【风力发电】山顶的白色“大风车”你了解吗？
【风力发电】山顶的白色“大风车”你了解吗？
风力发电作为可再生能源的重要组成部分，其发电机组的结构和工作原理备受关注。本文将详细介绍风力发电机组的相关知识，包括术语定义、基本要求、外部条件、电气系统和控制系统等方面的内容，帮助读者全面了解这一清洁能源技术的核心要素。
术语定义
- 风力发电机组（Wind Turbine Generator System；WTGS）：将风的动能转换为电能的系统。示例如下：
支撑结构（Support Structure）：风力发电机组的塔架和基础部分。
机舱（Nacelle）：在水平轴风力发电机组塔架顶部，包含传动系统和其他装置的整个箱体。
轮毂（Hub）：将叶片或叶片组件连接到风轮轴上的固定部件。轮毂上还安装有整流罩。
桨叶（叶片）：叶片需考虑温度、湿度、盐雾、沙尘、辐射、雨蚀、结冰、防雷等环境因素对其设计寿命的影响。
扫掠面积（Swept Area）：风轮旋转一周所生成的圆在垂直于风向平面上的投影面积
下风向（Downwind）：与风矢量主方向一致的方向。
上风向（Upwind）：与风矢量主方向相反的方向
传动系统：机组传动系统用来连接风轮与发电机，并实现转速的变换与能量的传递，包括轮毂、主轴(如设计含有)、主轴承、齿轮箱(如设计含有)以及联轴器等。为了保证传动系统能够正常工作，同时还应保证传动系统的润滑和必要的支撑。
偏航系统（Yaw System）：使水平轴风力发电机组的风轮轴，绕塔架垂直中心线旋转的机构。偏航系统包括偏航驱动机构、回转支撑、制动装置等。偏航过程中,应有合适的阻尼力矩,以保证偏航平稳、定位准确。
变桨距系统（Pitch System）：控制并调整机组叶片桨距角的装置。主要包括变桨距控制装置，变浆距驱动装置、减速器、轴承、后备动力源、变桨距执行装置、变桨距润滑装置和变桨距检测装置。
冷却系统：对于机组内部转动部件，电气系统或柜体等对运行温度，环境温度等有具体要求的，应配置适当的冷却系统，满足温度控制要求。冷却系统介质的选择可以是风冷、水冷或其他冷却介质。冷却系统分主动冷却和被动冷却，主动冷却系统内零部件的选型应符合设计要求。 对配置冷却系统的，应对冷却介质的温度进行监测，温度过高时，机组应具有对应的保护措施。
空转（Idling）：风力发电机组缓慢旋转而不发电的状态。
制动器（Brake）：能降低风轮转速或使其停止旋转的装置。制动器可以利用气动、机械或电气原理进行工作
锁定（Blocking）：风力发电机组使用可靠的锁定销或其他机械装置(通常的机械制动器除外)，防止风轮主轴或偏航机构等的运动。
基本要求
寿命与可利用率。陆上机组设计寿命应大于或等于20年，海上机组设计寿命应大于或等于25年。整个风电场机组年可利用率不应低于95%，单台机组年可利用率不应低于90%
噪声。机组在输出功率为1/3额定功率时排放的噪声(等效声功率级)应小于或等于110 dB(A)，应满足GB/T20319的相关要求。 陆上特殊环境(如分散式、村庄、牧场等)应优化机位点，海上特殊环境(如渔场等)应优化机位点，使机组噪声影响最小。
安全。机组的安全等级应满足GB/T18451.1、GB/T31517.1的要求。机组的雷电防护应满足GB/T33629的要求。在电力线路、电气设备、控制柜外壳及次级回路之间施加1000VAC或1500 VDC的电压，测得的绝缘电阻应大于1MΩ。机组应配备必要的消防设备、应急设备和安全标识。机组设计时应设置合适的人员防火保护和机舱逃生路线
外部条件
环境条件如下表所示：
电网条件应满足：电压范围为额定电压士10%；频率范围为48.5Hz~50.5Hz；三相电压不平衡度,电网正常运行时，负电压不平衡度不超过2%,短时不超过4%。
电气系统
发电机，发电机应有可靠的冷却方式，发电机冷却系统应满足发电机散热需求。发电机设计寿命应满足机组寿命要求。
变压器，变压器应能承受频繁合闸引发的涌流带来的机械效应和热效应。变压器应考虑谐波电流引起的增容要求。
变流器，变流器的设计应能满足在稳态条件下，电压总谐波畸变率小于5%时稳定运行。变流器应能快速响应机组给定转矩指令，并转矩反馈精度满足整机控制要求。变流器在出现异常情况、超出变流器可承受限制时，变流器应具备故障保护功能，保护机组及变流器的安全。
控制系统
风力发电机组的控制功能应通过主动或被动方式控制运行，并使运行参数保持在结构设计假定的范围内。控制系统应具备监测机组运行数据的功能，应包括以下主要数据:
1、发电机轴承温度、绕组温度、机组有功功率与无功功率、电网三相电流、电网三相电压、频率转速;
2、机组有功功率、无功功率、发电量;
3、电网三相电流、三相电压、频率、功率因数;
4、发电机转速、转矩、轴承温度、绕组温度;
5、齿轮箱油温、轴承温度(如有齿轮箱);
6、液压装置油位及压力;
7、风速、风向、环境温度:
8、机组振动加速度;
9、风轮转速;
10、主轴承温度:
11、偏航状态、扭缆角度;
12、变流器控制参数:
13、机组桨距角,变桨距系统轴柜温度;
14、其他机组运行参数等。
参考资料
GB/T 18451.1-2022 风力发电机组 设计要求
GB/T 19960-2024 风能发电系统 风力发电机组通用技术条件和试验方法