第四节 水平轴直驱式和混合式风力发电机组结构
1.直驱式风力发电机组结构及特点
所谓直驱式水平轴风力发电机组就是风轮直接驱动多极发电机的风力发电机组。
直驱式风力发电机组主要是由风轮和置于轮毂内的变桨距功率调节系统、多极永磁发电机、制动器、机舱、调向系统、液压系统、冷却系统、配电箱、起重机、塔架等组成。外转子式直驱式结构如图4-19所示。
图4-19 中国新疆金风科技研发的外转子式直驱式62/1200kW水平轴并网风力发电机组
1—叶片 2—轮毂 3—变桨距驱动系统 4—外转子多极永磁发电机 5—内定子轴 6—特殊机座 7—塔架 8—驱动调向大齿的减速机 9—风向传感、风速仪 10—机舱 11—机舱座 12—起重设备 13—通往机舱及机舱外顶的爬梯
直驱式风力发电机组的特点是省去了传统式风力发电机组所必须有的造价昂贵且寿命短的增速器，也省去了风轮轴和联轴器，因而其造价比传统式风力发电机组的造价低，其全效率也比传统式风力发电机组高。直驱式风力发电机组结构简单，零部件少，使用户的维护费用降低，尤其是省去了造价昂贵且寿命只有4～6年的增速器，又大大降低了用户的使用成本。直驱式水平轴风力发电机组是未来最有发展前景的机型之一，其原理如图4-20所示。
图4-20 直驱式水平轴用内转子式永磁发电机的风力发电机组原理
直驱式水平轴风力发电机组也有缺点，发电机为多极至使发电机的体积大，增加了发电机及整个风力发电机组的设计、运输和安装的难度。
（1）直驱式风力发电机组的风轮
直驱式风力发电机组的风轮也是叶片安装在轮毂上的总成，轮毂内置有变桨距的机械齿轮或液压连杆机构。轮毂也是球铁铸造成圆形，见图4-5。
（2）发电机
直驱式风力发电机组用发电机基本上都是多极永磁发电机，多极永磁发电机有内转子和外转子两种结构形式。
内转子多极永磁发电机的转子直接安装在风轮上，结构如图4-20所示，转子轴另一端通过轴承安装在一种特殊的机座上，如图4-21所示，称作直驱式机座，机座上有安装调向减
图4-21 直驱式风力发电机组的发电机转子就通过轴承固定在这种特殊的机座上
速机的位置。定子固定在这个机座上，机舱和机舱座都固定在这个机座上。直驱式机座安装在调向轴承上，调向轴承安装在塔架顶部，调向内齿圈安装在塔架顶部，与安装在直驱式机架上的调向减速机相啮合。
定子嵌有绕组，转子嵌有永磁体磁极。当风轮转动时转子转动，在定子绕组输出交流电。
直驱式外转子永磁发电机的转子与风轮连接，通过轴承与直驱式机座相连接。定子嵌有绕组直接安装固定在机座上。转子嵌有永磁体，当风轮转动时外转子转动，从内定子绕组输出交流电。
（3）直驱式风力发电机组的制动
直驱式风力发电机组的制动与传统式变桨距制动一样，其一是变桨距使叶片顺桨；其二是机械制动，所不同的是直驱式机械制动没有制动盘。内转子直驱式的制动是由安装在机座上的液压钳与转子延伸出来的制动毂实现机械制动；外转子直驱式机械制动是由安装在机座上的液压钳与外转子延伸出来制动毂实现机械制动。
（4）直驱式风力发电机组的其他系统
直驱式风力发电机组在机舱内还有液压系统为液压连杆机构变桨距提供动力。有冷却系统、电控箱、起重机等。
（5）直驱式风力发电机组的塔架
直驱式风力发电机组的塔架基本上都是锥圆筒式结构，塔筒内有出入机舱的爬梯或升降机，筒壁有铺设的电缆，塔筒底部设有进出的门，塔筒底部有避雷埋入地下的导线。
在中国，塔筒材料为Q345。
2.混合式水平轴风力发电机组的结构及特点
传统式水平轴风力发电机组通常采用4极、6极感应异步发电机或双馈式绕线转子异步发电机，转速为1000～1800r/min，为了风轮的转速与发电机转速匹配，不得不采用增速比很大的增速器，增速比i达到50～125。增速器不仅造价昂贵，增加了风力发电机组的制造成本，而且寿命只有4～6年，又增加了用户的使用成本。
直驱式水平轴风力发电机组省去了造价昂贵且寿命低的增速器，也省去了风轮轴、联轴器，使风力发电机组制造成本下降，但发电机体积庞大，又增加了设计、制造、安装、运输的难度。直驱式虽然采用多极永磁发电机，很难达到电流50Hz的频率，往往运行在频率低于50Hz的低频范围内，相对50Hz而言，多极永磁发电机没有发挥应有的效率。
混合式水平轴风力发电机组吸收了传统式和直驱式风力发电机组的优点。混合式风力发电机采用了多极永磁发电机，增速器的增速比i往往只有3.5～7.5，只要两级圆柱齿轮就可以达到。增速器的增速比小，造价低，寿命长，达到20年以上，不仅降低了风力发电机组的制造成本，也大大地降低了用户的使用成本。
混合式水平轴风力发电机组是未来最有前景的结构形式之一。
混合式水平轴风力发电机组的结构除增速器和发电机与传统式不同外，其他结构完全相同，这也为传统式风力发电机组改为混合式风力发电机组提供了极其方便的条件。
混合式风力发电机组也可以采用多极绕线转子交流励磁的异步发电机，只是这种发电机做到多极低转速难度较大，同时增速器的增速比可能要大一些，但要比传统式的增速器的增速比要小得多。