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风力发电技术进展很快，本人不揣浅陋，在此对风力发电机组的构造略作概述。风力发电机组的机械件是指机组在各种允许的状态下，始终不带电的零部件。
相应地，风力发电机组中，在各种允许的状态下，有可能带电的零部件，称为电气件。下面首先介绍风力发电机组的机械构造，然后介绍机组的电气构造。
一、机械构造
全部的机械件构成整个风力发电机组的机械构造。从外观构造上，可以将风电机组划分为以下八个系统：
〔一〕转子
又叫叶轮、风轮，包括三个叶片和轮毂，以及相应的附件。
〔二〕传动系统
包括主轴、齿轮箱、联轴器三个局部。
主轴是指叶轮与发电机或者齿轮箱之间的连接局部，起支撑叶轮和传动风转矩的作用；
齿轮箱也叫增速齿轮箱，起到增速作用；
联轴器是连接传动轴〔driving shaft，指齿轮箱高速轴〕和非传动轴
〔driven shaft,指发电机前轴〕的弹性部件。
对于直驱型机组，其传动系统由较大区分。以金风 系列机组为例，传动系统比较特别，没有齿轮箱、联轴器、主轴等部件，叶轮直接与发电机外转子〔永磁体〕相连接。
〔三〕发电机
发电机是风力发电机组最重要的设备之一，是机电一体化的产物。从机械角度看，发电机的安装、对中、减震等都很重要。
〔四〕液压系统
在风力发电机组中，液压系统是机组重要的执行系统，从液压系统的组成上来说，它主要包括动力元件——液压泵、执行元件——液压缸和液压马达、掌握元件
——各种掌握阀、关心元件——蓄能器和油箱等；从液压的应用上来说，液压系统主要包括高速轴〔或低速轴〕机械刹车、液压变桨、叶尖扰流器掌握、偏航阻尼掌握等四个方面。
〔五〕偏航系统
偏航系统的机械部件主要包括：偏航电机、偏航减速器、偏航驱动齿轮、偏航轴承、偏航卡钳。其中偏航卡钳分为机械式偏航卡钳和液压式偏航卡两种，偏航轴承分为滑动轴承和滚动轴承两种。
〔六〕支撑系统
机组的主要支撑件构成机组的支撑系统，主要包括机舱架〔机架〕、塔架与根底三大局部。
〔七〕电气柜体
电气柜体主要包含了机组的电气掌握部件，从机械角度来看，电气柜体的布置、固定也格外重要。
〔八〕其它附件
除了上述七大件之外的其他局部，称为附件。如机舱罩、爬梯、助爬器、塔底支架等附属设备。
以上八个系统的主要机械件包括：叶片、轮毂、变桨机构与变桨轴承、主轴与主轴承、齿轮箱、联轴器、机械刹车、偏航机构与偏航轴承、液压站构造、机组润滑装置、机舱架、机舱罩、塔架、根底等十四个局部。
二、电气构造
假设说机械件是支撑起整个风力发电机组的筋骨，那么电气件就组成了整个机组的血液和神经系统。各个电气部件通过有机组合，构成整个机组的电气和掌握系统，简称电控系统。
风力发电机组的电气件分散于机组的各个局部，从位置上来看，电气件主要分散于以下三个地方：〔1〕塔底：即塔筒内的底部，一般设置有支撑架，称之为塔底支架，塔底支架用于放置各种电气柜和设备；〔2〕机舱：即塔筒顶部机舱罩包围的局部；〔3〕轮毂：即连接三个叶片和主轴的部件，对于电动变桨型机组的轮毂，其中包含了用于变桨掌握的各种电气件。
用于掌握风力发电机组各处执行机构的接触器、断路器、熔断器、避雷器、继电器、电源模块，以及各个地方的供配电设备，一般都集中安装在电气柜内，风力发电机组的电气柜主要包括：顶部掌握柜、底部掌握柜、变频柜、同步开关柜、各种配电柜、变桨内电气柜等，但是并非全部机组都含有以上柜体。
尽管各种机组的电控系统设计差异很大，但是依据功能的不同，可以将当前主流机型的整个电控系统划分为变桨系统、变速〔变频〕系统、主控系统、接地系统与防雷保护四个局部。
〔一〕变桨系统
变桨系统〔Pitch System〕，也即机组的变桨掌握系统，是指变桨型机组在运行过程中，通过转变叶片桨距角来进展功率调整的机组掌握子系统。变桨系统分为液压变桨和电动变桨两种，这里的变桨主要指电动变桨这种形式，而对于液压变 桨，我们将它划归在主控局部的液压系统中。
对于电动变桨系统，一般在轮毂中设置变桨电气柜来掌握叶片的变桨动作，并检测叶片角度及其它参数，通过穿过中空的主轴的电缆〔主轴电缆〕来实现轮毂与机舱掌握柜之间的能量和信息传递。为了便于表达，我们称穿过主轴中心孔的电缆为主轴电缆，主轴电缆一般包含三相 400VAC 供电电缆、24VDC 供电与信号电缆、 通信电缆等。
而轮毂中的变桨电气柜一般为七柜式：三个轴柜，分别负责三个叶片的变桨电机的掌握，主要包含三个变桨电机和电磁刹车的驱动装置；三个电池柜，包含有三个叶片在紧急状况下的顺桨供电电池；一个变桨主控柜，负责向三个轴柜和三个电池柜供电，并收集三个叶片的相关信息。或者为四柜式：将轴柜与电池柜合并为一个柜子。
〔二〕变速〔变频〕系统
对于目前几乎的全部变速型机组，无论是双馈型、半直驱型，还是直驱型机 组，都毫不例外地使用了变频器〔Frequency Converter〕，因此在现在以及将来的一段时间内，变频器必将作为风力发电机组中发电机掌握的关键设备而长期存 在。变频器，顾名思义就是对频率进展变换的器件，它是机组中最重要的电控设备之一，因此本书将变频器系统作为风力发电机组电控系统中的四大局部之一。
变频器一般由特地的厂家设计生产，市场上也有很多成熟的产品，例如龙源电气、清能华福、利得华福、ABB、西门子、阿尔斯通 Alstom、SEG、艾默生等公司都有产品。一般将变频器的柜体称作变频器柜，或变频柜。
〔三〕主控系统
主控系统〔Main Control System〕，顾名思义就是主要掌握系统，是由掌握器〔PLC、工控机等〕、执行元件、测量元件组成的系统。当前的风力发电机组， 一般都承受 PLC 作为主控的核心部件。PLC，即可编程规律掌握器〔Programmable Logic Controller〕的英文缩写，是当今工业掌握中应用很广泛的部件。PLC 的成熟产品都包含一整套的解决方案和模块，主要包括：数据运算与处理单元〔即CPU，Central Processing Unit，中心处理单元〕与存储器、电源模块、IO 模
块、专用通信模块、专用功能模块〔如技术器模块〕。其中，IO 模块包含 DI、DO、AI、AO 四种标准口，也包含专用与温度测量的 PT 口；专用通信模块，包含有各种通信协议和硬件接口，比方以太网、RS485、Profibus-DP 等通信模块，可满足不同环境和厂家的需求。基于这些特点，PLC 配以现场总线通讯，格外适合于风力发电机组上的应用。
风力发电机组的主要部件一般在机舱内，为了掌握和检测这些部件，一般在机舱中设置机舱掌握柜〔又叫机舱柜、顶部掌握柜、顶部柜〕，内置PLC 和各种开关，并通过工业总线通讯将信息传至塔底；在塔底一般设置底部掌握柜〔又叫底部掌握柜、底部柜〕，底部柜一般也内置 PLC，负责掌握和收集整个机组的设备和信息。
PLC 所掌握的部件以及连接的传感器格外多，为了便于理解，本书将 PLC 直接掌握的电气局部依据功能的不同划分为十五个模块〔子系统〕，并分别进展描述。尽管变桨系统和变频系统也在 PLC 的掌握和检测范围，但是变桨系统与变频系统从掌握上来说相对独立，因此将二者从主控系统中独立出来单独讲解。
主控系统所包含的十五个模块如下所示： 1、主电路构造
主电路系统是风力发电机组的发电回路，是大电流的流通回路，即发电机的定转子到箱变接线端子之间的功率回路，也称为风力发电机组的主回
路，主要包括以下局部：发电机、并网装置、主断路器、变频器主回路等。2、机组与风场通信系统
机组通信系统主要是指轮毂、机舱、塔底之间的信息交换，机组通信都承受总线通讯方式。常用的通讯协议有 RS485、RS232、RS422、Profibus、Modbus、CAN 等。
风场的通信是靠 SCADA 来实现的。SCADA 是 Supervisory Control And Data Acquisition 的英文缩写，即监视掌握与数据采集的意思。SCADA 系统的应用领域很广，主要应用于电力系统、给水系统、石油、化工、铁路等的数据采集与监视掌握以及过程掌握等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系 统。SCADA 系统是以计算机为根底的生产过程掌握与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进展监视和掌握，以实现数据采集、设备掌握、测量、参数调整以及各类信号报警等各项功能。
SCADA 系统是 3C〔Computer，Control，Communication〕技术融合的产物，目前 SCADA 技术已经进展到第四代。
3、传感器系统
传感器是风力发电机组掌握系统的耳目，掌握器通过机组的传感器系统感知各个位置、各个方面的信息，并以此为依据进展计算，然后向各执行机构输出适宜的动作量。
从原理上讲，风力发电机组用到的传感器主要有：〔1〕温度传感器，包括 PTC
〔正温度系数〕和 NTC〔负温度系数〕两种；〔2〕非接触磁电式脉冲传感器，包括电容式和电感式两种，用于测量转速；〔3〕光电感应式脉冲编码器，用于测量转速和位置；〔4〕压力传感器；〔5〕加速度传感器，一般用于振动监测；〔6〕 电位器，又叫变阻器；〔7〕湿度传感器，多用于湿控继电器；〔8〕行程开关，如叶片的 0°和 90°限位开关；〔9〕测速发电机，用于需转部件的速度测量；
〔10〕其它，如热继电器、压力继电器中承受的具有检测功能的触点。
从实际应用上讲，风力发电机组的传感器主要有：〔1〕风速仪，用于测量风速；〔2〕风向标，用于测量风向角度；〔3〕低速轴测速、高速轴测速传感器；〔4〕偏航传感器，包括偏航测速用编码器或者非接触磁电式脉冲传感器， 以及扭揽保护行程开关；〔5〕温度测量，包括主轴轴承、齿轮箱高速轴、齿轮箱油温、发电机绕组温度、机舱内外温度、各电气柜体内温度、IGBT 内核温度、冷却媒体温度、电池温度等；〔6〕压力测量：液压站油压测量、齿轮箱滤芯进口和出口油压；〔7〕掌握柜体内加热器和冷却风扇的温控继电器、湿控继电器等；
〔8〕刹车片厚度监测、刹车片温度检测；〔9〕振动开关，如振动小球〔Micon 600kW〕、振动摆锤〔G5X 850kW〕等；〔10〕其它带关心触点的变送器，如超速监测模块、振动监测模块、过宠保护模块等。
4、液压系统
液压系统是风力发电机组很重要的执行子系统之一，主控系统通过电磁阀〔包括比例阀〕以及压力传感器、压力继电器〔压力开关〕构成掌握闭环，以实现主控系统对液压系统的掌握和监测。
目前，风力发电机组中承受液压掌握的机构有以下四个方面：
〔1〕机械刹车；〔2〕液压变桨；〔3〕叶尖扰流器掌握；〔4〕偏航液压卡钳钳的掌握。
5、偏航系统
从电控的角度看，偏航系统是一个典型的随动掌握系统，主控通过接触器、软起动器来掌握偏航电机的正转、反转，通过偏航传感器来检测偏航转 向、转速状况，通过风向标来监测机组的对风角度。一台机组一般设置 2-4 个偏航电机，每台电机一般 2-6kW。为了不使偏航机构频繁动作，一般只有风向误差超过肯定角度、并且超过肯定时间才允许偏航，偏航机构在风向误差到达允许范围之后便停顿动作。
6、齿轮箱关心回路
齿轮箱是风力发电机组重要的机械部件。为了提高齿轮箱的运行状况，延长其使用寿命，优化其运行性能，主控系统通过一些列的加热、冷却、润滑、过滤设备来实现上述目的，并通过温度监测、压力监测来实现闭环掌握。
7、发电机关心回路
发电机的关心回路主要包括发电机绕组的加热和冷却、绕组的温度检测、发电机前后轴承的温度检测、冷却媒介的温度检测，假设有碳刷，还包括碳刷厚度的监测等。
8、机组照明和指示
机组照明主要包括轮毂、机舱、塔底、塔筒的照明，以及各个电气柜体内部的照明。
机组最主要的指示灯是航标灯，用于飞机导航指示，避开航空事故发生。航标灯一般承受主控的掌握，在夜晚时点亮；也有的不受掌握，始终处于点亮状态。
9、机组自动润滑掌握
为了削减机组的维护量，当前的一些机型设置了主要轴承的自动润滑装置，例如变桨型机组的叶根轴承的自动润滑，偏航轴承的自动润滑。
自动润滑的掌握方式有两种：一种是自主掌握的自动润滑，自动润滑装置依据事先的设定自动加润滑脂；另一种是由主控进展掌握的自动润滑，PLC 依据时间设定和运行状况给自动润滑装置发送加润滑油脂的命令。
10、机组冷却与加热掌握
机组的冷却和加热设计是一个比较简单的工程，用于不同地域的风力发电机组，其冷却和加热系统一般需要特地的设计，以增加机组的环境适应性。
机组的冷却和加热掌握包括两个层面：一是各零部件自身的冷却和加热设计， 二是整个机舱、轮毂、柜体的冷却和加热设计。
从掌握层面来看，冷却和加热掌握分为自主掌握和主控掌握两种类型，前者一般由温控继电器、湿控继电器掌握，后者一般由 PLC 通过温度检测来进展掌握。
11、机组供电设置
机组全部的执行部件和全部的监测部件都需要供电，可以将全部的这些需要供电的零部件统称为用电器。为了使各个用电器能够互不干扰、相对独立地工作，供电需要特地的设计，以免一个用电器的损坏影响其它回路的工作。
从整体上看，机组的供电回路呈树枝状分布。关键位置承受两套供电回路，一路为正常供电，另一路为紧急供电。
从电压等级和制式上看，供电回路包括单相/三相 690VAC、单相/三相 400VAC、单相 230VAC、24VDC 等形式。
供电回路的设置由各用电器的要求和分布状况打算。12、机组安全链与保护系统
机组的安全链和保护系统包括正常状况下的保护，以及紧急状况下的保护。机组的保护主要包括：〔1〕制动保护，包括两套刹车系统——气动刹车和机械刹车；〔2〕独立安全链；〔3〕防雷保护；〔4〕硬件保护，主要包括左右偏航、大小电机变换、Y-△变换使用接触器关心触点和继电器触点进展规律互锁， 零部件的冗余设计，以及快速熔断器〔快熔〕使用；〔5〕接地保护；〔6〕掉电保护，主要指使用备用电源〔UPS〕。
其中，系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使掌握系统发生特别，也不会影响安全链的正常动作。安全链承受反规律设计，将可能对风力发电机造成致命损害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后，将引起紧急停机， 执行机构失电，机组瞬间脱网，从而最大限度地保证机组的安全。串入安全链回路的主要触点有：〔1〕各处急停按钮；〔2〕叶轮超速保护；〔3〕机组振动保护， 可承受振动开关，或者特地的振动监测模块；〔4〕主控计算机看门狗；〔5〕扭揽保护开关；〔6〕24VDC 掌握用电源失电；〔7〕高速轴刹车片温度过高；〔8〕变桨系统安全链；〔9〕主接触器故障等。各种机组的安全链设置有较大差异。
13、机组功率掌握
机组的功率掌握是指机组主回路与电网之间的功率流淌的掌握。主要包括起动、停机、并网掌握、脱网〔解列〕掌握、限功率掌握、有功无功掌握、最正确桨距角掌握、最正确叶尖速比掌握、恒转矩〔恒功率〕掌握等。
14、机组无功补偿及其掌握
无功补偿的目的主要是提高电网功率因数及稳定电网电压；此外， 无功补归还可以削减电压闪变、降低过电压以及提高电力系统的静态和动态稳定性等。工程上应用的无功补偿装置包括旋转无功补偿器和静止无功补偿器。旋转无功补偿器主要同步调相机为代表，它既能发容性无功，也能发感性无功。但是这种无功补偿装置运行噪声大、效率低、动态响应慢且维护困难，20 世纪 70 年月以来已渐渐被静止无功补偿器取代。
静止无功补偿器包括饱和电抗器〔Saturated Reactor，SR〕、基于晶闸管掌握的静止无功补偿器〔Static Var Compensation，SVC〕以及承受 PWM 整流器拓扑构造的静止无功发生器〔Static Var Generator，SVG〕。
同时，另一种技术也渐渐在无功补偿上得到应用。在电力上一般将无功分为基波无功和谐波无功，其中消退谐波无功就是进展谐波无功的补偿，消退谐波的这种装置叫做有源电力滤波器〔Active Power Filter，APF〕。APF 与 SVG 的区分之处就在于，SVG 是一种基波补偿器，而 APF 是一种谐波补偿器。随着 APF 技术的进展，型的 APF 兼有谐波消退及无功补偿的功能。
目前，机组无功补偿主要承受并联电容的方式，也即晶闸管投切电容器
〔Thyristor Switch Capacitor，TSC〕的补偿方式。TSC 属于 SVC 的一种，掌握系统依据所需要的补偿量进展电容的投切，这种无功补偿的方式是分级调整的，不能连续调整无功功率，简洁消灭过补偿或者欠补偿，但运行时不产生谐波，损耗较小，且简洁实现，本钱低，易维护，所以仍得到广泛承受。
15、机组的其它掌握
风力发电是一个朝阳产业，进展快速，风力发电机组的掌握技术也日月异，思想技术的制造和应用都很快，另一方面，风力发电机组在掌握技术上有一些特别的要求，因此除了上述掌握技术外，还有其它一些掌握方面的技术要求，例如低电压穿越、风能推测、躲避共振点等技术，本书都会有涉猎。
〔四〕接地系统与防雷保护
整个机组以地网的形式接地，并通过碳刷、铜辫等部件将整个机组连接成等电位体，一方面实现对工作人员的保护，另一方面提高机组的防雷性能。主要的引雷部件有叶尖的接闪器、机舱尾部的避雷针，这些引雷部件都通过铜线连接到塔底的环形接地网上，以便在机组遭雷击时，能够将雷击电流快速引入接地 网，最终流入大地。