，并将这些载荷传递到基础上。

大型并网风力发电机组塔架高度一般超过几十米，甚至超过百米，重量约占整个机组重量的一半，成本占风力发电机组制造成本的15%～20%。由于风力发电机组的主要部件全部安装在塔架顶端，塔架一旦发生倾倒垮塌，往往造成整个机组报废。因此，塔架和基础对整个风力发电机组的安全性和经济性具有重要影响。

对塔架和基础的要求是：保证机组在所有可能出现的载荷条件下保持稳定状态，不能出现倾倒、失稳或其他问题。

（1）塔架

1）结构类型。一般有钢筋混凝土结构、桁架结构和钢筒结构3种。

①钢筋混凝土塔架。钢筋混凝土结构可以现场浇注，也可以在工厂做成预制件，然后运到现场组装。钢筋混凝土塔架的主要特点是刚度大，一阶弯曲固有频率远高于机组工作频率，因而，可以有效避免塔架共振。早期的小容量机组中曾使用过这种结构。但是，随着机组容量增加，塔架高度升高，钢混结构塔的制造难度和成本均相应增大，因此，在大型机组中很少使用。

②桁架塔架。结构与高压线塔架相似。桁架塔架的耗材少，便于运输；但需要连接的零部件多，现场施工周期较长，运行中还需要对连接部位进行定期检查。

在早期小型风力发电机组中，较多地采用这种类型塔架结构。随着塔架高度的增大，这种塔架逐渐被钢筒塔架结构取代。但是，在一些高度超过100m的大型风力发电机组塔架中，桁架结构又重新受到重视。因为在相同的高度和刚度条件下，桁架结构比钢筒结构的材料用量少，而且桁架塔的构件尺寸小，便于运输。为了减小塔架尾流的影响，下风向布置形式的风力发电机组，也多采用桁架结构塔架。

③钢筒塔架。钢筒塔架是目前大型风力发电机组主要采用的结构型式，从设计与制造、安装和维护等方面看，这种形式的塔架指标相对比较均衡。

2）塔架结构特征。风力发电机组的额定功率取决于风轮直径和塔架高度，随着风力发电机组不断向大功率方向发展，风轮直径越来越大，塔架也相应地越来越高。为了降低造价，塔架的重量往往受到控制，塔架的结构刚度相对较低。因此，细长、轻质塔架体现了风力发电机组塔架的主要结构特征。

①塔架高度。塔架高度是影响塔架设计的主要因素，塔架高度决定了塔架的类型、载荷大小、结构尺寸以及刚度和稳定性等。塔架越高，需要的材料越多，造价越高，运输、安装和维护成本也越大。因此，在进行塔架设计时，首先应对塔架高度进行优化，在此基础上，完成塔架的结构设计和校核。

塔架高度H与风轮直径D具有一定的比例关系，在风轮直径D已经确定的条件下，可按照下式初步确定塔架高度：

H=（1～1.3）D

确定塔架高度时，应考虑风力发电机组附近的地形地貌特征。同样容量的风力发电机组，在陆地和海上的塔架高度不同。陆地地表粗糙，风速随高度变化缓慢，需要较高的塔架。而海平面相对光滑，风速随高度变化大，因此，塔架高度相对较小。塔架最低高度可以按下式确定：

H=h+h_c+R

式中，h为机组附近障碍物高度；h_c为障碍物最高点到风轮扫掠面最低点距离，最小取1.5～2.0m；R为风轮半径。

②塔架刚度。刚度是结构抵抗变形的能力。钢筒塔架是质量均匀分布的细长结构，塔顶端安装占机组约1/2重量的风轮和机舱，质量相对集中。

塔架结构的固有频率取决于塔架的刚度和质量，刚度越低，固有频率越低。机组运行时，塔架承受风轮旋转产生的周期性载荷，如果载荷的频率接近甚至等于塔架的固有频率，将会产生共振现象。

对于刚度较低的塔架结构，振动问题是塔架设计考虑的主要因素之一。为保证作用在塔架上的周期性载荷的频率（如风轮旋转频率、叶片通过频率及其谐振频率等）避开塔架结构弯曲振动的固有频率，要求塔架具有合适的刚度。

按照整体刚度的不同，塔架结构型式可以分为两类：

刚性塔架：刚度较高，塔架的一阶弯曲振动固有频率高于叶片通过频率，例如钢筋混凝土塔架结构。其优点是可以有效避免共振，缺点是使用材料多，成本高，现代大型风力发电机组很少采用这类刚性塔架结构。

柔性塔架：整体刚度较低，塔架的一阶弯曲振动固有频率低于叶片通过频率。塔架的一阶弯曲振动固有频率介于风轮旋转频率和叶片通过频率之间的塔架称为柔性塔架。一阶弯曲振动固有频率低于风轮旋转频率的塔架称为超柔性塔架。

钢筒塔架通常为柔性塔架，其优点是塔架重量小、耗材少、成本低，但由于塔架固有频率与风轮旋转频率以及叶片通过频率处于同一数量级，如果结构设计不当，在风轮的工作转速范围内，可能使得风轮旋转频率或叶片通过频率与塔架固有频率发生重叠，产生严重的共振现象。因此，要求对塔架动态特性进行精确的分析计算和调整，使塔架一阶弯曲振动固有频率避开风轮旋转频率和叶片通过频率，避免运行中由于结构共振造成的载荷放大。

3）钢筒塔架制造、运输及安装。随着风力发电机组容量逐渐加大，塔架的高度、重量和直径相应增大。大型兆瓦机组塔架高度超过100m，重量超过100t。

高度超过30m的锥形钢筒塔，通常分成几段进行加工制造，然后运输到现场进行安装，用螺栓将各段塔筒连接成整体。每段长度一般不超过30m。

塔筒通常采用宽度为2m、厚度为10～40mm的钢板，经过卷板机卷成筒状，然后焊接而成。当钢板厚度小于40mm时，可以采用常规卷板设备进行加工。而当厚度超过40mm时，常规卷板设备不能加工，需要特制的卷板设备。

塔筒材料的选择依据环境条件而定，可以选用碳素结构钢Q235B、Q235C、Q235D，或高强度结构钢Q345B、Q345C、Q345D。连接法兰一般选用高强度钢。

4）塔筒内部布置。塔筒内部布置包括工作人员攀登到机舱用的扶梯、用于起吊维护维修机具的小型卷扬机、机舱上设备的动力线及信号线以及位于塔架底部的控制柜等。有的大型机组将变压器放在塔架底部。

（2）陆上风力发电机组的基础 塔架基础通常采用钢筋混凝土结构。混凝土的重量应能够平衡整个机组的倾翻力矩。影响因素首先应考虑极端风速条件下叶片产生的推力载荷，以及机组运行状态下的最大载荷。

应使基础满足以下基本设计条件：要求作用于地基上的载荷不超过地基容许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。控制基础的沉降，使其不超过地基容许的变形值，以确保机组不受地基变形的影响。

1）基础形式。塔架基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、结构等条件有较多设计形式。从结构的形式看，常见的有板状、桩式和桁架式等基础。

板状基础。板状基础结构适用于岩床距离地表面比较近的场合。轴向截面形状以圆形为理想状态，但是考虑到搭建圆形混凝土浇注模板比较复杂，经常使用多边形作为替代，如八角形，甚至方形，可以简化浇注挡板和基础内的钢筋布置。板状基础的常见4种形式，如图1-17所示。

桩基础。当地表条件较差时，采用桩基础（见图1-18）比板状基础可以更有效地利用材料。

2）基础尺寸。基础的结构尺寸取决于机组容量大小，其影响因素主要是极端风速下的载荷，以及机组运行下的最大载荷。

影响基础的载荷主要是叶片产生的推力。不同类型机组产生的推力不一样，例如变桨机组的叶片最大推力发生在额定风速处，而失速机组的叶片推力在额定风速以上仍有可能增加。此外，由于失速机组不能顺桨，因此，在极端风速下，即使机组处在静止状态，仍会产生很大推力。

基础设计主要考虑风力发电机组承受的静载荷，一般不考虑疲劳载荷。

基础面积不能太小，以避免对土壤造成太大压力。要进行基础最大压力计算，以确定土壤支撑面承载能力、土壤允许压强，保证机组不会下沉。

图1-19所示为一个风力发电机组基础尺寸实例。风轮直径为66m，轮毂高度78m，塔筒根部直径4m。基础形式为圆形板状基础，直径13m，埋入土中深度2.5m。

（3）海上风力发电机组的基础 设计海上风力发电机组的基础要综合考虑海床地质结构、离岸距离、风浪等级和海流情况等多方面的影响，这也是海上风力发电施工难度高于陆地风力发电的主要方面。

目前，适用于近海的风力发电机组的基础形式主要有重力固定式、单桩基础和多脚架基础等，如图1-20所示。

1）重力基础。最常见的形式是钢筋混凝土重力基础。重力式基础结构简单，造价低，抗风暴和风浪袭击性能好，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。

重力基础只适用不超过10m的水域，因为所需基础重量随着水深的增加而增加，其经济性会下降，造价反而比其他类型基础要高。

重力基础通常在海上风力发电场场址附近的码头用钢筋混凝土建造，然后将其漂到安装位置，并用沙砾、混凝土、岩石或铁矿石等装满以获得必要的重量，最后使用特殊驳船将其沉入海底。

2）单桩基础。单桩基础是目前最常用的基础形式，一般由焊接钢管组成，结构简单，造价较低，适用水深范围大（不超过30m）。安装时用液压锤撞击入海床，需要专用安装设备。单桩基础的长度与海床强度有关。

3）多脚架基础。多脚架基础广泛地应用在海洋石油工业中。风力发电机组用的多脚架基础采用标准的多脚支撑结构，由圆柱钢管构成。每个脚的底部通过各自钢柱基础被固定在海床上，其中芯轴提供了塔筒的基本支撑，同时增强了周围结构的刚度和强度。优点是适用的水深范围较大（20m左右），无须或只需少量的海床整理，但不适用于浅海海域，因为多脚结构使安装船只难以靠近，影响机组的安装。

4）浮动平台基础。为了克服海床底部安装基础受水深限制的缺点，使海上风能利用向几百米的深水域发展，国外出现了浮置式基础结构的设计。

主要有两种方式：一种为半潜式，浮体结构位于海面以下，由锚泊系统固定，其上可安装多台风力发电机组；另一种为漂浮式，由塔架、浮体和锚泊装置组成，承载风力发电机组的浮置结构漂浮在水面上。目前这些基础结构还处于研究试验阶段。

2.风轮

风轮可分为叶片、轮毂、变桨机构和机舱4个部分。

（1）叶片 风力发电机组叶片安装在轮毂上，轮毂与主轴相连，并将叶片力矩传递到发电机。

风轮叶片主要实现风能的吸收，其形状决定了空气动力学特性，设计目标是最大可能地吸收风能，同时使重量尽可能减轻，降低制造成本。叶片应满足以下要求：①良好的空气动力外形，能够充分利用风力发电场的风资源条件，获得尽可能多的风能。②可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳载荷能力。合理的叶片刚度、叶尖变形位移，避免叶片与塔架碰撞。③良好的结构动力学特性和气动稳定性，避免发生共振和颤振现象，振动和噪声小。④耐腐蚀、防雷击性能好，方便维护。⑤在满足上述目标的前提下，优化设计结构，尽可能减轻叶片重量、降低制造成本。

1）叶片几何形状及翼型。叶片长度很大，旋转过程中，不同部位的圆周速度相差很大，导致来风的攻角相差很大，因此，风力发电机组叶片沿展向各段处的几何尺寸及剖面翼型都发生变化。

叶片有以下特征：①沿展向方向上，翼型不断变化，各剖面的弦长不断变化，各剖面的前缘和后缘形状也不同。②叶片扭角也沿展向不断变化，叶尖部位的扭角比根部小。这里的叶片扭角指在叶片尖部桨距角为零的情况下，各剖面的翼弦与风轮旋转平面之间的夹角。③叶片的剖面翼型应根据相应的外部条件并结合载荷分析进行选择和设计。风能的转换效率与空气流过叶片翼型产生的升力有关，因此，叶片的翼型性能直接影响风能转换效率。应用较多的有NACA翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型等。

2）叶片的材料。小型风力发电机组叶片常用整块木材加工而成，表面涂层保护漆，根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连。有的采用玻璃纤维或其他复合材料作为蒙皮，使叶片具有更佳的耐磨性能。

大、中型风力发电机组采用木质叶片时，不用整块木料进行制作，而是采用很多纵向木条胶接在一起，以保证选用优质木材，提高叶片质量。为减轻重量，在木质叶片的后缘部分填塞质地较轻的泡沫塑料，表面用玻璃纤维作蒙皮。采用泡沫塑料不仅可以减轻质量，而且能使翼型重心前移，重心设计在近前缘1/4弦长处为最佳，可以减轻叶片的质量。

为减轻叶片的质量，有的叶片用一根金属管作为受力梁，以蜂窝结构、泡沫塑料或轻木材作中间填充物，外面再包上玻璃纤维耐腐耐磨。大型风力发电机组的叶片较长，如3MW风力发电机组叶片长度达到50m左右，承受的风载荷较大，因此，叶片设计要保证一定的强度和刚度要求。目前，大、中型风力发电机组的叶片都采用玻璃纤维或高强度复合材料进行制作。

叶片蒙皮的铺层形式主要取决于叶片所受的外载荷，根据外载荷的大小和方向，确定叶片铺层数量，以及铺层增强纤维的方向。由于叶片所受弯矩、转矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增，因此，铺层结构的厚度一般从叶尖向叶根逐渐递增。

3）气动制动系统。由于风轮在旋转过程中，转动惯量很大，所以，当风速超过切出风速时，变桨调节的风力发电机组通过对桨距角的调整可以实现气动制动。对于失速控制的风力发电机组，由于叶片与轮毂固定连接，通常采用可旋转的叶尖实现气动制动。

这种具有旋转叶尖的制动结构在风轮运行时，叶尖部分和其他部分方向一致，形成一个整体。当需要制动时，叶尖部分绕叶片轴向旋转90°，实现制动功能。

4）叶根连接。叶片所受的各项载荷，无论是拉力还是弯矩、转矩、剪力都在根端达到最大值，如何把整个叶片上所承受的载荷传递到轮毂上去，关键在于叶片的根端连接设计。

玻璃钢的层间抗剪强度较低，强度矛盾集中在根端，根端设计成为叶片设计成败的关键问题。

叶片根端必须具有足够的抗剪强度、挤压强度，与金属的胶接强度也要足够高，这些强度均低于其拉弯强度，因此，叶片的根端是危险的部位，设计应予以重视。如果不注意根端连接设计，严重时将导致整个叶片飞出，使整台风力发电机组毁坏。叶片和根端连接有以下两种方式：①法兰连接。这种形式的叶根像一个法兰翻边。在此法兰上，除了有玻璃钢外，还与金属盘对拼，在金属盘上的附件与轮毂相连。②预埋金属根端连接。在根端设计中，预埋上一个金属根端，此结构一端可通过螺栓与轮毂连接，另一端牢固预埋在玻璃钢叶片内。这种结构型式避免了对叶片根部结构层的加工损伤，提高了根部连接的可靠性，也减小了法兰盘的重量。缺点就是每个螺纹件的定位必须准确。

5）叶片失效与防护措施。常见的叶片故障类型包括表面腐蚀、雷击、覆冰、裂纹以及极端风造成的叶片断裂等，图1-21所示为叶片常见的几种故障类型。

德国某公司对在德国安装的20000台风力发电机组的叶片进行了故障统计，其中气动部件故障率约为40%，导致风轮不平衡问题（气动不平衡、质量不平衡、不平衡超限）的故障也约占40%，风轮其他故障略低于20%。叶片故障类型及故障率如图1-22所示。

叶片各类故障造成风轮旋转质量不平衡，对叶片、变桨驱动电动机、主轴、齿轮箱（裂纹、损坏）、发电机（阻尼线圈磨损）、电子器件（没有很好固定的控制柜的振动）、偏航驱动、偏航制动以及塔筒和地基的裂缝都将产生影响。

为防止叶片产生故障，应考虑以下几种因素：①热膨胀性。叶片结构中使用了不同的材料，所以必须考虑各种材料热膨胀系数的不同，以免因温度变化而产生附加应力，导致叶片破坏。②密封性。空心叶片应有很好的密封性，一旦密封失效，其内必然形成冷凝水集聚，造成危害。可在叶尖、叶根各预开一个小孔，以使叶片内部空间进行适当的通风，并排除积水。需要注意的是小孔尺寸要适当，过大的孔径将使气流从内向外流动，产生功率损失，还将产生噪声。③雷击保护。为了防止被雷电击毁、支撑发电机的塔架必须用良好的导线接地。复合材料制成的叶片，需要特殊的防雷装置（见图1-23）。风力发电机组叶片的防雷设计一般有4种。大型复合材料叶片上的预防措施最好是在叶尖处沿整个翼型外围做一个金属的尖帽，从叶尖向内延伸8～l0cm。通过安装在叶片内部的金属导线连接到叶根部的柔性金属板上，并经过塔架内的接地系统，将雷击电流接地。④除冰系统。针对容易造成叶片覆冰的环境条件，提出了多种解决覆冰问题的方案，如叶片表面采用特殊的防冰涂层、叶片中安装覆冰报警及除冰系统等。

（2）轮毂 轮毂是连接叶片与风轮转轴的部件，用于传递风轮力和力矩到传动系统的机构。主要分为固定式轮毂、叶片之间相对固定铰链式轮毂和各叶片自由的铰链式轮毂3种。

1）固定式轮毂。其特点是主轴与叶片长度方向夹角固定不变，制作成本低，维护工作少，不存在铰接叶片的磨损问题，但叶片上全部力和力矩都经轮毂传递到后续部件。固定式轮毂是目前大型三叶片风轮常用结构，轮毂形状比较复杂，通常采用球墨铸铁制成，浇注方法容易成型与加工，球磨铸铁抗疲劳性能高。

2）叶片之间相对固定的铰链式轮毂（早期应用）。铰链使两叶片之间固定连接，轴向相对位置不变，但可绕铰链轴沿风轮拍向在设计位置做正负5°～10°摆动，类似跷跷板。当来流速度在叶轮扫风面内上下有差别或阵风出现时，叶片的载荷使得叶片离开设计位置，若位于上部的叶片向前，则下方的叶片向后。由于两叶片在旋转过程中的驱动力矩变化很大，因此，叶轮会产生很大的噪声。

叶片被悬挂的角度与风轮转速有关，转速越低，角度越大。具有这种铰链式轮毂的风轮具有阻尼器的作用。当来流速度变化时，叶片偏离原悬挂角度，其安装角也发生变化，一片叶片因安装角的变化升力下降，而另一片升力提高，因而，产生反抗风向变化的阻尼作用。

3）各叶片自由的铰链式轮毂。其特点是轮毂的每个叶片之间互不依赖，在外力作用下，可单独做调整运动。这种调整不但可做成仅具有拍向锥角的形式，还可以做成拍向、挥向角度均可以变化的方式。理论上讲，采用这种铰链结构可保持恒速运行。

（3）变桨机构 现代大型并网风力发电机组多数采用变桨距机组，其主要特征是叶片可以相对于轮毂转动，实现桨距角的调节。主要作用：①正常运行状态下，当风速超过额定风速时，通过改变叶片桨距角，改变叶片的升力与阻力比，实现功率控制。②当风速超过切出风速时，或者风力发电机组在运行过程出现故障状态时，迅速将桨距角从工作角度调整到顺桨状态，实现紧急制动。

叶片的变桨距操作通过变桨距系统实现。变桨距系统按照驱动方式可以分为液压变桨距系统和电动变桨距系统，按照变桨距操作方式可以分为同步变桨距系统和独立变桨距系统。同步变桨距系统中，风轮各叶片的变桨距动作同步进行；而独立变桨距系统中，每个叶片具有独立的变桨距机构，变桨距动作独立进行。

变桨距机组的变桨角度范围为0°～90°。正常工作时，叶片桨距角在0°附近，进行功率控制时，桨距角调节范围为0°～25°，调节速度一般为1°/s左右。制动过程，桨距角从0°迅速调整到90°，称为顺桨位置，一般要求调节速度较高，可达15°/s左右。机组起动过程中，叶片桨距角从90°快速调节到0°，然后实现并网。

叶片变桨距系统主要由叶片与轮毂间的旋转机构、变桨驱动机构、执行机构、备用供电机构和控制系统组成。变桨距系统的硬件安装在轮毂内部，由电动机和减速器构成驱动机构和执行机构，叶片变桨旋转动作通过内啮合齿轮副实现。

（4）机舱 机舱内布置有制动器、传动机构（齿轮箱）、发电机、机座、调速器或限速器和调向装置等重要设备。机舱通常采用质量小、强度高、耐腐蚀的玻璃钢制作。

机舱装配时需要注意，从风轮到负载各部件之间的联轴器要精确对中。由于所有的力、力矩、振动通过风轮传动装置作用在机舱结构上，反过来机舱结构的弹性变形又作为相应的耦合增载施加在主轴、轴承和机壳上。为减少这些载荷，建议使用弹性联轴器。所有的联轴器既要承受风力发电机组正常运行时所传递的力矩，也要承受机械制动的制动力矩。为了避免联轴器损坏和失效，应在设计中对联轴器的载荷和失效进行认真研究。

3.偏航系统

偏航系统主要用于调整风轮的对风方向。下风向风力发电机组的风轮能自然地对准风向，因此，一般不需要进行调向控制（对大型的下风向风力发电机组，为减轻结构上的振动，往往也采用对风控制系统）。上风向风力发电机组则必须采用偏航系统进行调向，以使风力发电机组正面迎风。

大型风力发电机组主要采用电动机驱动的偏航系统。该系统的风向感受信号来自装在机舱上面的风向标。通过控制系统实现风轮方向的调整。

偏航系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分。根据风向的变化，偏航操作装置按系统控制单元发出指令，使风轮处于迎风状态，同时还应提供必要的锁紧力矩，以保证机组的安全运行和停机状态的需要。

偏航操作装置主要由偏航轴承、传动系统、驱动与制动系统等功能部件或机构组成。偏航系统要求的运行速度较低且结构设计所允许的安装空间、承受的载荷更大，因而需要有更多的技术解决方案可供选择。

图1-24所示为一种采用偏航轴承支撑的主动偏航装置结构示意图。偏航操作装置安装于塔架与主机架之间，采用偏航轴承实现主机架的定位与支撑；用4组偏航电动机、主轴轴承与齿轮箱集成的风力发电机组主机架与塔架固定连接的大齿圈，实现偏航的操作。在主机架上安装主传动链部件和偏航驱动装置，通过偏航轴承实现与大齿圈的连接和偏航传动。当需要随风向改变风轮位置时，通过安装在驱动部件上的小齿轮与大齿圈啮合，带动主机架和机舱旋转使风轮对准风向。

（1）偏航驱动部件 采用电力拖动的偏航驱动部件一般由电动机、大速比减速机和开式齿轮传动副组成，通过法兰连接安装在主机架上。

偏航驱动电动机一般选用转速较高的电动机，以尽可能减小体积。但偏航驱动所要求的输出转速又很低，必须采用紧凑型的大速比减速机，以满足偏航动作要求。偏航减速器可选择立式或其他形式安装，采用多级行星轮系传动，以满足大速比、紧凑型传动的要求。

偏航减速器（见图1-25）多采用硬齿面多级行星传动。减速器中的主要传动构件，可采用低碳合金钢材料，如17CrNiMo6、42CrMoA等制造，齿面热处理状态一般为渗碳淬火（硬度一般大于58HRC）。

根据传动比要求，偏航减速器通常需要采用3～4级行星齿轮传动方案，而大速比行星齿轮的功率分流和均载是其设计的关键。同时，若考虑立式安装条件，设计也需要特别关注轮系构件的重力对均载效果的影响。因此，行星齿轮传动需要采用浮动连接设计方案。为解决各级行星传动轮系构件的干涉与装配问题，各传动级间的构件连接多采用渐开线花键连接。

（2）偏航轴承 偏航轴承是保证机舱相对塔架可靠运动的关键构件，采用滚动体支撑的偏航轴承虽然也是一种专用轴承，但已初步形成标准系列。可参考标准JB/T 10705—2007《滚动轴承 风力发电机轴承》进行设计或选型。

滚动体支撑的偏航轴承与变桨轴承相似。相对普通轴承而言，偏航轴承的显著结构特征在于具有可实现外啮合或内啮合的齿轮轮齿。

风力发电机组偏航运动的速度很低，一般轴承的转速n≤10r/min。但要求轴承部件有较高的承载能力和可靠性，可同时承受机组的几乎所有运动部件产生的轴向力、径向力和倾翻力矩等载荷。考虑到机组的运行特性，此类轴承需要承受载荷的变动幅度较大，因此，对动载荷条件下滚动体的接触和疲劳强度设计要求较高。

偏航轴承的齿轮属于开式传动，轮齿的损伤是导致偏航和变桨轴承失效的重要因素之一。由于设计载荷难以准确掌握，传动部分的结构强度往往决定了轴承的设计质量，是设计中应重点关注的内容。同时，由于此种开式齿轮传动副需要和与之啮合的小齿轮现场安装，其啮合间隙和润滑条件均难以保证，给齿轮设计带来一定困难。

（3）偏航制动 为保证机组运行的稳定性，偏航系统一般需要设置制动器，多采用液压钳盘式制动器（见图1-26）。制动器的环状制动盘通常装于塔架（或塔架与主机架的适配环节）。制动盘的材质应具有足够的强度和韧性，如采用焊接连接，材质还应具有比较好的焊接性。一般要求机组寿命期内制动盘主体不出现疲劳等形式的失效损坏。

制动钳一般由制动钳体和制动衬块组成，钳体通过高强度螺栓联接于主机架上，制动衬块由专用的耐磨材料（如铜基或铁基粉末冶金）制成。

偏航制动器的基本设计要求是：保证机组额定负载下的制动力矩稳定，所提供的阻尼力矩平稳（与设计值的偏差小于5%）且制动过程没有异常噪声。制动器在额定负载下闭合时，制动衬垫和制动盘的贴合面积应不小于设计面积的50%；制动衬垫周边与制动钳体的配合间隙应不大于0.5mm。制动器应设有自动补偿机构，以便在制动衬块磨损时进行间隙的自动补偿，保证制动力矩和偏航阻尼力矩的要求。

偏航制动器可采用常闭和常开两种结构型式。常闭式制动器是指在有驱动力作用条件下制动器处于松开状态，常开式制动器则是在驱动力作用时处于锁紧状态。考虑制动器的失效保护，偏航制动器多采用常闭式制动结构形式。

4.传动系统

传动系统用来联接风轮与发电机，将风轮产生的机械转矩传递给发电机，同时实现转速的变换。图1-27所示为一种目前风力发电机组较多采用的带齿轮箱风力发电机组的传动系统结构示意图，包括风轮主轴（低速轴）、增速齿轮箱、高速轴（齿轮箱输出轴）及机械制动装置等部件。整个传动系统和发电机安装在主机架上。作用在风轮上的各种气动载荷和重力载荷通过主机架及偏航系统传递给塔架。

（1）风轮主轴

1）主轴支撑结构型式。风轮主轴一端联接风轮轮毂，另一端联接增速齿轮箱的输入轴，用滚动轴承支撑在主机架上。风轮主轴的支撑结构型式与增速齿轮箱的形式密切相关。按照支撑方式不同，主轴可以分为图1-28所示的3种结构型式。

①独立轴承支撑结构。主轴由前后两个独立安装在主机架上的轴承支撑，共同承受悬臂风轮的重力载荷，轴向推力载荷由前轴承（靠近风轮）承受，只有风轮转矩通过主轴传递给齿轮箱。由于前轴承为主要承载部件，通常为减小悬臂风轮重力产生的弯矩，前轴承支撑尽可能靠近轮毂，并通过增加前后轴承的间距调整轴承的载荷。因而，此种主轴结构相对较长，制作成本较高。但由于齿轮箱与主轴相对独立，便于采用标准齿轮箱和主轴支撑构件。

②三点支撑式主轴形式。主轴前轴承独立安装在机架上，后轴承与齿轮箱内轴承做成一体，前轴承和齿轮箱两侧的扭转臂形成对主轴的三点支撑，故也称为三点支撑式主轴。这种主轴支撑结构型式在现代大型风力发电机组中较多采用，其优点是主轴支撑的结构趋于紧凑，可以增加主轴前后支撑轴承的距离，有利于降低后支撑的载荷，齿轮箱在传递转矩的同时承受叶片作用的弯矩。

③主轴轴承与齿轮箱集成形式。主轴的前后支撑轴承与齿轮箱做成整体，风轮通过轮毂法兰直接与齿轮箱联接，可以减小风轮的悬臂尺寸，从而降低主轴载荷。此外主轴装配容易，轴承润滑合理。主要问题是难于直接选用标准齿轮箱，维修齿轮箱必须同时拆除主轴。

从齿轮箱维修角度看，主轴单独支撑，既便于与齿轮箱分离又能减轻齿轮箱的承载，可大大降低维修费用，较为合理。

制造主轴的材料一般选择碳素合金钢，毛坯通常采用锻造工艺。由于合金钢对应力集中的敏感性较高，轴结构设计中应注意减小应力集中，并对表面质量提出要求。各种热处理、化学处理及表面强化处理可显著提高主轴的力学性能。

2）主轴轴承。主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。主轴的前轴承需要承受风轮产生的弯矩和推力，通常采用双列滚动轴承作为径向与轴向支撑。

（2）轴的联接与制动

1）联轴器。为实现机组传动链部件间的转矩传递，传动链的轴系需要设置必要的联接构件（如联轴器等）。

联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴），使之共同旋转以传递转矩的机械零件。图1-29所示为某风力发电机组主轴与齿轮箱间的联轴器结构示意。齿轮箱高速轴与发电机轴的联接构件一般采用柔性联轴器，以弥补机组运行过程轴系的安装误差，解决主传动链的轴系不对中问题。同时，柔性联轴器还可以增加传动链的系统阻尼，减少振动的传递。

齿轮箱与发电机之间的联轴器设计，需要同时考虑对机组的安全保护功能。由于机组运行过程可能产生异常情况下的传动链过载，如发电机短路导致的转矩甚至可以达到额定值的6倍，为了降低设计成本，不可能将该转矩值作为传动系统的设计参数。在高速轴上安装防止过载的柔性安全联轴器，不仅可以保护重要部件的安全，也可以降低齿轮箱的设计与制造成本。

联轴器设计还需要考虑完备的绝缘措施，以防止发电系统的寄生电流对齿轮箱产生不良影响。

2）机械制动机构。当遇有破坏性大风、风力发电机组运转出现异常或者需要对机组进行保养维修时，需用制动机构使风轮静止下来。大型风力发电机组的制动机构均由气动制动和机械制动两个部分组成，在实际制动操作过程中，首先执行气动制动，使风轮转速降到一定程度后，再执行机械制动。只有在紧急制动情况下，同时执行气动和机械制动。

定桨距机组通过叶尖制动机构实现气动制动，变桨距机组则通过将叶片桨距角调整到顺桨位置实现气动制动。

机械制动机构一般采用盘式结构，制动盘安装在齿轮箱输出轴与发电机轴的弹性联轴器前端。机械制动时，液压制动器抱紧制动盘，通过摩擦力实现制动。机械制动系统需要一套液压系统提供动力。对于采用液压变桨系统的风力发电机组，为了使系统简单、紧凑，可以使变桨距机构和机械制动机构共用一个液压系统。

（3）增速齿轮箱 风力发电机组中的增速齿轮箱是一个重要的机械部件，其主要功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。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须借助齿轮箱齿轮副的增速作用来实现。根据机组的总体布置要求，有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体，也有采用将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用胀紧套装置或联轴器连接的结构。为了增加机组的制动能力，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置制动装置，配合叶尖制动（定桨距风轮）或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

5.风力发电机组其他部件

（1）发电机 将风能最终转变为电能的设备。

（2）控制系统 风力发电机组核心系统，对机组在整个起动停机、并网运行、变频调速、变桨偏航、安全保护和紧急制动等各个环节进行监控，保证机组安全高效运行。