定桨距失速型风电机组

近些年来，风力发电的主流机型主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节与变速恒频4种。各种机型的叶轮均采用水平轴、三叶片、上风向布置；额定转速约27r/min。舱内机械采用沿轴线布置的结构；控制系统均使用微处理器，对前三种机组采用了晶闸管恒流软切入技术，并且采用了双速电机；对定桨距失速型机组，用叶尖扰流器作为气动刹车。液压系统作为变距系统、制动系统及叶尖气动刹车的执行机构。

尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中，已经开始采用变桨距和变速恒频技术，但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性，也对机组的成本和可靠性提出了挑战。而定桨距风力发电机组结构简单、性能可靠的优点是其它种类机组无法比拟的，现今任然是广泛采用的风电机组。本章主要关注的问题既针对大容量定桨距风电机组中异步风力发电机的并网过程，故有必要对定桨距风电机组相关内容进行介绍。

1定桨距风力发电机组结构

定桨距失速型风电机组的典型代表是丹麦NEG MICON 600/700/750KW机组。它有三种可供选择的额定功率，分别是600KW、700KW、和750KW，其机舱内的机械设计具有良好的互换性，可根据需要在同一机舱内选派不同的发电机和增速器，并根据安装点不同的年平均风速，选择不同长度的桨叶，构成三种不同功率的机组。该机组也是我国目前装机数量最多的机型之一。

定桨距风力发电机组的主要结构特点是，桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶节距角不能随之变化。这也使得当风速高于风轮的设计点风速——即额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突失负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。20世纪70年代失速性能良好的桨叶的出现，解决了风力发电机组的主动失速性能的要求，以及20世纪80年代以及叶尖扰流器的应用，解决了在突失负载情况下的安全停机问题，这些使得定桨距失速型风电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位。最新推出的兆瓦级风电机组仍有部分机型采用该项技术。

定桨距风电机组的执行机构包括液压系统和偏航系统。液压系统是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关指令；偏航系统使风轮轴线与风向保持一致。

定桨距失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有复杂的液压传动机构和扰流器，叶片质量大，制造工艺难度大，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。定桨距失速型风电机组主要有以下几部分组成：叶轮、增速机构、制动机构、发电机、偏航系统、塔架、机舱、加温加压系统以及控制系统等。其中水平轴、三叶片、上风向的定桨距失速型风电机组的结构如图2-2所示：

图1  世俗性风力发电机组的结构

1.轮毂（装叶片） 2.主传动轴 3. 增速齿轮箱 4. 机械刹车 5.发动机 6. 刹车 7. 风速风向仪

2定桨距风机功率特性

风力发电机组的输出功率主要取决于风速，同时也受气压、气温和气流扰动等因素的影响。定桨距风机桨叶的失速性能则只与风速有关，直到达到叶片气动外形所决定的时速调节风速，不论是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用定桨距风机的主动时速性能使得其输出功率始终限定在额定值附近。

同时，定桨距风力发电机组还存在低风速运行的效率问题。在整个运行风速范围内（3m/s25m/s）由于气流的速度是在不断变化的如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就必然要使风轮在低风速时的效率降低（而设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态）。同时发电机本身存在低负荷时效率问题，尽管目前用于风力发电机组的发电机已能设计的非常理想，它们在P>30%额定功率范围内，均有高于90%的效率，但是当功率P<25%额定功率时，效率任然会急剧下降为解决的问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机，极对数分别设计成2对极和3对极。

另一方面改变桨叶节距角的设定也显著影响额定功率的输出，图2-3为600KW定桨距失速型风电机组在不同节距角时的功率曲线。

从定桨距失速型风电机组的功率曲线图中，我门口看到，定桨距风力发电机组在风速达到额定值以前就开始失速，到额定点时的功率系数已经非常小了。调节桨叶的节距角，只是改变桨叶对气流的时速点。节距角越大，气流对桨叶的时速点越高，其最大输出功率也越高。这就是定桨距风力发电机在不同的空气密度下桨叶安装角的原因。

（a）节距角为0°时风机功率输出曲线  （b）节距角为15°时风机功率输出曲线

图2 定桨距失速型风电机组风机输出功率曲线

3 定桨距风电机组中异步发电机的选用

双速异步发电机指具有两种不同的同步转速的电机，异步电机的同步转速与电机定子绕组的极对数和电网频率的关系为：

             n_N=60F/N_p                                                  

式中：

N_p为极对数，n_N为异步电机的同步转速。只要改变异步电机定子绕组的极对数就能得到不同的同步转速。改变电动定子绕组极对数的方法有如下2种方式：

（1）采用两台定子绕组极对数不同的异步电机；

（2）在一台电机的定子上放置两组极对数不同且相互独立的绕组，即双绕组的双速电机；

双速异步发电机的转子皆为鼠笼型的，鼠笼型转子能自动适应定子绕组极对数的变化。国内外定桨距风电机组中的双速异步发电机皆采用4/6双速异步发电机，其同步转速分别为1500rpm和1000rpm，小电机的额定功率设定成大电机的1/5至1/4之间，低风速时小电机工作，高风速时大电机工作，这样不仅桨叶具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高的水平。提高了定桨距风电机组的风能利用效率，也减小了定桨距风力发电机组与变桨距风力发电机组在进入额定功率前功率曲线之间的差异。

二、定桨距失速型风电机组运行过程分析

定桨距失速型风电机组运行状态主要有待机状态、起动状态和大小电机并脱网、切换及停机状态。

1待机状态

当风速高于3m/s，但不足以将风电机组拖动到切入的转速，或者风电机组从小功率（逆功率）状态切出，没有重新并入电网，此时风力机处于自由转动状态，称为待机状态。待机状态除了发电机没有并入电网，机组实际上已经处于工作状态。控制系统在此时也已做好切入电网的准备。一旦风速增大，转速升高，发电机即可并入电网。

2风力发电机组的并网

当风速继续升高。达到4m/s时，风电机组起动到某一设定转速，此时发电机按控制程序被自动地联入电网。一般总是小发电机先并网，当风速继续上升到8~20m/s时，则直接从大发电机并网。

发电机的并网过程，是通过三相主电路上的三组晶闸管完成的。当发电机过渡到稳定的发电状态后，与晶闸管电路平行的旁路接触器闭合，机组完成并网过程，进入稳定运行状态。为了避免产生电火花，旁路接触器的开与关，都是在晶闸管关断之前进行的。

3大小电机之间的切入

当风速继续升高至7~8m/s时，切换到大电机运行。小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。如NEG Mincon750KW机组以10分钟平均功率达到某一预置值P₂作为切换依据。执行小发电机向大发电机切换时，先断开小发电机接触器，其次断开旁路接触器。此时，发电机脱网风力将带动发电机转速迅速上升到大发电机同步转速附近。

在大发电机运行时，如果风速降低，执行大发电机向小发电机切换。当大发电机功率持续10分钟内低于预置值P3时，或10分钟平均功率低于预置值P4时，作为大发电机向小发电机切换的依据。切换时，先断开大发电机接触器，其次断开旁路接触器。由于存在过速保护和计算机超速检测，因此，应迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将大电机转速脱到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。或者采用另一种方式，即在大电机切除电网时释放叶尖扰流器，使转速降低到小电机并网预置点一下再收回扰流器，小电机并入电网，如NEG Mincon750KW风力发电机组就是采用这种切换方式。

4脱网停机

在发电机运行时，如果风速进一步升高，超过风电机组安全运行的风速范围时，则大发电机脱网，执行停机动作。

由于风速过高引起的风力发电机组退出电网有以下几种情况：

（1）风速高于25m/s，持续10分钟。一般来说，由于受叶片失速性能限制，在风速超。出额定值时发电机不会因此上升。担当电网频率上升时，发电机同步转速上升，要维持发电机处理基本不变，只有在原有转速的基础上进一步上升，可能超出预置值。这种情况通过转速监测和电网频率检测可以做出迅速反应。如果过转速，释放叶尖扰流器后还应使风力发电机组侧风90°，以便转速迅速降下来。当然，只要转速没有超出允许限额，只需执行正常停机。

（2）风速高于33m/s，持续2s，正常停机。

（3）风速高于50m/s，持续1s,安全停机，侧风90°。

5双速发电机功率曲线

上述所介绍的双速发电机的各个工作状态可由图2-4表示。由于风速的随机变化，大小电机的并网次数很高，频率切换，主回路所产生的瞬时大电流会对电机以及主回路的元器件产生不同程度的冲击，还会减小发电量。因此大小电机切换风速设有一重复区段，即在功率曲线上有一回环，既可降低切换次数，减少器件损耗，还可以提高大小电机在不同风速下的效率。