[科普中国]-风轮机组

将风能转换为电能的机械、电气及其控制设备的组合。通常包括风力机、发电机、变速器(小、微容量及特殊类型的也有不包括变速器的)及有关控制器和储能设备。按其安装轴的方向可分为水平轴式和垂直轴式两种。水平轴式应用较广且技术最为成熟。

结构介绍风轮机组包括风轮、发电机；风轮中含叶片、轮毂、加固件等组成；它有叶片受风力旋转发电、发电机机头转动等功能。风力发电电源由风力发电机组、支撑发电机组的塔架、蓄电池充电控制器、逆变器、卸荷器、并网控制器、蓄电池组等组成。

风力发电机组进行发电时，都要保证输出电频率恒定。这无论对于风机并网发电还是风光互补发电都非常必要。 要保证风电的频率恒定，一种方式就是保证发电机的恒定转速，即恒速恒频的运行方式，因为发电机由风力机经过传动装置进行驱动运转，所以这种方式无疑要恒定风力机的转速，这种方式会影响到风能的转换效率；另一种方式就是发电机转速随风速变化，通过其它的手段保证输出电能的频率恒定，即变速恒频运行。1

发展背景近年来，全球可再生能源利用年增长率达到25%．可再生能源的利用将以电力行业为主导，非水力可再生能源的发电比例将扩大两倍。据统计，2002年可再生能源的消费虽约14亿t油当量，2030年将超过22亿t油当量。风能发电作为除水力发电外技术最成熟的一种可再生能源发电，其装机容量占整个可再生能源发电装机总容员的绝大部分。但是电力电子器件性能的限制，给大容量风电机组的研制及应用造成了一定的瓶颈。

随着大功串的电力电子器件和能源存储设备的进一步发展，风力发电在总投资或发电费用上可与常规能源相竞争，风力发电技术也会得到更大的发展。

此外，随着风电场的容量不断增加，当电网电压发生跌落时，保证风电机组不脱网运行、维持区域电网的稳定显得更加重要。随着大功率的电力电子器件及其控制技术的发展，风电机组所面临的低电压穿越问题将能得到很好的解决。

类型特点恒速恒频风轮机组恒速恒频风力发电机组主要分为笼型感应发电机恒速恒频风力发电机组和电励磁同步发电机恒速恒频风力发电机组．具有以下特点：

（1）机组结构简单，适合在野外环境工作；

（2）由于转速不变．无法进行最大功率点跟踪控制，发电效率降低；·

（3）当风速快速升高时，由于转速不变，风能将通过浆叶传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，从而引起这些部件疲劳损坏。该类型风力发电机组由于在低风速区域效率低，主要应用于小功率、机组容量低于600kw的系统。

恒速恒频风力发电机组在正常发电过程中，发电机定子绕组直接接入电网，其转速由电网频率确定．风力发电机组的转速在整个运行风速范围内保持恒定。

其优点是：不需要采用大功率全控开关器件进行变频控制，降低整个机组的成本和控制复杂程度；

缺点是：整个风力发电机组的转速恒定，使得机组在低风速区间内不能以员位叶尖转速比运行，造成低风速区间内的能量损失。

变速恒频风轮机组变速恒频风力发电机组由于其转速能随着风速的变化而变化．可以保证机组在低风速区域获得最大的风能利用串．其效率比恒速恒频风力发电机组高很多。

变速恒频风力发电机组主要分为双馈异步风力发电机组、永磁直驱风力发电机组和电励磁同步半直驱风力发电机组。目的，双馈异步风力发电机组为变速桓频风力发电机组中的主流机型。

变速恒频风力发电机组在正常运行过程中，其转速随着风速变化。

其优点是：在额定转速以下，风力发电机组的转速跟随风速变化，保证机组运行在最佳叶尖转速比点，使机组在低风速区间内获得最大风能利用率；

其缺点是：由于电网频率基本不变，而机组的转速在一定范围内变化，这就要求在发电机与电网之间增加全控变流器．以实现电网频率与发电机转速之间的解耦控制，因此，风力发电机组的成本和控制复杂程度会相应增大。

由于风电场一年内大部分时间段的风速都在额定风速以下，提高额定风速以下风力发电机组的风能利用效率是提高机组年发电虽的关键因素。另外，大功率的全控电力电子器件的出现，使得现代风力发电机组大都采用变速恒频风力发电机组。2

发展优势由于风电属于新能源范畴，无论是成本还是技术同传统的火电、水电相比还有较大的差距，因而风电的快速发展需要国家政策的大力扶持。纵观风电发展迅速的国家如德国、西班牙、印度，无一例外地都给予风电产业巨大的政策优惠。中国对风电的政策支持由来已久，力度也越来越大，政策支持的对象也由过去的注重发电转向了注重扶持国内风电设备制造。国家的政策支持将是风电设备制造业迅猛发展的根本保障，随着中国国产风机设备的自主制造能力不断加强，国家的政策支持力度也将越来越大，风电设备制造业面临难得的历史发展机遇。

中国正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。另外，除了风电设备整机需求不断增加之外，叶片、齿轮箱、大型轴承、电控等风电设备零部件的供给能力仍不能完全满足需求，市场增长潜力巨大。因此中国风电设备制造业景气持续。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2.53亿千瓦。近5年来，世界风能市场每年都以40%的速度增长。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。现在，风能发电成本已经下降。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。随着电力行业竞争的不断加剧，国内优秀的电力企业越来越重视对行业市场的研究，特别是产业环境的深度研究。

2012年12月各发电机组类型发电量情况：按发电机组类型来看：

水电发电量8641亿千瓦时，同比增长29.3%，全年实现大幅增长；

火电发电量39108亿千瓦时，同比增长0.3%，实现微幅增长；

核电发电量982亿千瓦时，同比增长12.6%，增速低于去年；风力发电量1004亿千瓦时，同比增长35.5%，维持较快增长。

安装选址风速及风向的变化对风力发电机的发电量有着较大的影响，通常，塔架越高，风速越大，气流越平稳，发电量越大。因此风力发电机的选址应慎重考虑，每一次安装都不同，而且要考虑塔筒高、电池组的距离、当地规划要求以及建筑和树木这些障碍物等因素。风机安装与选址具体要求如下：

（1）风力发电机组推荐的最小塔高是8米或距离障碍物5米以上安装范围中心的100m范围之内尽量没有障碍物；

（2）相邻两台风机的安装应保持在8~10倍风轮直径的距离；风机选址应避开紊流。选择年平均风速较大的地区，具有较稳定的盛行风向，且风速的日变化与季变化小；

（3）风机高度范围内的垂直方向的风速切变要小；选择尽可能少的自然灾害的地方；

选择安装位置时安全是首要关注的。因此，即使是在一个风速资源较不理想的地方安装风力发电机，安装时风轮叶片不得旋转。3

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所