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风力发电机组冷却系统

风力发电机运行过程中，齿轮箱、发电机、控制变频器、刹车机构、调向装
置及变桨系统等部件都会产生热量，其热量大小取决于设备类型及厂商的生产工
艺。目前，兆瓦级机组中主要散热部件为齿轮箱、发电机和控制变频器。因此要
解决机组的散热问题，首先应对以上三大部件进行散热分析。
齿轮箱在运转中，必然会有一定的功率损失，损失的功率将转换为热量，使
齿轮箱的油温上升。若温度上升过高，会引起润滑油的性能变化，黏度降低、老
化变质加快，换油周期变短。在负荷压力作用下，若润滑油膜遭到破坏而失去润
滑作用，会导致齿轮啮合齿面或轴承表面损伤，最终造成设备事故。由此造成的
停机损失和修理费用都是十分可观的。因此，控制齿轮箱的温升是保证风电齿轮
箱持久、可靠运行的必要条件。冷却系统应能有效地将齿轮动力传输过程中发出
的热量散发到空气中去。此外，在冬季如果长期处于0℃以下时，应考虑给齿轮
箱的润滑油加热，以保证润滑油不至于在低温黏度变低时无法飞溅到高速轴轴承
上进行润滑而造成高速轴轴承损坏。目前大型风力发电机组齿轮箱均带有强制润
滑冷却系统和加热器，但在一些地区，如我国广东省的沿海地带，气温很少低于
0℃，则无须考虑加热器。
发电机在工作过程中也会产生大量的热，其各种损耗是电机发热的内在因
素，主要包括：①铁损耗，包括转子表面损耗、转子磁场中的高次谐波在定子上
产生的附加损耗、齿内的脉振损耗、定子的谐波磁势磁通在转子表面上产生的损
耗，以及定子端部的附加损耗（这是定子端接部分的漏磁通在附近各部件中产生
的铁损耗）；②铜损耗，包括绕组导线中的铜损耗（常称为基本铜损耗）和槽内
横向漏磁通使导线截面上电流分布不均匀所增加的附加铜损耗；③励磁损耗，指
维持发电机励磁所产生的损耗，主要是励磁绕组中的铜耗和励磁回路中元件损
耗；④机械损耗，主要是轴承损耗和通风损耗（包括风摩损耗）及炭刷损耗。
单机容量增大是当今风电技术的发展趋势，而发电机容量的提高主要通过增
大发电机的线性尺寸和增加电磁负荷两种途径来实现。由于发电机的损耗与线性
尺寸的三次方成正比，因此增加线性尺寸的同时也会引起损耗增加，造成发电机
效率下降；而通过增加电磁负荷的途径，也因受到磁路饱和的限制很难实现。目
前，提高单机容量的主要措施是增加线性尺寸，但增加线性尺寸的同时会增加线
棒铜损，线圈的温度将增加，绝缘老化加剧，最终可能达到无法容许的程度。这
时就必须采用合适的冷却方式有效地带走各种损耗所产生的热能，将电机各部分
的温升控制在允许范围内，保证发电机安全可靠地运行。可以说，发电机单机容
量的增加主要是依靠电机冷却技术的提高来实现的。
控制变频器包括对系统运行进行实时监控的控制设备以及对发电机转子绕
组输入电流与发电机输出电流进行变频处理的变频设备。随着风力发电机组的发
展，系统的辅助及控制装置越来越多，控制变频器所承担的任务也因此越来越复
杂，产生的热量越来越大，为了保护风力发电机组系统各部件长期稳定运行，需
要及时对其进行冷却处理。
由于风力发电机组散热量来自机舱内各个组件，因此对机组采用的冷却方案
取决于机组所选用的设备类型、散热量大小和组件在机舱内部的位置等因素，冷
却方案设计具有灵活性、多样性。总体而言，早期的风力发电机组由于功率较小，
其发热量也不大，只需通过自然通风就可以达到冷却要求。随着风力发电机组的
功率逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求，目前运行的风力发电机
组普遍采用强制风冷与液冷的冷却方式，其中功率较小的风力发电机组多采用强
制风冷方式，而对于中大型风力发电机组，则需采用循环液冷的方式才能满足冷
却要求。
一、空冷方式
空冷方式是指利用空气与风力发电机组直接进行热交换达到冷却效果，它包
括自然通风冷却和强制风冷两种方式。
1.自然通风冷却
自然通风是指风力发电机组不设置任何冷却设备，机组暴露在空气中，由空
气自然流通将热量带走。早期的风力发电机组发电功率和散热量都较小，只需通
过自然通风即可满足冷却需求。
2.强制风冷
强制风冷是指在自然通风无法满足冷却需求时，通过在风力发电机组内部设
置风扇，当机舱内的空气温度超过某一值时，控制系统将机舱与外界相连的片状
阀开启，并使用风扇对风力发电机组内各部件进行强制鼓风从而达到冷却效果。
由于风冷通风系统的好坏直接影响到风力发电机组的冷却效果，与风力发电机组
的安全稳定运行密不可分，因此通风系统的设计显得至关重要。风路是否顺畅，
能否带走风力发电机组各个发热部位的热量，对风力发电机组的性能有很大的影
响。
强制风冷系统在具体实施时还可根据系统散热量的大小和各部件的散热特

性选用不同的冷却方式。一般功率在300kW以下的机组，其齿轮箱多数是靠齿轮
转动搅油飞溅润滑，齿轮箱的热平衡受机舱内通风条件的影响较大