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风力发电机组的载荷计算方法概述
许明１田徽通讯作者）位王海宽１王丽丽１魏玉通１
内蒙古农业大学机电工程学院；２．华北电力大学可再生能源学院
【摘要】介绍了风力发电机组栽荷的分类和负栽的来源；介绍了计算风力发电机组栽荷的基
本方法：动量——叶素理论及风力发电机组主要载荷的确定方法；介绍了风力发电机组大型设计软
件ＢＬＡＤＥＤ软件和有限元分析软件ＡＮＳＹＳ在风力发电机组栽荷分析上的应用。
【关键词】风力发电机组载荷计算ＢＬＡＤＥＤ软件有限元法
大型水平轴风力发电机组运行在复杂的自
然环境中，所受载荷情况非常复杂，随着风力发
电机组的大型化，发电机组的载荷分析问题更
加突出。风力发电机组的载荷分析不足，将造成
发电机组不能正常运行，甚至损坏。因此有必要
对风力发电机组进行载荷分析，随着风力发电
机组大型设计软件和有限元法在风力发电机组
上的运用．为发电机组的载荷计算提供了一种
可靠的计算方法。
１风力发电机组的载荷分析
１．１栽荷的分类【１司
１．１．１静态载荷。指施加在不运动结构上的不
变载荷。
１．１．２稳态载荷。指施加在运动结构上的不变
载荷。
１．１．３周期载荷。按照一定关系和周期变化的
载荷。主要由于叶片旋转引起的负载，与风轮总
量、风切变有关。
１．１．４瞬态、动载荷或冲击载荷。对瞬时外界负
载进行响应的时变负载，体现为瞬态响应振荡，
·６·最终衰减。
１．１．５脉动载荷。短时间的时变负载，可能会出
现很大的尖峰值。
１．１．６随即载荷。具有明显随机特性的时变负
载，平均值可能相对稳定，但振幅很大。
１．１．７谐振诱导载荷。来自风力发电机组部件
固有频率动态谐振动响应的周期负载。不属于
一个单独类别负载，单独列出是由于它可能会
引起严重的后果。
１．２负载的来源ｎ泻
１．２．１气动力。气动力为负载的主要来源，与功
率产生有关，在风力发电机组结构设计中。考虑
为大风和引起疲劳损坏的气动负载。大风时叶
片静止，此时阻力是主要考虑因素。叶片旋转运
二、风力发电系统有哪些设备组成
2.1 基本原理和部件组成如下：
大部分风电机具有恒定转速，转子叶片末的转速为64米/秒，在轴心部分转速为零。距轴心四分之一叶片长度处的转速为16米/秒。图中的黄色带子比红色带子，被吹得更加指向风电机的背部。这是显而易见的，因为叶片末端的转速是撞击风电机前部的风速的八倍。
大型风电机的转子叶片通常呈螺旋状。从转子叶片看过去，并向叶片的根部移动，直至到转子中心，你会发现风从很陡的角度进入（比地面的通常风向陡得多）。如果叶片从特别陡的角度受到撞击，转子叶片将停止运转。因此，转子叶片需要被设计成螺旋状，以保证叶片后面的刀口，沿地面上的风向被推离。
2.2 风电机结构
机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。机舱左端是风电机转子，即转子叶片及轴。
转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。
轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。
低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代600千瓦风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。
齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。
高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。
发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。
偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。图中显示了风电机偏航。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。
电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。
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特大型风力发电机组技术概述
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（国华能源投资有限公司）
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直驱式风力发电机原理及发电机组概述
二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。
使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。
低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。
近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。
下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。
外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。
盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱盘式风力发电机组的结构示意图。
