風電基礎知識

風電設備安裝常見技術問題表現(xiàn)

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我國風能資源十分豐富，它是一種干凈的可再生能源，風力發(fā)電產業(yè)發(fā)展前景非

常廣闊。

它的作用原理：以風作為原動力，風吹動風輪機的葉輪，轉化為機械能，葉能通過增速箱

齒輪帶動發(fā)電機旋轉，轉化為電能，送入電網。

它的優(yōu)勢；不需要燃料，無污染，運行成本低。

風電概述

主要零部件圖

發(fā)電機電控柜制動器增速機主軸

液壓站工裝外齒式回轉支撐偏航電機

各零部件主要功能

主軸；將風能轉向力傳遞給增速箱

偏航系統(tǒng)；通過控制技術，使機艙旋轉至迎風方向的機枸。

增速機；增速機在各齒輪不同傳動比的作用下將主軸的低轉速提高到發(fā)電機所需的高轉速

發(fā)電機；將機械能轉化為電能。

偏航壞；剛度，強度要好，用來支撐整個動力系統(tǒng)，但不能太重。

變槳柜系統(tǒng)；通過控制技術，調整葉片角度，使風能利用最優(yōu)化。

制動系統(tǒng)；根據(jù)風力，風速需要，風機可以減速或停機。

機艙殼；采用玻璃鋼制成，覆蓋于機組動力系統(tǒng)外，起保護作用。

緊固件等；將各個零部件固定在設計位置，必需適應于極限負載。

工裝；便于裝配，運輸。

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因為風機常在風沙，暴雨，鹽霧，潮濕，-30^40攝氏度中環(huán)境中安放，所以要有較強的野

外適應性。這對各零部件的強度、剛度、穩(wěn)定、疲勞、磨擦、力矩等因素提出了很高的要

求。若某一方面出了問題，都有可通造成安全事故。

為此，為了滿足以上要求，我們窕各種材料都進行了嚴格的要求，對各種連接緊固件都要

按求打好力矩。力矩大小好下；

風電設備安裝常見技術問題

1.1螺栓聯(lián)接問題

螺栓、螺母聯(lián)接是風電行業(yè)的一種最基本最常用的裝配，聯(lián)接過緊時，螺栓在機械力的長

期作用下容易產生金屬疲勞，發(fā)生剪切或螺牙滑絲等聯(lián)接過松的情況，使部件之間的裝配

松動，引發(fā)事故。

1.2振動問題

風機葉片在風力作用下轉動時，帶動主軸，主軸將風能轉向力傳遞到增速機，增速機在各

齒輪不同傳動比的作用下將主軸的低轉速提高到發(fā)電機所需的高轉速從而帶動發(fā)電機，發(fā)

電機則完成能由機械能轉換成電能的工作，在這一系列的動作過程中，還有許多輔助零部

件與其配合完成發(fā)電工作(如回轉支撐，偏航系統(tǒng)，變槳柜系統(tǒng)，制動系統(tǒng))。在這一系

列過程中各系統(tǒng)在相互配合工作過程中必產生大的振動。主軸與增速箱發(fā)電機同心度等問

題。

1.4電氣設備問題

D安裝隔離開關時動、靜觸頭的接觸壓力與接觸面積不夠或操作不當，可能導致接觸

面的電熱氧化，使接觸電阻增大，灼傷、燒蝕觸頭，造成事故。

(2)斷路器弧觸指及觸頭裝配不正確，插入行程、接觸壓力、同期性、分合閘速度達不

到要求，將使觸頭過熱、熄弧時間延，導致絕緣介質分解，壓力驟增，引發(fā)斷路器爆炸事

故。

(3)電流互感器因安裝檢修不慎，使一次繞組開路，將產生很高的過電壓，危及人身與

設備安全。

(4)有載調壓裝置的調節(jié)裝置雙構裝配錯誤，或裝配時不慎掉入雜物，卡住機構，也將

發(fā)生程度不同的事故。

(5)主變壓器絕緣破壞或擊穿。在安裝主變吊芯和高壓管等主要工作時，不慎抻入雜物

(如螺帽、鑰匙等，這些情況在工程實踐中并不罕見)，器身、套管內排水不徹底，密封裝置

安裝錯誤，或者在安裝中損壞，都會使主變絕緣強度大為降低，可能導致局部絕緣破壞或擊

穿，造成惡性事故。

(6)主變壓器保護拒動。主變壓器內部或出線側發(fā)生短路、接地事故，而保護拒動、斷

路器不跳閘，巨大的短路電流不僅使短路處事故狀態(tài)擴大，也使主變內部溫度驟升，變壓

器油迅速汽化、分解，成為高爆性的可燃物質，這可能發(fā)生主變爆炸的惡性事故。主變的

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緊急事故油池和其他消防設施都是針對這種可能性設計的。

2機電設備安裝技術相關改善辦法

2.1嚴格施工組織設計及設備、設施選擇

施工組織設計和設備、設施選擇是經有關科技人員共同研究商定的，通過技術計算和驗算，

定有其使用價。為了防止螺栓過緊或過松按工藝要求打好力矩、涂好螺紋鎖固，二硫化鋁。

2.2按預定計劃開展安裝工作

每一項機電設備安裝工作順序都有其科學性。一個安裝工程的計劃排隊是經過多方面

的考慮，經過技術論證排出的，是有科學根據(jù)并有一定指導性的，不要隨便改動，以免造

成工程進度連續(xù)不上無法完成工作。

2.3對安裝工作要總體布置、統(tǒng)一安排

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風電基礎知識

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作者:風電專家

時間:2006-06-18

文字選擇：大中小

葉輪

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風電場的風力機通常有2片或3片葉片，葉尖速度50?70m/s,具有這樣的葉尖速

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度，3葉片葉輪通常能夠提供最佳效率，然而2葉片葉輪僅降低2?3%效率。甚至可以使

用單葉片葉輪，它帶有平衡的重錘，其效率又降低一些，通常比2葉片葉輪低6%。盡管葉

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片少了，自然降低了葉片的費用，但這是有代價的。對于外形很均衡的葉片，葉片少的葉輪

轉速就要快些，這樣就會導致葉尖噪聲和腐蝕等問題。更多的人認為3葉片從審美的角度

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更令人滿意。3葉片葉輪上的受力更平衡，輪轂可以簡單些，然而2葉片、1葉片葉輪的輪

轂通常比較復雜，因為葉片掃過風時，速度是變的，為了限制力的波動，輪轂具有翹翹板的

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特性。翹翹板的輪轂，葉輪鏈接在輪轂上，允許葉輪在旋轉平面內向后或向前傾斜幾度。葉

片的擺動運動，在每周旋轉中會明顯的減少由于陣風和剪切在葉片上產生的載荷。

葉片是用加強玻璃塑料（GRP）、木頭和木板、碳纖維強化塑料CFRP）、鋼和鋁構成

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的。對于小型的風力發(fā)電機，如葉輪直徑小于5米，選擇材料通常關心的是效率而不是重量、

硬度和葉片的其它特性。對于大型風機，葉片特性通常較難滿足，所以對材料的選擇更為重

要。

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世界上大多數(shù)大型風力機的葉片是由GRP制成的。這些葉片大部分是用手工把聚脂樹脂

敷層，和通常制造船殼、園藝、游戲設施及世界范圍內消費品的方法--樣。其過程需要很高的

技術水平才能得到理想的結果，并且如果人們對重量不太關心的話，比如對于長度小于20米的

葉片，設計也不很復雜。不過有很多很先進的利用GRP的方法，可以減小重量，增加強度，

在此就不贅述了。玻璃纖維要較精確的放置，如果把它放在預浸片材中，使用高性能樹脂，如控

制環(huán)氧樹脂比例，并在高溫下加工處理.當今，出現(xiàn)了簡單的手工鋪放聚脂，通過認真地選擇和放

韶f維為GRP葉片提供了降低成本的途徑。

偏航系統(tǒng)

風力機的偏航系統(tǒng)也稱為對風裝置，其作用在于當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩(wěn)

地對準風向，以便風輪獲得最大的風能。

小微型風力機常用尾鴕對風，它主要有兩部分組成，一是尾翼，裝在尾桿上與風輪軸平行

或成一定的角度。為了避免尾流的影響，也可將尾翼上翹，裝在較高的位置。

中小型風機可用舵輪作為對風裝置，其工作原理大致如下：當風向變化時，位于風輪后面

兩胞掄（其旋轉平面與風輪旋轉平面相垂直）旋轉，并通過一套齒輪傳動系統(tǒng)使風輪偏轉，當

風輪重新對準風向后，舵輪停止轉動，對風過程結束。

大中型風力機?般采用電動的偏航系統(tǒng)來調整風輪并使其對準風向。偏航系統(tǒng)?般包括感

應風向的風向標，偏航電機，偏航行星齒輪減速器，回轉體大齒輪等。其工作原理如下：風向標作

為感應元件將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機的控制回路的處理密里，經過比較后婀器

給偏航秘儂出M耐針璇耐針的偏航命令，為了減少偏?耐的陀螺枷，眥L轉速將通過同軸聯(lián)接的

減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對風，當對風完成后，風向標失去

電信號，電機停止工作，偏航過程結束。

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風機的發(fā)電機

所有并網型風力發(fā)電機通過三相交流（AC）電機將機械能轉化為電能。發(fā)電機分為兩

個主要類型。同步發(fā)電機運行的頻軍與其所連電網的頻率完全相同，同步發(fā)電機也被稱為交流發(fā)

電機。異步發(fā)電機運行時的頻率比電網頻率稍高，異步發(fā)電機常被稱為感應發(fā)電機。

感應發(fā)電機與同步發(fā)電機都有一個不旋轉的部件被稱為定子，這兩種電機的定子相似，

兩種電機的定子都與電網相連，而且都是由疊片鐵芯上的三相繞組組成，通電后產生一個以恒

定轉速旋轉的磁場。盡管兩種電機有相似的定子，但它們的轉子是完全不同的。同步電機中的轉

子有一個通直流電的繞組，稱為勵磁繞組，勵磁繞組建立一個恒定的磁場鎖定定子繞組建立的旋轉

磁場。因此，轉子始終能以一個恒定的與定子磁場和電網頻率同步的恒定轉速上旋轉。在某些設計

中，轉子磁場是由永磁機產生的，但這對大型發(fā)電機來說不常用。

感應電機的轉子就不同例如，它是由一個兩端都短接的鼠籠形繞組構成。轉子與外界沒有

電的連接，轉子電流由轉子切割定子旋轉磁場的相對運動而產生。如果轉子速度完全等于定子轉

速磁場的速照（與同步發(fā)電機一樣）,這樣就沒有相對運動,也就沒有轉子感應電流.因此.感

應發(fā)電機總的轉速總是比定子旋轉磁場速度稍高，其速度差叫滑差，在正常運行期間。它大概為

1%0

同步發(fā)電機和異步發(fā)電機

將機械能轉化為電能裝置的發(fā)電機常用同步勵磁發(fā)電機、永磁發(fā)電機和異步發(fā)電機。同

步發(fā)電機應用非常廣泛，在核電、水電、火電等常規(guī)電網中所使用的幾乎都是同步發(fā)電機，在

風力發(fā)電中同步發(fā)電機即可以獨立供電又可以并網發(fā)電。然而同步發(fā)電機在并網時必須要有同

期檢測裝置來比較發(fā)電機側和系統(tǒng)側的頻率、電壓、相位，對風力發(fā)電機進行調整，使發(fā)電機發(fā)出

電能的頻率與系統(tǒng)一致；操作自動電壓調壓器將發(fā)電機電壓調整到與系統(tǒng)電壓相一致；同時，微調

風力機的轉速從周期檢測盤上監(jiān)視，使發(fā)電機的電壓與系統(tǒng)的電壓相位相吻合，就在頻率、電壓、

相位同時一臻的瞬間，合上斷路器將風力發(fā)電機并入系統(tǒng)。同期裝置可采用手動同期并網和自同

期并網。但總體來說，由于同步發(fā)電機造價比較高，同時并網麻煩，故在并網風力發(fā)電機中很

少采用。

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控制監(jiān)測系統(tǒng)

風力機的運行及保護需要一個全自動控制系統(tǒng)，它必須能控制自動啟動，葉片槳距的機械

調節(jié)裝置（在變槳距風力機上）及在正常和非正常情況下停機。除了控制功能，系統(tǒng)也能用于

監(jiān)測以提供運行狀態(tài)、風速、風向等信息。該系統(tǒng)是以計算機為基礎，除了小的風力機，控制及監(jiān)

測還可以遠程進行。控制系統(tǒng)具有及格主要功能：

1、順序控制啟動、停機以及報警和運行信號的監(jiān)測

2、偏航系統(tǒng)的低速閉環(huán)控制

3、槳距裝置（如果是變槳距風力機）快速閉環(huán)控制

4、與風電場控制器或遠程計算機的通訊

風機傳動系統(tǒng)

葉輪葉片產生的機械能有機艙里的傳動系統(tǒng)傳遞給發(fā)電機，它包括一個齒輪箱、離合器和

一個能使風力機在停止運行時的緊急情況下復位的剎車系統(tǒng)。齒輪箱用二增加葉輪轉速，從

20-50轉/分到1000~1500轉/分，后者是驅動大多數(shù)發(fā)電機所需的轉速。齒輪箱可以是

一個簡單的平行軸齒輪箱，其中輸出軸是不同軸的，或者它也可以是較昂貴的一種，允許輸入、

輸出軸共線，使結構更緊湊。傳動系統(tǒng)要按輸出功率和最大動態(tài)扭矩載荷來設計。由于葉輪功率

輸出有波動，一些設計者試圖通過增加機械適應性和緩沖驅動來控制動態(tài)載荷，這對大型的

風力發(fā)電機來說是非常重要的，因其動態(tài)載荷很大，而且感應發(fā)電機的緩沖余地比小型風力機的

小。

異步發(fā)電機

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永磁發(fā)電機是一種將普通同步發(fā)電機的轉子改變成永磁結構的發(fā)電機，常用的永磁材料

有鐵氧體（BaFeO）、彩鉆5（smco）等，永磁發(fā)電機一般用于小型風力發(fā)電機組中。

異步發(fā)電機是指異步電機處于發(fā)電的工作狀態(tài)，從其激勵方式有電網電源勵磁發(fā)電（他勵）

和并聯(lián)電容自勵發(fā)電（自勵）兩種情況。

1電網電源勵磁發(fā)電：是將異步電機接到電網上，電機內的定子繞組產生以同步轉速轉動的

旋轉磁場，再用原動機拖動，使轉子轉速大于同步轉速，電網提供的磁力矩的方向必定與轉速方

向相反，而機械力矩的方向則與轉速方向相同，這時就將原動機的機械能轉化為電能。在這種情況下,

異步電機發(fā)出的有功功率向電網輸送；同時又消耗電網的無功功率作勵磁作用，并供應定子和轉

子漏磁所消耗的無功功率，因此異步發(fā)電機并網發(fā)電時，一般要求加無功補償裝置，通常用并

列電容器補償?shù)姆绞健?/p>

2、并聯(lián)電容器自勵發(fā)電：并聯(lián)電容器的連接方式分為星形和三角形兩種。勵磁電容的接入在發(fā)

電機利用本身的剩磁發(fā)電的過程中，發(fā)電機周期性地向電容器充電：同時，電容器也周期性地通

過異步電機的定子繞組放電。這種電容器與繞組組成的交替進行充放電的過程，不斷地起到勵磁的

作用，從而使發(fā)電機正常發(fā)電。勵磁電容分為主勵磁電容和輔助勵磁電容，主勵磁電容是保證空載

情況下建立電壓所需要的電容，輔助電容則是為了保證接入負載后電壓的恒定，防止電壓期漬

而設的。

通過上述的分析，異步發(fā)電機的起動、并網很方便且便于自動控制、價格低、運行可靠、維修

便利、運行效率也較高、因此在風力發(fā)電方面并網機組基本上都是采用異步發(fā)電機，而同步發(fā)電

機則常用于獨立運行方面。

偏航系統(tǒng)的設計

根據(jù)調向力矩的大小，可以進行齒輪傳動部分的設計計算。當驅動網轉體大齒輪的主動小齒

輪的強度不能滿足時，可選用兩套偏航電機-----行星齒輪減速器分置于風輪主輪的兩側對稱布

置，每個電機的容量為總容量的一半,齒輪傳動計算可按開式齒輪傳動計算，其主要的磨損形

式是齒面磨損失效，如調向力矩較大，除按照彎曲強度計算之外，應計算彷面接觸強度。

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值得注意的是，大多數(shù)風機的發(fā)電機輸出功率的同軸電纜在風力機偏航時?同旋轉，為了

防止偏航超出而引起的電纜旋轉，應該設置解纜裝置，并增加扭纜傳感器以監(jiān)視電纜的扭轉狀態(tài)。

位于下風向布重的風輪，能夠自動找正風向。在總體布置時應考慮塔架前面的重量略重一些，這

樣在風機運行時平衡就會好一些。

電機的切換

根據(jù)風速決定是選擇小發(fā)電機并網發(fā)電，還是選擇大發(fā)電機空轉，若風速低于8米/秒，

則小發(fā)電機并網運行且風機運行狀態(tài)切換到''投入G2".如果風速高于8米/秒,則選擇''空轉

G1〃運行狀態(tài)。

投入G2：

小發(fā)電機接觸器閉合，發(fā)電機并網電流由可控硅控制到350A。一旦投入過程完成，可

控硅切除，風機切換至「運行G2〃狀態(tài)。

風電投入小發(fā)電機發(fā)電，如果平均輸出功率在某一單位時間內太低，這是小發(fā)電機斷開且

風機切換到''等待重新支轉〃的狀態(tài)。如果平均輸出功率超過了限定值110KW,則小發(fā)電機切

除，風機運行狀態(tài)切換到''G1空轉〃。

G1空轉:

風機等待風速達到投入大電機的風速，一旦達到這個風速則風機就切換到''投入G1〃狀

投入G1：

大發(fā)電機的接觸接通。發(fā)電機的并網電流由可控硅將其限定在350A。投入過程一結束，可

控硅切除，風機切換到''運行G1〃狀態(tài)。

運行G1

風機的大電機投入發(fā)電，如果功率輸出在一定的時間內少于限定值80KW,大發(fā)電機

切除，風機的運行狀態(tài)切換到''切換G11-G12”狀態(tài)。

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切換G1-G2

大發(fā)電機的接觸器切除小發(fā)電機的接觸器接通，可控硅將發(fā)電機的電流限定到700A,

一旦投入過程完成，可控硅切除，風機轉為''運轉G2〃狀態(tài)。

等待再投入

如果小發(fā)電機的出力小于限定值，則此運行狀態(tài)動作。此狀態(tài)下，小發(fā)電機的接觸器被切

除，如果風速有效，風機就切換到”投入G2〃狀態(tài)，如果風速低于限定值，風機將切換到''空

轉G2〃狀態(tài)。

風機工作狀態(tài)之間轉變

風機工作狀態(tài)之間轉變

說明各種工作狀態(tài)之間是如何實現(xiàn)轉換的。

提高工作狀態(tài)層次只能一層一層地上升，而要降低工作狀態(tài)層次可以是一層或多層。這種

工作狀態(tài)之間轉變方法是基本的控制策略，它主要出發(fā)點是確保機組的安全運行。如果風力發(fā)電

機組的工作狀態(tài)要往更高層次轉化，必須一層一層往上升，用這種過程確定系統(tǒng)的每個故障是否被

檢測。當系統(tǒng)在狀態(tài)轉變過程中檢測到故隙，則自動進入停機狀態(tài)。

當系統(tǒng)在運行狀態(tài)中檢測到故障，并且這種故障是致命的，那么工作狀態(tài)不得不從運行直

接到緊停，這可以立即實現(xiàn)而不需要通過暫停和停止。

下面我們進一步說明當工作狀態(tài)轉換時，系統(tǒng)是如何動作的。

1.工作狀態(tài)層次上升

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緊停一停機

如果停機狀態(tài)的條件滿足，貝小

1）關閉緊停電路；

2）建立液壓工作壓力；

3）松開機械剎車。

停機一暫停

如果暫停的條件滿足，則，

1）起動偏航系統(tǒng)：

2）對變槳距風力發(fā)電機組，接通變槳距系統(tǒng)壓力閥。

暫停一運行

如果運行的條件滿足，則：

1）核對風力發(fā)電機組是否處于上風向；

2）葉尖阻尼板回收或變槳距系統(tǒng)投入工作；

3）根據(jù)所測轉速，發(fā)電機是否可以切人電網。

2.工作狀態(tài)層次下降

工作狀態(tài)層次下降包括3種情況：

（1）緊急停機。緊急停機也包含了3種情況，即：停止一緊停；暫停一緊停；運行一緊停。

其主要控制指令為：

1）打開緊停電路：

2）置所有輸出信號于無效：

3）機械剎車作用；

4）邏輯電路復位。

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（2）停機。停機操作包含了兩種情況，即：暫停一停機：運行一停機。

暫停一停機

1）停止自動調向；

2）打開氣動剎車或變槳距機構回油閥（使失壓）。

運行一停機

1）變槳距系統(tǒng)停止自動調節(jié)