2020风电场工程技术.docx

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1、风 电 场 工 程目录前言第 1 章绪论11. 1 国内外风电的研究现状及发展趋势11. 1. 1 国外风电概况11. 1. 2 国内风电概况31. 2 变速恒频风电技术51. 2. 1 异步发电机变速恒频风电系统61. 2. 2 交流励磁双馈式发电机变速恒频风电系统71. 2. 3 无刷双馈式发电机变速恒频风电系统71. 2. 4 直驱式永磁同步发电机变速恒频风电系统81. 2. 5 开关磁阻发电机变速恒频风电系统91. 3 风电设备制造业的发展状况91. 3. 1 国内风电设备制造业概况1. 3. 2 国外风电设备制造业概况 10 141. 4 海上风电场简介171. 4. 1 海上风能的

2、优点181. 4. 2 国内海上风电发展概况1. 4. 3 国外海上风电发展概况 18 211. 4. 4 海上风电设备制造业概况22第 2 章风能资源评估242. 1 风 的 测量242. 1. 1 测风系统的组成242. 1. 2 测 风 设备252. 1. 3 测风需要注意的问题282. 2 风电场所在地风能资源评估292. 2. 1 风能资源评估的目的和技术标准292. 2. 2 风能资源评估的步骤302. 3 数据验证、 处理和报告312. 3. 1 数 据 验证312. 3. 2 数据处理和报告372. 3. 3 风能资源评价402. 4 风能资源评估软件工具介绍412. 4. 1

3、 WAsP 软件41风电场工程2. 4. 2 WindFarmer 软件432. 4. 3 WindPRO 软 件2. 4. 4 WindSIM 软 件 44 50第 3 章风电场选址技术及实例分析523. 1 风电场选址技术概述523. 1. 1 风电场选址需考虑的基本要素523. 1. 2 风电场选址步骤543. 2 风电场宏观选址553. 2. 1 风电场宏观选址的基本原则3. 2. 2 风电场宏观选址的方法步骤 55 553. 2. 3 场 址 比选563. 3 风电场微观选址563. 3. 1 风电场微观选址的基本原则3. 3. 2 风电场微观选址的方法步骤 56 563. 3. 3

4、 机 型 比选573. 4 风电场年上网电量及容量选择和排列布置573. 4. 1 风电场年上网电量的计算573. 4. 2 风电机组的容量选择3. 4. 3 风电机组的排列布置 58 593. 5 某风电场风能资源评估和微观选址实例分析603. 5. 1 风电场风能资源评估3. 5. 2 风电机组选型及布置 60 69第 4 章风电场并网运行技术754. 1 风电场并网技术754. 1. 1 同步风电机组的并网技术4. 1. 2 异步风电机组的并网技术 75 764. 1. 3 交流励磁变速恒频风电机组并网控制804. 2 风电对电力系统的影响814. 2. 1 风电并网静态电压稳定性研究4

5、. 2. 2 风电并网暂态电压稳定性研究4. 2. 3 风电并网电网频率稳定性研究 82 83 844. 3 风电场接入电力系统技术规定844. 3. 1 风电场并网技术规范、 标准844. 3. 2 风电场无功配置及电压4. 3. 3 风电场有功功率和频率 85 894. 3. 4 风电场电能质量914. 3. 5 风电场并网二次部分924. 3. 6 风电场试验检测93目录4. 4 风电机组并网运行与仿真分析934. 4. 1 直驱式永磁同步风电机组并网仿真分析934. 4. 2 双馈式异步风电机组并网仿真分析98第 5 章风电场低电压穿越技术1025. 1 风电系统低电压穿越技术1025

6、. 1. 1 低电压穿越技术研究的必要性1025. 1. 2 现有的低电压穿越技术1035. 2 低电压穿越测试实例1095. 2. 1 风电场概况1105. 2. 2 主要设备参数1105. 3 风电机组基本参数1115. 4 测试设备及程序1125. 4. 1 试 验 设备1125. 4. 2 试 验 步骤1125. 5 测试实例分析1135. 5. 1 电压跌落至 75% Ue5. 5. 2 电压跌落至 50% Ue5. 5. 3 电压跌落至 20% Ue 113 116 120第 6 章风电场电能质量测试1246. 1 电 能 质量1246. 1. 1 供电电压偏差1256. 1. 2

7、 电力系统频率偏差1266. 1. 3 电力系统谐波1276. 1. 4 电压波动和闪变1286. 1. 5 三相电压允许不平衡度1306. 1. 6 暂时过电压和瞬态过电压1306. 2 风电场电能质量测试1326. 2. 1 测 量 程序1326. 2. 2 测 量 条件1336. 2. 3 测 试 设备1346. 2. 4 电能质量评估1346. 3 风电场电能质量测试实例1376. 3. 1 双馈式风电场电能质量测试1376. 3. 2 直驱式风电场电能质量测试1396. 4 电能质量测试数据及录波图1406. 4. 1 某风电场电能质量测试数据及录波图 （ 一）6. 4. 2 某风电

8、场电能质量测试数据及录波图 （ 二） 140 148第 7 章双馈式风电机组的运行与故障维护 157风电场工程7. 1 双馈式风电机组的运行与维护1577. 1. 1 双馈式风电机组的自动运行 （ 以东汽 FD771500kW 机组为例）1577. 1. 2 双馈式风电机组检修维护的注意事项1617. 2 华锐 FL1500 系列风电机组故障处理及维护维修1657. 2. 1 FL1500 系列风电机组的常见故障1657. 2. 2 FL1500 系列风电机组的维护及维修175第 8 章直驱式风电机组的运行与故障维护1958. 1 直驱式风电机组的运行与维护 （ 以金风科技 GW1500 系列

9、风电机组为例） 1958. 1. 1 直驱式风电机组的运行规程1968. 1. 2 机组运行维护安全规范1998. 1. 3 风电机组的保护措施2048. 1. 4 直驱式风电机组发电机的维护2088. 2 金风科技 GW1500 系列风电机组常见故障及维护维修2158. 2. 1 GW1500 系列风电机组简介2158. 2. 2 GW1500 系列风电机组维护及维修233第 9 章风电场的运行、 监控与管理2569. 1 风电场运行2569. 1. 1 风电机组运行2569. 1. 2 风电场运行监控2619. 1. 3 风电场调度运行2639. 1. 4 风电机组运行方式的优化2639.

10、 1. 5 风电场设备巡视2649. 2 风电场管理2659. 2. 1 风电场运行管理2659. 2. 2 安全作业与管理271参考文献275第 1 章绪论1. 1国内外风电的研究现状及发展趋势风能的动力应用已有数千年的悠久历史， 但风电的研发始于 19 世纪末期， 直至 20 世纪七八十年代并网风电场才进入现代电力系统。1. 1. 1国外风电概况随着现代科学技术的飞速发展， 特别是空气动力学、 尖端航天材料和大功率电力电子技术应用于新型风电系统的开发研制， 风电在近 20 年里有了飞速发展。欧美国家在风能的开发利用方面已取得了巨大成就， 以丹麦、 德国、 西班牙、 美国为主形成了一个规模巨

11、大的产业链条从风电机组的制造到机组的销售， 从基础科学研究到工程实际应用， 风电已成为当今电力系统最为活跃的研究领域之一。风能在世界各国呈快速增长趋势， 风电已经不再是补充能源， 是最具有商业化发展前景的新兴能源。 2013 年 4 月， 世界风能协会发布的 2012 年世界风能报告 指出， 2012 年世界风电新增装机容量近 45000MW， 美国以 13124MW 位列第一， 中国以 12960MW 位列第二， 德国和印度则分别以 2415MW 和 2336MW 位列第三和第四。 总投资额超过 560 亿欧元， 其中美国投资近 190 亿欧元， 欧洲投资约为 128 亿 172 亿欧元，

12、巴西投资约为 26. 3 亿欧元。 截至 2012 年底， 世界风电总装机容量达 282587MW， 其中 2012 年累计增加 19% ， 中国以 75324MW 的装机容量居世界之首， 美国则位列第二， 为 60007MW。 鉴于 2012 年的经济形势， 这已是一个相当高的行业增长率了， 尽管它低于过去十年平均每年 22% 的增长率。 世界风能协会预计， 2013 2017 年的 5 年间世界风电新装机容量年均增长约为 7% ， 到 2017 年末， 全球风电累计总装机容量将达 500000 536000MW， 其中亚洲 200000MW， 欧洲 170000MW， 北美 120000M

13、W， 拉美16500MW。 此外， 世界风电十强之外的国家风电装机容量也开始上升， 这说明世界上许多国家已经认识到了风电的重要性， 其中拉美地区显示出了令人鼓舞的增长， 新增装机容量超过一倍， 这主要归功于巴西和墨西哥风电的迅猛发展。2012 年世界风电总装机容量和新增装机容量前十位国家见表 11。9第 1 章 绪 论表 11 2012 年世界风电总装机容量和新增装机容量总装机容量/ MW百分比（% ）新增装机容量/ MW百分比（% ）中国7532426. 7美国1312429. 3美国6000721. 2中国1296028. 9德国3130811. 1德国24155. 4西班牙227968.

14、 1印度23365. 2印度184216. 5英国18974. 2英国84453. 0意大利12732. 8意大利81442. 9西班牙11222. 5法国75642. 7巴西10772. 4加拿大62002. 2加拿大9352. 1葡萄牙45251. 6罗马尼亚9232. 1其他3985314其他673715. 1前十总计24273486前十总计3806284. 9全球总计282587100全球总计44799100注： 数据来源： 中国风能协会。欧洲各国是风电技术传统强国， 其中利用风能最成功的国家是德国、 西班牙和丹麦， 欧洲新增的电力装机容量中大约有 1 / 2 将由风电提供， 美国和加

15、拿大是北美利用风能最好的国家。 为促进风电的发展， 世界各国政府特别是欧美国家出台了许多优惠政策， 主要包括有： 投资补贴、 低利率贷款、 规定新能源必须在电源中占有一定比例、 从电费中征收附加基金用于发展风电、 减排 CO2 奖励等。欧洲的德国、 丹麦、 荷兰等采用政府财政扶持、 直接补贴的措施发展本国的风电事业； 美国通过金融支持， 由联邦和州政府提供信贷资助来扶持风电事业； 印度通过鼓励外来投资和加强对外合作交流发展风电； 日本采取的措施则是优先采购风电。随着风电并网功率和风电场在电力系统中穿透功率的快速增长， 围绕并网的电压波动、 闪变、 谐波、 稳定性等成为重要的研究课题。 由于风具

16、有天然的随机性， 风电并网和其他常规发电并网有很大区别， 大型风电并入电力系统运行对整个电力系统构成新的挑战， 高风电穿透水平要求重新考虑电力系统运行方式。 在恒速恒频风电占主导地位时， 软并网技术是研究热点， 软并网技术是指通过控制发电机与电力系统之间用做并网开关的双向晶闸管的触发延迟角来控制并网冲击 电流， 以达到平滑并网的目的， 但该技术的适用条件受到发电方式的限制。 近年来， 全球风电技术经历了快速发展， 在欧洲， 双馈式发电机从 2002 年开始变成主导技术， 市场占有率超过 50% ， 采用双馈式发电机和通过电力电子接口并网成为现代风电的主要趋势， 大型风电场及其并网已经成为当代电

17、力系统一个重要的研究领域。 国外对双馈式发电机的数学建模、 控制策略、 并网引起的电能质量问题进行了深入研究并给出了各自的结论。 随着风电机组单机容量和风电场规模的扩大， 风电场对地区电网的稳定性造成的影响不可忽视， 大型风电低电压穿越技术成为研究热点。1. 1. 2国内风电概况在我国， 目前大多数的发电厂是用传统能源进行发电， 这不仅对环境造成了污染， 随着化石燃料的枯竭也将引起我国的能源危机， 使我国能源问题面临严峻的挑战。 寻求新的可替代能源及开发新能源发电技术， 成为我国 21 世纪重大的研究课题， 关系到我国未来的科技与经济的发展， 新能源是一个十分广阔的研究领域。10m我国幅员辽阔

18、， 海岸线长， 风能资源比较丰富。 根据气象部门的资料， 我国高度陆地风能理论储量为 32. 26 亿 kW， 估计 10% 可供开发， 再考虑到实际风能扫掠面积为圆形与正方形的差别系数为 0. 785， 则陆地风能实际可开发量约为 2. 53 亿 kW， 近海风能资源大约为 7. 5 亿 kW， 仅次于美国和俄罗斯， 居世界第三位。 全国风能详查和评价结果显示， 我国风能资源丰富， 全国陆上 50m 高度层年平均风功率密度大于等于 300W/ m2 的风能资源理论储量约为 73 亿 kW，陆上 80m 高度， 风速达到 6. 5m / s 的风能资源技术开发量为 91 亿 kW。 根据国际上

19、对风能资源技术开发量的评价指标， 在年平均风功率密度达到 300W/ m2 的风能资源覆盖区域内， 考虑自然地理和国家基本政策对风电开发的制约因素， 并剔除装机容量小于 1. 5MW/ km2 的区域后， 得出我国陆上 50m、 70m、 100m 高度层年平均风功率密度大于等于 300W/ m2 的风能资源技术开发量分别为 20 亿 kW、 26 亿 kW 和 34 亿 kW。我国从 20 世纪 70 年代就将风能的开发利用列入 “ 六五” 国家科技攻关计划， 但以离网型风电为主， 主要解决常规电网覆盖不到的边远农牧民、 岛屿居民的生产生活用电。 在 “ 七五”、 “ 八五” 和 “ 九五”

20、 期间， 原国家计委和原国家科委分别组织了综合性风能科技攻关， 内容涉及风能资源、 风电机组空气动力学、 结构动力学、 电机、 控制和材料等。 我国的大型风电从 20 世纪 80 年代中后期开始真正起步， 先引进了定桨距恒速风电机组， 90 年代引进了变桨距恒速风电机组， 近年来又引进和开发了变速恒频风电机组。我国风电也呈现出良好的发展势头， 表 12 列出了 2005 年以来风电总装机容量的增长情况， 展望未来， 我国 2020 年全国风电装机容量有望突破 2 亿 kW， 我国风电在大规模非水可再生能源发电中的先行地位已经明确。表 12 我国历年风电总装机容量（ 单位： MW）年份20052

21、006200720082009201020112012新增装机容量50712883311615413803189281763112960累计装机容量1250253758481200225805447336236475324注： 数据来源： 中国风能协会。内蒙古不仅风能资源和风电装机排名全国第一， 而且风电接入电网比例等多项指标居国内领先水平。 2012 年风电发电量 178 亿 kWh， 同比增长 34. 8% ， 2013 年一季度风力发电 45 亿 kWh， 同比增长 56% 。 2012 年风电最大发电负荷710 万 kW， 日最大发电量 1. 2 亿 kWh， 最大当日供电量占比 33

22、% ， 仍然保持国内领先水平， 并得到了国家能源局的高度重视。 风电极大期电网系统电压正常， 未发生风电大面积脱网事故。 但是， 由于电网调峰能力不足， 冬季弃风严重， 严寒期弃风达 40% 50% ， 3 月份弃风接近 30% 。 内蒙古电力 “ 风火并举” 战略为电力系统注入了 “ 绿色能源” 的新鲜血液， 并随之产生风电汇集、 短期功率预测、 输送、 电压稳定性、 动态无功潮流、 配套的输变电工程等许多新的研究课题。此外， 海上风电由于资源富集、 风速稳定、 不占用土地、 不受地形地貌影响、 单机容量大等优点成为当今风电发展的一个新趋势。 目前， 海上风电技术日趋成熟， 并开始进入规模化

23、开发阶段， 丹麦、 德国、 西班牙、 瑞典等国家均在建设大型海上风电场， 还有许多国家也在制订近海风电发展计划。 我国江苏响水20 万 kW 风电场是国家第三批风电特许权项目， 由三峡集团所属长江新能源公司负责开发， 风电场首批 23 台 1. 5MW 的风电机组于 2010 年 5 月 18 日并网运行， 项目在 2011 年上半年实现全部 134 台风电机组并网发电； 江苏盐城大丰风力发电有限公司规划了二期风电场工程， 总容量20 万kW； 浙江慈溪也在一、 二期 10 万 kW 风电场的基础上， 又规划近海风电场装机容量 10 万 kW； 国家海上风电示范项目、 上海市重大工程东海大桥

24、10 万 kW 海上风电场 34 台 3MW风电机组于 2010 年 7 月 6 日完成全部安装和调试， 并投入并网运营。 此外， 2012 年以来， 特大型风电机组应用于海上风电呈如火如荼之势。 重庆海装的5MW 双馈型机组在江苏如东吊装， 湘电风能的 5MW 直驱型机组在福建吊装， 联合动力的 6MW 双馈型机组在山东潍坊并网发电。 2013 年， 东汽、 金风科技、 明阳均有 5MW 以上海上风电机组下线。由于风电的强随机性， 风电穿透功率水平增大后， 会对电能质量和电力系统的正常运行产生严重影响， 国内对此进行了较深入的研究。 有的文献对风力发电机组的无功功率极限及其控制和风电穿透功率

25、极限进行了理论研究， 并得出了我国电网目前可接受的风电穿透功率不能超过 12% 的理论结论， 而丹麦并网运行风电穿透功率水平早已高于 20% ， 这就产生了一个问题： 如何采用新技术进一步提高我国风电穿透功率水平。并网运行的风电场由于可以得到大电网的补偿和支撑， 成为国内风电的主流。 同时， 国内也在积极开展兆瓦级变速恒频风电机组的研发工作， 兆瓦级变速恒频风电机组是国家 “863” 计划重大课题， 1MW 变速恒频风电机组已于 2005年 8 月并网运行。 中国科学院电工研究所在承担国家 “863” 科技攻关计划的基础上开发研制了 1. 5MW 双馈式变速恒频风电机组控制系统及励磁变流器。

26、兰州电机厂与清华大学及沈阳工业大学合作， 于 2005 年 4 月自主研发了国内首台1. 5MW 变速恒频双馈式异步发电机， 并成功并网发电。 现在国内兆瓦级风力发电机除了新疆金风科技股份有限公司 （ 后简称 “ 金风科技”） 和哈尔滨大电机研究所研制的是永磁同步发电系统外， 华锐风电科技 （ 集团） 股份有限公司 （ 后简称 “ 华锐”）、 东方汽轮机有限公司 （ 后简称 “ 东汽”） 等厂家生产的都是双馈式风电系统。 2011 年我国新安装的风电机组中， 平均功率为 1. 545MW， 与2010 年相比继续保持增长， 制造业面向海上风电积极研制多兆瓦级风电机组。据不完全统计， 到 201

27、1 年， 我国大约有 20 家整机企业宣布了研制多兆瓦级大功率风电机组的计划， 功率范围多集中在 3 6MW。此外， 我国对开关磁阻发电机、 爪极发电机应用于大型变速恒频风电也展开了探索性应用基础研究。 我国近期风电发展的工作重点如下：1） 大力加强大容量风电机组的研制， 加快风电设备制造国产化步伐。2） 解决好大规模风电进入电网的有关问题， 使风电成为我国电力发展的重要组成部分。3） 大力组织全国风能资源详查， 建立数据库， 为风电发展提供坚实的科学基础。4） 开展海上风电场的科学、 安全、 合理开发的前期研究。5） 采取有力措施， 积极贯彻实施可再生能源法， 以形成良好的发展环境。1. 2

28、 变速恒频风电技术风电系统按照发电机运行方式可分为恒速恒频 （ Constant Speed Constant Fre quency， CSCF） 风电系统和变速恒频 （ Variable Speed Constant Frequency， VSCF） 风电系统两大类。恒速恒频方式保持发电机的转速不变， 从而得到恒频的电能。 恒速风电机组的一个显著缺点就是风速变化时， 风能利用系数不可能一直保持在最佳值， 不能最大限度地捕获风能， 风能利用率不高。 此外， 对恒速风电机组来说， 当风速跃升时， 风能将通过风力机传递给主轴、 齿轮箱和发电机等部件， 在这些部件上产生很大的机械应力， 如果上述过程

29、频繁出现会引起这些部件的疲劳损坏， 因此设计时不得不加大安全系数， 从而导致机组重量加大、 制造成本增加。而当风电机组采取变速运行时， 风速跃升所产生的风能， 其中部分被加速旋转的风轮所吸收， 并以动能的形式存储于高速运转的风轮中， 通过对发电机的转速控制， 使风电机组运行中保持最佳叶尖速比， 实现最大风能追踪控制， 减小柔性风能系统传动链上的疲劳负载， 提高了传动链的柔性， 从而避免了主轴以及传动机构承受过大扭矩和机械应力。 当风速下降后， 在相关电力电子装置调控下， 将高速风轮所存储的动能释放出来并转变为电能送入电网， 通过风轮的加速、 减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用， 使风力机组内部

30、能量传输部件应力变化相对平稳， 防止破坏性机械应力产生， 从而使风电机组运行更加平稳和安全。变速恒频风电是 20 世纪 70 年代中后期逐渐发展起来的一种新型风电技术， 其主要优点在于发电机以变速运行。 由于工业控制领域交流电动机的调速技术在很多设备中已经得到了成熟的应用， 通过调节发电机转子电流的大小、 频率和相位， 从而实现转速的调节， 可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比， 进而实现追求风能最大转换效率； 同时又可以采用一定的控制策略灵活调节系统的有功、 无功功率， 抑制谐波， 减少损耗， 提高系统效率。 将调速系统和变桨距调节技术结合起来， 就构成了变速恒频风电系统。 尽管变

31、速系统与恒速系统相比， 风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵， 但其成本在大型风电机组中所占比例并不大， 因而大力发展变速恒频技术将是今后风电的必然趋势。变速恒频风电机组采用不同类型的发电机， 并辅之相关的电力电子变流装置， 配合发电机进行功率控制， 就构成了形式多样的变速恒频风电系统。 下面对其进行简要的介绍。1. 2. 1异步发电机变速恒频风电系统在笼型异步发电机恒速恒频风电系统的基础上， 在定子侧配备变流装置， 即可构成笼型异步发电机变速恒频风电系统， 其系统结构示意图如图 11 所示。 由于风速的不断变化， 风力机以及转子的转速也随之变化， 所以发电机发出的电能的频率也是变化的。

32、 因此， 在定子绕组与电网之间增加一个变流器环节， 先整流再逆变就可以把频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能送入电网。 这种方案实现了变速恒频， 具有了变速运行范围宽的优点， 适用于风速变化较大的环境， 而且维护简便。 但是由于变流器在发电机定子侧， 变流器的容量必须与发电机的容量相等， 属于全功率变换， 导致变流器体积大、 重量大， 系统成本较高。图 11 异步发电机变速恒频风电系统1. 2. 2交流励磁双馈式发电机变速恒频风电系统交流励磁双馈式发电机是在同步发电机和异步发电机的基础上发展起来的一 种新型发电机， 其结构类似绕线转子异步发电机， 具有定、 转子两套绕组， 其转子一般由

33、接到电网上的电力电子变流器进行交流励磁， 由于发电机的定、 转子均接交流电 （ 双向馈电）， “ 双馈式发电机” 由此得名， 其本质上是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机。 双馈式发电机 （ Doubly Fed Induction Generator， DFIG） 的变速恒频控制方案是在转子电路实现的， 其系统结构示意图如图 12 所示。图 12 交流励磁双馈式发电机变速恒频风电系统类似于绕线转子异步电动机串级调速， 流过转子回路的功率是双馈式发电机的转速运行范围所决定的转差功率， 该转差功率仅为定子额定功率的一小部分， 而且可以双向流动。 因此， 与转子绕组相连的励磁变流器的容量也仅为

34、发电机容量的 30% 左右， 属于转差功率变换， 大大降低了变流器的体积、 重量和成本。采用双馈发电方式， 突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念， 使原动机转速不受发电机输出频率限制， 而发电机输出电压和电流的频率、 幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响， 机电系统之间的刚性连接变为柔性连接。 基于上述诸多优点， 由双馈式发电机构成的并网型变速恒频风电系统已经成为目前风电方面的研究热点和发展趋势。1. 2. 3无刷双馈式发电机变速恒频风电系统采用无刷双馈式发电机的风电系统示意图如图 13 所示， 其定子有两套极数不同的绕组， 一套称为功率绕组， 直接与电网连接； 另一套称为控制绕组，

35、通过双向变流器接电网。 无刷双馈式发电机转子为特殊设计的笼型或磁阻式结构， 取消了电刷和集电环， 转子的极对数应为定子两个绕组极对数之和。 无刷双馈式发图 13 无刷双馈式发电机变速恒频风电系统电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于标准型双馈式发电机的定子绕 组和转子绕组。 无刷双馈式变速恒频控制方案是在定子电路实现的， 但流过定子控制绕组的功率仅为发电机总功率的一小部分， 因此控制绕组外接变流器的容量也仅为发电机容量的一小部分， 从而大大降低了变流器的体积和重量。 尽管标准型双馈式发电机和无刷双馈式发电机的运行机制有着本质的区别， 但却可以通过完全相同的控制策略实现变速恒频控制。1.

36、2. 2 节提到的双馈式发电机， 在结构上通常可以将它作为绕线转子异步电动机考虑， 因而有集电环、 电刷等装置存在， 这种摩擦接触式结构增加了运行维护工作量。 无刷双馈式发电机的出现理论上弥补了传统标准型双馈式发电机的不足， 但是兆瓦级无刷双馈式发电机由于定子设计、 制造工艺的制约还没有实现产业化， 所以影响了其在大型风电系统中的应用。1. 2. 4直驱式永磁同步发电机变速恒频风电系统在常规火力发电系统中， 同步发电机使用最为普遍。 同步发电机在运行时既能输出有功功率， 又能提供无功功率， 且频率稳定， 被电力系统广泛接受。 在同步发电机中， 发电机的极对数、 转速及频率之间有着严格不变的固定

37、关系， 以便维持发电机的频率与电网的频率相同， 否则发电机将与电网解列。 其系统结构示意图如图 14 所示， 该系统所采用的发电机为永磁同步发电机， 转子为永磁式结构， 无需外部提供励磁电源， 提高了效率。 其变速恒频控制也是在定子电路实现的， 把永磁同步发电机发出的频率变化的交流电通过交直交并网变流器转变为与电网同频的交流电， 因此变流器的容量与系统的额定容量相同。 采用永磁同步发电机可做到风力机与发电机的直接耦合， 省去齿轮箱， 即为直接驱动式结构， 这样可大大减小系统运行噪声， 提高可靠性。 由于直驱式永磁同步发电机的转速很低， 致使发电机体积增大、 成本增加， 但由其构成的风电系统不使

38、用价格昂贵的齿轮箱， 系统的总成本有所降低。图 14 永磁同步发电机变速恒频风电系统1. 2. 5开关磁阻发电机变速恒频风电系统开关磁阻式风电系统以开关磁阻发电机为机电能量转换核心， 其系统结构示意图如图 15 所示。 开关磁阻发电机为双凸极发电机， 定子、 转子均为凸极齿槽结构， 定子上设有集中绕组， 转子上既无绕组也无永磁体， 故机械结构简单、 坚固， 可靠性高。 此外， 由于风电机组的功率特性有其自身的特点， 为了使风能捕获的效果最佳， 就必须使开关磁阻发电机与风电机组能够良好地配合， 通过对发电系统的控制， 使风电机组工作在最佳功率特性曲线上。图 15 开关磁阻发电机变速恒频风电系统开

39、关磁阻发电机本身具有可控参数多、 非线性、 较难建立精确数学模型的特点， 且没有独立的励磁绕组， 而是与集中嵌放的定子电枢合二为一， 并通过控制器分时控制实现励磁与发电， 因而简化了控制系统结构， 提高了可靠性。 同时， 因为发电机各相绕组间无电磁耦合， 容错能力大为增强， 组合起动与发电容易， 适合高温、 高速环境运行， 具有大容量、 高效率及高功率密度运行等优点。 综上所述， 开关磁阻发电机理论上是未来变速恒频风电系统优选发电机型之一。1. 3风电设备制造业的发展状况丹麦早在 1891 年就建成了世界上第一台用于发电的风力机， 但由于技术和23第 1 章 绪 论经济等方面原因， 风电一直未

40、能成为电网中的电源。 在 1900 1960 年期间， 丹麦研究制造出 10 200kW 的各种类型的风电机组， 有些大型风电机组和电力系统并网， 其中以丹麦人盖瑟 （ Gedser） 研制的 200kW 风电机组最为出色， 设计者采用异步发电机、 定桨距风轮和叶片端部带有制动的翼片， 这种结构方式后来成为丹麦风电机组的主流。 美国在 1941 年设计制造了 1250kW 风电机组， 风轮直径为 53. 3m， 安装在佛蒙特州， 于同年 10 月作为常规电站并入电网， 后因一个叶片在 1945 年 3 月脱落而停止运行。 另外， 法国和苏联也研制过百千瓦级的机组。 这期间， 由于风电机组运行不

41、够稳定， 容易出现故障及事故， 这一新生事物并未在全世界受到人们的关注。目前， 世界风电设备制造业主要集中在欧洲的丹麦、 德国、 西班牙， 亚洲的印度， 北美洲的美国。 其中欧洲地区的风电设备制造业生产能力占世界的 50% 以上， 是最重要的风电设备生产地， 也是最大的风电设备出口地区。美国和印度是后来居上的国家， 其发展速度不容小视。 其中到 2012 年 1 月底美国的 GE WIND 公司占世界风电设备市场的 9. 6% ， 排世界第三， 美国成为世界上风电设备制造业发展最快的国家之一。随着风电技术的发展， 以及大单机容量机型的优势， 在 2011 年底国内风电制造领域， 单机容量为 1

42、. 5MW、 2MW、 2. 5MW 的风电机组已成为主力机型， 占据国内 90% 的市场份额。 到 2012 年 10 月， 我国风电机组生产能力已达11000MW， 正在向 3MW、 6MW 等单机容量更大的风电机组迈进。 虽然大单机容量凭借其优势， 所占比例越来越高， 但是为满足各类细分风电市场要求， 单机容量在兆瓦级以下的风电机组未来仍将存在。1. 3. 1国内风电设备制造业概况2005 年以前， 国产风电设备市场中， 大部分风电设备制造企业产品还处于发展初期。 那时我国风电产业整体发展缓慢的主要原因除缺乏各种配套政策外， 风电规模小、 设备基本依赖进口、 开发一次性投入较大、 价格比

43、煤电和水电要高、 市场化运作存在较大难度， 也是主要的原因。当时， 我国风电设备企业获得技术主要有三种渠道： 合资、 购买许可证和联合设计。 国外风电设备企业很少愿意和中国企业合资， 即使合资也无法获得核心技术。 因此购买许可证是中国很多企业的做法。 而实际上许可证仅是张总装图， 零部件还是需要自己研发， 国内企业的制造水平使得国产零部件跟欧洲零部件有很大差距， 设备整体性能很受影响。 为了弥补这一缺陷， 只能重新设计总装图， 这又需要一大笔钱。 欧洲一些风电设备企业甚至将一张许可证卖给了很多家中国企业， 中国企业走了很多弯路。与欧洲的设计公司联合设计风电设备， 是当时最经济也是最有效的方法， 如果多家国内企业能联合起来参与设计和开发， 就能有效降低风险。 而且这个市场很大， 企业间构不成竞争关系， 但当时这种合作关系几乎还没有。 中国大陆地区累计总装机市场份额中， 大部分为丹麦、 德国、 西班牙等欧洲企业。 理性地看， 我国巨大的风电市场不应该让外国厂商独占， 特别是风电设备制造业是个产业带动力极强的行业， 核心部件有电机、 齿轮箱、 叶片、 电控设备和偏航系统等， 这些都是现代制造业的重要