风力发电机常见类型及其工作原理

1、概述

风力发电机组包含了由 风能到机械能 和由 机械能到电能 两个能量转换过程。传统的风力发电机组中就是以 主轴、齿轮箱、弹性联轴节和制动器 为传动装置，由增速齿轮箱将风轮输入的较低转速增大到发电机需要的转速，以满足发电机工作特性的需要。

风能具有 波动性 ，而电网要求稳定的并网电压和频率，风力发电机组通过机械和 电气控制 可以有效解决这一问题。

直驱型机组采用 永磁同步发电机 或 电励磁同步发电机 ，简化了传动系统，因其转速低，所以 极数较多、体积庞大，增大了运输和吊装难度 ，

2、发电机常见类型

①并网型风力发电机组常用的发电机有 异步发电机、双馈异步发电机、永磁或电励磁同步发电机 等。

②异步发电机按转子结构分有 鼠笼式异步发电机 和 绕线式异步发电机 。

③同步发电机按照励磁方式的不同，有永 磁同步发电机 和 电励磁同步发电机 两种，主要用于 直驱型 和 半直驱型 风力发电机组 。

3、同步发电机的基本结构和过载原理

①感应电势的频率取决于同步电机的转速和极对数，即f=pn1/60，n1：同步转速，p：极对数。额定输出功率：PN=（√3 ） UNIN cosφN 。 cosφN:额定功率因素。

②同步电机的主要运行方式有三种：发电机、电动机、补偿机。

③从结构特点来看，同步电机分为发电机、电动机。

④同步电机的基本结构由两部分组成：一是静止部分，即电枢称为定子；二是旋转部分，即磁极称为转子。转子磁极由厚为 1~5mm 的 钢板冲片 叠成。

⑤励磁机。目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用 硅整流装置 将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。主要三种为： 直流励磁机励磁、静止整流器励磁、旋转整流器励磁。

4、异步发电机

异步发电机由 定子、转子、端盖、轴承 等部件组成。定子由 定子铁芯、定子三相绕组和机座 组成。转子由 转子铁芯、转子绕组及转轴 组成。绕线式转子的绕组采用 波形绕组 。双馈异步发电机基本结构与一般绕线式异步电动机相同，通常采用 耐电晕绝缘材料 和 绝缘轴承 或 绝缘端盖 结构。

转差率：s=(n1-n)/n1 ，式中n1-同步转速，r/min; n-转子转速，r/min 。按照转差率的正负、大小；异步电机可分为 电动机0<s<1 、 发电机s<0 、 电磁制动s>1 。正常运行的异步发电机转速在很小的转差范围内变动，一般为2%~5%。异步发电机的输出功率与转速有关，通常在高于同步转速 3%~5% 时的转速时达到 最大值 ，超过这个转差，感应发电机将进入不稳定运行区，设计制造的异步发电机 额定转差值越大 表明其 抗风扰动的能力越强 。

电机工作时内部会产生损耗，包括 铁耗、铜耗、机械耗、杂散损耗 。

铁耗 主要是定子铁芯损耗。

铜耗 是电流流经定转子绕组时，由于绕组具有一定电阻所引起的损耗。

机械损耗 ：电机转子转动时，存在轴承摩擦及风阻等阻力转矩，此阻力转矩消耗的功率称为机械损耗。

杂散损耗 ：定子及转子绕组中流过电流时，除产生基波磁通外，还产生 高次谐波磁通及其他漏磁通 ，这些磁通穿过导线、定子及转子铁芯、机座、端盖等金属部件时，在其中感应电势和电流并引起损耗，这部分称为杂散损耗。杂散损耗与 气隙的大小、槽配合数、槽口形式及制造工艺 等因素有关。

5、双馈异步发电机工作原理

通常讲的双馈异步发电机实质上是一种 绕线式转子发电机 ，由于其定转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。双馈电机的转子绕组具有 可调节频率的三相电源激励 ，一般采用 交-交变频器 或 交-直-交变频器 供给 低频电流 。

与同步电机相比，双馈电机 励磁可调量 有三个：一是与同步电机一样，可以调节 励磁电流的幅值 ；二是可以改变 励磁电流的频率 ；三是可以改变 励磁电流的相位 。通过改变励磁频率，可调节 转速 ；通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节 有功功率 和 无功功率 的目的。而 同步电机的可调量只有一个 ，即励磁电流的 幅值 ，所以调节同步电机的励磁一般只能对 无功功率 进行 补偿 。

双馈电机的 控制系统 可分为三个单元： 速调整单元 、 有功功率调整单元 、 电压调整单元（无功功率调整）

双馈电机与同步机交-直-交系统相比，还有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的10%-20%）、重量轻的优点，更适合于风力发电机组使同时也降低了造价。

与鼠笼型异步发电机相比，通过双馈变频器的 四象限 运行，可使双馈风力发电机运行转速范围大大提高， 转速范围 增大 ±30% 左右，电机转子旋转速度在低于同步转速时，变频器向电机转子输出有功功率；转子旋转速度高于同步转速，转子通过向变频器向电网输出有功功率。

6、同步电机与异步电机的区别

同步电机分为 同步发电机 和 同步电动机 。现代发电厂中的交流发电机以 同步电机为主。 同步发电机具有 自动电压调整功能 （AVR）， 自动调节励磁电流 ， 保持发电机输出电压稳 定； 具有极强短时热过载能力 ； 其强励能力最强 。

双馈异步发电机转速运行范围大，只要双馈变频器容量不受经济限制，双馈异步发电机转速运行范围可以是 0~2倍同步转速 。双馈变频器采用 矢量控制 ，有功、无功分量完全解耦，可以使双馈异步发电机灵活输出超前、滞后无功功率，可以改善电网功率因数，稳定电网电压。

异步发电机外网电压故障瞬间，与同步发电机一样有极强过载能力，但由于没有励磁绕组，短路电流很快衰减，必须依靠无功补偿装置，或采用主动时速。减少滞后无功功率，但同时有功功率会减小，其 强励能力较差 。

7、直驱型同步发电机

①电励磁同步发电机的 特点 是转子由 直流励磁绕组 构成，采用 凸极 或 隐极 结构，通过 励磁控制器 调节发电机的励磁电流，从而实现变速运行时 频率恒定 ，并可满足电网低电压穿越的要求。

②永磁同步发电机采用 永磁体励磁 的好处： 消除了励磁损耗，提高了效率 ，实现了发电机 无刷化 ；并且运行时，不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以 改善电网的功率因数 ；采用风力机对发电机之间驱动的方式，取消了齿轮箱，提高了风力发电机组的 效率 和 可靠性 ，降低了设备的维护量。 对风力发电机 工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而控制风轮的转速。

③永磁直驱同步发电机系统存在的 缺点 是： 对永磁材 料的性能稳定性要求高，对永磁体失磁现象和降低电机重量等问题还缺少有效的应对办法。另外， 还存在谐波电流对电网的污染问题 。 IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的 120% 以上 。

但是用IGBT逆变器也带来一些 好处 ： a、使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，电机内不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能；b、有功功率和无功功率的控制更为方便；c、大功率IGBT容易驱动；d、IGBT有很好的的电流共享性，这对于要达到风力发电机所需要的功率水平，进行并联使用非常必要的；e、开关时间短，导通时间不到1ms，关断时间小于6ms，使得管子功耗小。

⑤转子此路结构，通常按照 永磁体磁化方向 和 转子旋转方向 的相互关系，分为 切向式、径向式、混合式 和 轴向式 四种。

⑥永磁发电机的 磁场不可调 ，需要 全功率整流 ，成本较高。

⑦永磁电机的磁钢一般采用钕铁硼这类高导磁材料，具有较高的磁场。 磁滞回线宽 、 剩磁 和 矫顽力 等参数都很大的铁磁材料 称为 硬磁材料 ，又称为 永磁材料 ， 其磁性能指标 通常指 剩磁、矫顽力和最大磁能积。

⑧ 常用的永磁材料 有 铸造型铝镍钴、粉末型铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼 等。

⑨第三代稀土永磁 钕铁硼 是当代磁铁中性能 最强 的永磁铁。它的 BHMAX值 是铁氧体磁铁的5~12倍，是铝镍钴磁铁的3~10倍；它的 矫顽力 相当于铁氧体磁铁的5~10倍，铝镍钴磁铁的5~15倍。，其潜在的磁性能极高，能吸起相当于自身重量640倍的重物。钕铁硼磁铁的不足之处是其 温度性能不佳 ，在高温下使用磁损失较大，最高工作温度较低。一般为 80℃ 左右，在经过特殊处理的磁铁，其最高工作温度可达 200℃ 。

永磁同步发电机的特点可概括如下： 采用永磁体励磁；多级、低速、容量大；无需直流电励磁；无需无功励磁；无需集电环、电刷等装置；需要配置全功率变频器。

8、在定桨距风力发电机组上应用的鼠笼式异步发电机

并网特点：①鼠笼式异步发电机由定子励磁建立磁场时，需要消耗无功功率，一般大型风力发电机组在控制柜内加装 并联电容 ，减少从电网吸收的无功功率，改善风力发电机出口的功率因素。②并网瞬间存在很大的 冲击电流 ，应在接近同步转速时并网，一般都加装专用的 软起动限流装置 。

9、在变桨距变频风电机组中应用的双馈异步发电机

1）双馈异步发电机定子的结构与普通的鼠笼式发电机定子相同，转子部分则各不相同。双馈异步发电机转子绕组采用 波形绕组 ，转子线圈一般采用 星形连接 。

2）滑环装置与转子同轴设置，变频器通过电刷和滑环装置给转子提供交流电流为双馈异步发电机提供励磁。

3）转子非传动端装配测量转子角速度的传感器，用于测量转子角速度，以反馈给控制系统进行转速的调节。

4）为确保发电机的正常运行，一般还在电机上采用下列 监控措施 ： ①定子线圈的温度监控；②轴承的温度监控；③内部热空气的温度监控；④电刷磨损监控。

5）国内目前市场占有率最高的1.5MW变速恒频风力发电机组采用的电机是 1.5MW双馈异步电机 。定子机壳的结构形式根据 冷却方式确定 ，或采用 箱式焊接结构 ；或采用 水夹层结构 。

6）转子非传动端 装有 速度传感器 ，速度传感器小轴的 径向跳动 应不超过 0.05mm 。

7）双馈异步发电机的 冷却方式 一般采取 空-空冷却 或 机壳水冷 两种方式。

8）无刷双馈异步电机 ，取消了 电刷 和 滑环 系统，该类型电机定子侧具有两套极对数不同的绕组，分别是 功率绕组 和 控制绕组 。控制绕组接 双向能量流动变频器 ，既作交流励磁绕组，也可通过双向能量流动变频器向电网输出功率。功率绕组用于向电网输出功率。转子采用 自行闭合 的 环路结构 ，两套定子绕组在电路和磁路方面是 解耦 的，取消了滑环、电刷，弥补了双馈异步发电机的不足。

9）双馈异步发电机变频器采用 矢量控制技 术，在发电机侧变频器采用 定子磁场定向矢量控制 ，电网侧变频器采用 电网电压定向矢量控制 ，同时通过 电磁转矩控制环 和 电流控制环 ，实现 有功、无功分量完全解耦控制 。

10）根据风速的大小及发电机的转速，及时调整转子绕组三相电流的 频率、幅值、相位、相）序 ，调节 风电机组的转速、有功功率和无功功率 输出。定子侧可感应出恒定频率的三相交流电，还可以灵活控制双馈异步发电机输出超前或滞后的无功功率，调节发电机功率因数。

11）双馈异步发电机通过变频器的控制调节可以实现 大滑差 运行，转子机械转速与定子同步转速的转差一般可达到 ±33% ，远高于普通的鼠笼发电机，双馈异步发电机可以有效的提高风资源的利用率。

12）根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可有一下三种运行状态：

① 亚同步运行状态 （也称为次同步或欠同步）。此状态下n<n1,0<s<1由转差频率为f2的电流产生的旋转磁场转速n2与转子转速方向相同。由n+n2=n1。转子励磁功率spem>0，转子吸收电源功率。

② 超同步状态 。n>n1，s<0，改变通入转子绕组的交流频率f2的相序，则其所产生的旋转磁场n2与转子的转向相反，因为由n-n2=n1。转子励磁功率spem<0，转子吸处于发电状态向电源送电，定子发电。

③ 同步运行状态 。N=n1，转差s=0，spem=0，此时通过转子绕组的电流频率为0，也就是直流电流，因此与同步发电机一样。

13）双馈异步发电机并网特点 ：

①双馈异步发电机可实现连续 变速 运行，风能 转换效率高 ；

②变频器只参与 部分功率转换 ，变流器成本相对较低；

③ 并网简单 ， 无冲击电流 ， 电能质量好 ；

④ 输出功率平滑 ， 功率因数高 ，一般为 0.95（滞后）~0.95（超前） ；

⑤可有效 降低 变桨距控制的 动态响应要求 ，改善作用在风轮桨叶上 机械应力 状况，一般在桨叶只需要在 高风速 时才参与 功率控制 ；

⑥双向变流器 结构 和 控制 较复杂；

⑦ 电刷与滑环 间存在 机械磨损 ，需要经常维护。

90、风力发电机组系统对发电机的总体要求：

风力发电机组要求电机输出 50Hz，690V三相交流电（网侧电压：3AC690V+10%，电网频率50Hz-2.5Hz/+1.5Hz） ,主要性能指标如下：

① 电气性能 （如电机类型、额定功率、额定电压、极数、相数、额定转速、发电机转速范围、额定效率、功率因数、定子接线方式）。

② 绝缘及防护性能 （如绝缘等级、温升、发电机防护等级、环境工作温度等，双馈电机还包括滑环外壳防护等级）。

③ 机械性能 （如电机安装方式、发电机倾斜角、旋转方向、总声压级、转动惯量、平衡精度、冷却方式、润滑方式、润滑脂牌号、润滑间隔时间等）。

上述三类性能指标一般写在发电机铭牌上。

④ 监控信号及保护 ：a、 温度监测 。绕组保护 PTC （有的双馈电机设置）；b、 速度监测 。测量转子角速度的编码器，一般固定在电机转子 非传动端力矩支架上 ，将测得的电机 转速信号 传输给 变频器 。 编码器小轴 的 径向跳动 要求不超过 0.05mm 。变频器具有对发电机定子和转子 短路值 和 浪涌保护 的功能。一般变频器提供的 电压变化率dV/dt<1.5kV/us 、来自变换器（转子绕组侧）的最大电压为 1800V 。

11、运行环境 对发电机提供的外部条件及电机应采取的措施。

① 环境温度 。风力发电机组有可能经受使用期间 -40℃~50℃ 的环境温度，温度越低，油的黏度越大，流动性就差，需要润滑的部位可能得不到充分的润滑油供给，影响 油膜 形成。

② 湿度 。湿度大的环境使电机 绝缘材料 的 机械强度 和 耐电强度 大大降低，加速绝缘材料的老化。

③ 盐雾 。盐雾对金属物的腐蚀破坏主要与 浓度、温度、含氧量、腐蚀电位 有关。盐雾与设备电器元件的金属物物件发生化学反应后使原有 的 载流面积减小 ，生成氧化合物使电气触点接触不良，它们将导致电气设备故障或毁坏。

④ 海拔 。风电机组运行海拔高度一般低于1000m，对于安装在海拔1000m以上的电机，海拔每增加100m，功率降低1%使用，或者温升限值降1%。

⑤ 台风 。台风过后应对电机对中、地脚和轴承做相应检查。

12、发电机的安装与维护。

1）发电机的适用环境条件为：①海拔高度应不超过1000m；②环境空气温度：-30℃~+50℃；③环境空气相对湿度为95%±3%。

2）安装时用1000V兆欧表测量发电机定子绕组对机壳的冷态绝缘电阻不应低于50MΩ。

3）维护与保养： 日常巡检时应注意检查发电机 ： 电机地脚及与联轴器之间连接螺栓是否紧固；电机接线盒内接线柱与电缆连接螺栓是否紧固；绝缘电阻是否满足要求；转动部件周围应有保护装置；通风罩上不能放置任何物体，避免因接触造成事故；轴承维护和润滑；滑环和电刷维护；清洁电机和过滤器等。对电机进行维护工作之前确保电机主回路及辅助系统供电尤其是加热器、辅助风机电源等已处于断电状态。 主要包括以下内容：

①机械连接 ；

②电气连接 ；

③绝缘电阻 ： 每半年至一年 检查一次定子绕组绝缘电阻，如不符合标准规定，可按如下方法处理》 方法一：用循环热空气吹 。 方法二：分别将定子绕组通以25%额定电流的单相或直流电源加热，或用加热带进行加热。用以上方法对定子绕组加热时，应使各定子绕组各部位不要超过90℃，干燥过程应连续，直到绝缘电阻保持稳定至少4h。

④ 轴承的维护、保养及更换 ：a、电机已由制造厂加注了正确牌号和正确数量的润滑脂，因此建议累计运行 2000~3000 h后加注一次润滑脂；b、轴承 常见的故障 是： 过热、噪声过大或从轴承室可感到轴承运转不平稳，拆下轴承盖后如在润滑脂中混杂有从轴承上掉下的金属颗粒，必须更换轴承 。c、当必须更换润滑脂时，轴承室内应加满约 2/3 的润滑脂。d、在更换新碳刷时要进行碳刷与滑环接触面的研磨，基础面积达到 80% 以上。e、存放：发电机应该存放在环境空气温度 -10~40℃ ，相对湿度不应超过 85% 、清洁、通风良好的库房内，空气中不得含有腐蚀性气体，包装箱与地面、墙壁应该保持一定的距离。

13、发电机常见故障处理

1）绝缘电阻

①故障现象：发电机噪声太大。故障原因：装配不好、轴承损坏、定子线圈绝缘损坏或硅钢片松动、旋转部分松动。处理方法：重新装配、更换轴承、更换定子或重新绝缘、检查，对症处理。

②故障现象：电机过热。故障原因：轴承故障、通风故障、电机过载、系统振动过大、定子绕组局部短路、冷却空气流量太小。处理方法：检查轴承，对症处理、排除通风故障、减小负载、对症处理、排除短路点、加大流量。

14、 轴承与润滑 。

笼型电机 两端均采用 非绝缘深沟球轴承 ， 双馈电机 两端均采用 绝缘深沟球轴承 。常见的用于 直驱 或 半直驱 的永磁同步发电机有 内转子 和 外转子 两种方式 。

①前后两端端盖均装配有 锥型润滑油嘴 或 自动注油器 ，用于加注油脂。

②一般风力发电机轴承设计寿命20年，故障条件概率10%，平均维护间隔时间6个月，一般情况下轴承转动灵活无异音，温升不超过55℃。 常见轴承故障 包括 轴承温升过高、轴承异音、轴承烧死等。

③如果发现轴承温升突然 快速上升 ，但还 未超过 允许值55℃，系统没有报警时，应及时找出原因予以处理。一般原因有：加油过多或过少，油质不纯，变质，轴承径向游隙太小，轴承窜油，轴承质量不良，油封摩擦以及内部不干净等。此类问题通常应及早按用户手册要求处置，以免使问题扩大化。温升超过55℃，系统报警，应立刻停机，全面检查。

④轴承质量故障 常见有的是 轴承轨滚道表面被剥离，变得非常粗糙 ； 轨道表面变色 ； 刮痕 ； 生锈和腐蚀 ； 轴承内、外圈以及滚动体部分破损和破裂 ，初期会造成轴承 过热 。长时间过热运行，将导致 轴承烧死，保持架破裂 ，

⑤检查电机 地脚固定点 是否与 地基 存在间隙使用 塞尺 。

⑥绝缘轴承的电气绝缘一般要求耐受 3kV工频电压1min 。

⑦电机润滑方式包括： 手动注油 和 自动注油 两种方式。

⑧、滑环室安装在电机外部的非传动端，防护等级IP23。滑环由三个绝缘滑环和一个没有绝缘的轴接地滑环组成。 滑环室过滤器一般应每年更换一次 。 滑环的一般维护周期为6个月。 清洁之后检查滑环绝缘（>500MΩ）。 目测滑环面， 如果表面粗糙、有毛刺、锈蚀，或检测滑环的 径向跳动超差（大于0.05mm） ，要求重新磨滑环。 电刷维护，电刷要定期检查，一般更换周期为 6个月 ，更换所有损坏和磨损到线（剩余新电刷高度的1/3）而不能正常运行的电刷，用同一型号规格的新电刷代替。新电刷需要在电机外预磨，电刷接触面积须达到80%以上。 刷握维护一般 每年 进行一次。

⑨ 电机振动大的原因： 螺栓和地脚安装螺栓是否松动、对中检测、电机转轴跳动、电机转子动平衡情况。