風電機組結構及選型

1、第一節(jié)風電機組結構1. 外部條件根據(jù)最大抗風能力和工作壞境的惡劣程度，按強度變化的程度對 風電機組進行分級。根據(jù)IEC61400設計標準，共分為4級。一類風場I：參考風速為50m/s,年平均風速為10m/s, 50年一遇 極限風速為70m/s, 一年一遇極限風速為s；二類風場II：參考風速為s,年平均風速為s, 50年一遇極限風 速為S, 一年一遇極限風速為S；三類風場III：參考風速為s,年平均風速為s, 50年一遇極限風 速為S, 一年一遇極限風速為S；四類風場IV：低于三類風場風速，屬低風速區(qū)，鮮有商業(yè)風電場 開發(fā)。對電網(wǎng)的要求：電壓波動為額定值10%,頻率波動為額定值5%。2. 機械結

2、構總體描述整機是建立在鋼結構底座上，該結構應具有很大的強韌度，底部 由堅固底法蘭組成，風電機組所有的主要部件都連接于其上。發(fā)電機固定位置與機艙軸線偏離，以使得風電機組在滿載運行 時，整機質心與塔架和基礎中心相一致。偏航機構直接安裝在機艙底部，機艙通過偏航軸承與偏航機構連接，并安裝在塔架上，整個機艙底部對葉輪轉子到塔架造成的動力負 載和疲勞負荷有很強的吸收作用。機艙座上覆蓋有機艙罩，材料是玻璃鋼，具有輕質高強的特點, 有效地密封，以防止外界侵蝕，如雨、潮濕、鹽霧、風砂等。產(chǎn)品生 產(chǎn)采用多種工藝，包括：滾涂、輕質RTM、真空灌注等，機艙罩主體 部分設置PVC泡沫夾層，以增加強度。內層設置消音海綿，

3、以降低主 機噪聲。機艙上安裝有散熱器，用于齒輪箱和發(fā)電機的冷卻；同時，在機 艙內還安裝有加熱器，使得風電機組在冬季寒冷的壞境下，機艙內保 持在10C以上的溫度。載荷情況-啟動：從任一靜止位置或空轉狀態(tài)到發(fā)電過渡期間，對風電機組產(chǎn)生的載荷。-發(fā)電：風電機組處于運行狀態(tài)，有電負荷。-正常關機：從發(fā)電工況到靜止或空轉狀態(tài)的正常過渡期間，對 風電機組產(chǎn)生的載荷。-緊急關機：突發(fā)事件（如故障、電網(wǎng) 波動等），引起的停機。-停機：停機后的風電機組葉輪處于靜止狀態(tài)，采用極端風況對其進行設計。-運輸/安裝/維護：整體裝配結構便于運輸，安裝、維護易于實施。葉片葉片根部是一個法蘭，與回轉軸承連接，實現(xiàn)變槳過程。葉

4、尖配 有防雷電系統(tǒng)。變槳軸承/機構目前，國際上常見的有兩種類型，一種是液壓驅動聯(lián)桿機構，推 動軸承，實現(xiàn)變槳；一種是電機經(jīng)減速驅動軸承，實現(xiàn)變槳；由于高 壓油的傳遞需要通過靜止部件向旋轉部件（輪轂）傳遞，難以很好地 實現(xiàn)，易發(fā)生漏油；電信號的傳遞較易實現(xiàn)，兆瓦級風電機組多采用 電機驅動變槳。出于安全考慮，配置蓄電池，防止電網(wǎng)突然掉電或電信號突然中 斷，使得風電機組能夠安全平穩(wěn)地順槳實現(xiàn)制動。變槳機構組成：軸承，驅動裝置（電機+減速器），蓄電池，逆變 器，變槳速度16 /秒左右。輪轂輪轂為球鐵件，直接安裝在主軸上，葉根法蘭有腰形空，用于在 特定的風場調整葉片初始安裝角。主軸/主軸承座/軸承主軸的

5、作用在于將轉子葉片上的旋轉力矩傳到齒輪箱上，主軸與 齒輪箱的連接大多采用脹緊式聯(lián)軸器，這樣可保證主軸與齒輪箱同 心，在運行中免于維護。主軸上堅固的三點懸掛支撐，能夠很好地吸 收彎矩，降低齒輪箱輸入軸的徑向負載。也有些風電機組采用雙軸承的結構設計，目的在于減少由于風作 用于葉片而引起的軸向推力，以及消除風電機組運行時齒輪箱低速軸 側的俯仰力矩，改善齒輪箱運行環(huán)境，避免近年來，世界范圍出現(xiàn)的 齒輪箱行星輪系軸斷裂問題。兩個主軸承選用雙列向心推力滾子軸 承，還可以吸收大部分的來自風輪的軸向推力，進而，降低齒輪箱輸 入軸的軸向負載。齒輪箱600RW以下風電機組多為平行軸結構，大于600RW的風電機組基

6、 本是采用行星輪結構或行星輪加平行軸結構。齒輪箱體采用球鐵鑄造而成，齒輪箱的負荷及壓力通過齒輪箱兩 側的支撐傳到塔架和基礎，該支撐為強力橡膠結構，可以降低風電機 組的噪音和震動。在齒輪箱后部的高速軸上安裝有剎車盤，其連接方式是采用脹緊 式聯(lián)軸器；液壓制動器通過螺栓緊固在齒輪箱體上；齒輪箱高速軸通過柔性連接與發(fā)電機軸連接。發(fā)電機系統(tǒng)發(fā)電機通過四個橡膠減震器與機艙底盤連接，這種結構對于降低 發(fā)電機噪音有很強的消減作用；柔性聯(lián)軸器連接齒輪箱高速軸和發(fā)電 機軸。風電機組要求發(fā)電機在負荷相對較低的情況下，仍保持有較高的 效率，因為風電機組運行的絕大多數(shù)時間都發(fā)生在較低風速下。發(fā)電機系統(tǒng)組成：發(fā)電機、循環(huán)

7、變流器、水循環(huán)裝置（電機、水 泵、水箱等）或空冷裝置。偏航系統(tǒng)偏航系統(tǒng)要求簡單而堅固，機艙的偏航是由電動偏航齒輪自動執(zhí) 行的，它是根據(jù)風向儀提供的風向信號，由控制系統(tǒng)控制，通過驅、 傳動機構，實現(xiàn)風電機組葉輪與風向保持一致，最大效率地吸收風能。偏航時間的長短，是由計算機控制的，一旦風向儀出現(xiàn)故障，自 動偏航操作將中止，僅可以從控制柜或機艙頂部控制盒上人工方式操 作偏航。內齒型回轉支承結構，所有部件都置于內部，不會受雨水、砂塵 影響，服務和維護均可非常容易地進行，而不會受天氣的影響。偏航的控制：在風速低于3或s下，自動偏航不會工作，風電機 組將不會偏航到與風向一致。只有風速大于該值后，風電機組才

8、自動 撲捉風向，這樣，可以避免不必要的偏航和電能消耗?，F(xiàn)代風電機組多采用阻尼型偏航系統(tǒng)，偏航剎車系統(tǒng)已經(jīng)很少使 用了。機械制動/液壓系統(tǒng)（高速軸）制動系統(tǒng)為故障安全系統(tǒng)，要求動態(tài)液壓保證風電機組制動為靜 態(tài)，當風電機組的控制器發(fā)送停機命令或供電系統(tǒng)掉落，制動器液壓 站會立即卸壓，使風電機組停機。變槳變速型風電機組的制動系統(tǒng)包括葉片變槳制動和高速軸機 械制動，葉片變槳制動是通過改變葉片功角，減少葉片升力，以達到 降低葉片轉速直至停機；高速軸機械制動是通過剎車片與剎車盤間磨 擦力，實現(xiàn)停機。在正常停機狀態(tài)，先啟動葉片變槳制動，減速至一 定轉速或時間后，機械制動動作，停機。緊急停機狀態(tài)下，葉片變槳

9、制動和高速軸機械制動同時動作，確保風電機組在短時間內停機。制動盤通過脹緊式聯(lián)軸器與齒輪箱高速軸連接，制動器安裝在 齒輪箱的箱體或機艙底座上。制動系統(tǒng)的剎車片一般帶有溫度傳感器和磨損自動保護，分別 提供剎車過熱和剎車片磨損保護。機艙底盤機艙底盤用于支承塔架上所有的設備和附屬部件，因而，要求有 足夠的強度和剛度。風電機組底座是鋼板焊接結構件或大型鑄鐵件，機艙殼體是采用 玻璃鋼制成，也有采用鐵皮釧接形式。齒輪箱/發(fā)電機冷卻系統(tǒng)為保證齒輪箱和發(fā)電機在正常的工作范圍內工作，防止發(fā)生過 熱，需要循環(huán)冷卻裝置。-發(fā)電機水冷卻系統(tǒng)：自發(fā)電機殼體水套，經(jīng)水泵強制循環(huán)，通 過蓄水箱后，返回發(fā)電機殼體水套。冷卻水：

10、防凍液與蒸流水按一定比例混合，調整冰點應滿足當 地最低氣溫的要求。-齒輪箱油冷卻系統(tǒng)：齒輪箱油自箱體底部油嘴，經(jīng)油泵強制循 環(huán)，通過過濾器、熱交器冷卻后，返回齒輪箱。-保護系統(tǒng)：齒輪箱油系統(tǒng)中，在過濾器上設有壓力繼電器，如 果齒輪箱齒輪或軸承損壞，則產(chǎn)生的金屬鐵削會在油循環(huán)過程中，堵 塞過濾器，當壓力超過設定值時，壓力繼電器動作，油便從旁路直接 返回油箱，同時，電控系統(tǒng)報警，提醒運行人員停機檢查。塔架塔架是用鋼板焊接成錐筒形，通過螺栓和法蘭連接塔筒的各部 分。塔架是支撐機艙的結構部件，承受來自風電機組各部件的所有載 荷，不僅要有一定的高度，使風電機組處于較為理想的位置上運轉， 而且還應有足夠的

11、強度和剛度，以保證在極端風況下，不會使風電機 組傾倒。3.控制系統(tǒng)基本技術要求控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)利用DSP微處理機，在正常運行狀態(tài)下，主要通過對運 行過程中模擬量和開關量的采集、傳輸、分析，來控制風電機組的轉 速和功率；如發(fā)生故障能或其它異常情況能自動地檢測并分析確定原因，自 動調整排除故障或進入保護狀態(tài)。控制系統(tǒng)的任務控制系統(tǒng)主要任務就是能自動控制風電機組依照其特性運行，故 障的自動檢測并根據(jù)情況采取相應的措施。根據(jù)風電機組的結構載荷狀態(tài)、風況、變槳變速風電機組的特點 及其它外部條件，將風電機組的運行情況主要分為以下幾類：待機狀 態(tài)、發(fā)電狀態(tài)、大風停機方式、故障停機方式、人工停機方式和緊

12、急 停機方式。-待機狀態(tài)：-風輪自由轉動，沒有發(fā)電（風速為0 3m/s）,剎車釋放；-發(fā)電狀態(tài)：發(fā)電狀態(tài)I：起動后，到額定風速前，剎車釋放；發(fā)電狀態(tài)II：額定風速到切出風速（風速12-25 m/s）, 剎車釋放；-故障停機方式故障停機方式劃分為：可自啟動故障和不可自啟動故障。停機方 式為正常剎車程序：即先葉片順槳，當發(fā)電機轉速降至設定值后，起 動機械剎車。-人工停機方式這一方式下的剎車為正常剎車，即先葉片順槳，當發(fā)電機轉速降 至設定值后起動機械剎車。這一停機方式不能自啟動，需要人工啟動。-緊急停機方式緊急停機方式適應于安全保護系統(tǒng)，安全保護系統(tǒng)包括：電網(wǎng)掉 電、發(fā)電機超速、轉子過速、機艙過振動

13、、緊急按鈕動作等。這種狀 態(tài)下風電機組葉片順槳和機械剎車同時動作，這種狀態(tài)需要人工進行 恢復。第二節(jié) 風電場機組的選型問題1.概述風力發(fā)電機組是風電場的主要生產(chǎn)設備。對于一個風電場來說， 風電機組選擇的正確與否直接影響到風電場的經(jīng)濟效益，其重要性不 言而喻。在經(jīng)過選址、測風、風電場項目確定之后，首要的問題就是 風電機組的選型。而風電機組的選型，一般要從風電機組的裝機場地、 安全等級、技術性能、經(jīng)濟效益等方面考慮問題。由于風電場的情況千變萬化，風電機組的選型要根據(jù)具體情況， 不能一概而論，本文根據(jù)過去的工作經(jīng)驗，就一些考慮和分析問題的 方法加以討論，以供解決具體問題時參考。2. 風電機組的技術及

14、性能定槳距失速型風電機組風力資源的特征可以用風速頻率來描述，即每一個特定風速在全 年出現(xiàn)的時間的概率分布。以風速為橫軸，概率為縱軸，可劃出分布 曲線。分布曲線服從威布爾分布，見圖lo我國曾經(jīng)大量使用的風力發(fā)電機組都是定槳距型的，葉片裝上以 后不能動，額定風速較高。這種風機的發(fā)電特性見圖1。定槳距風機的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：1.機械結構簡單，易于制造；2、控制原理簡單，易于實施；3、因為簡單，不易出故障。缺點：1、額定風速高，風輪轉換效率低；2、轉速恒定，機電轉換效率低；3、葉片復雜，重量大，制造較難，不宜作大風機。變槳距型風電機組變槳距技術主要解決了風能轉換效率低的問題。變槳距技術就 是將風機葉片

15、做成可變槳距的，以使三個葉片隨著風速的變化而同步 變距，始終保持最佳角度，提高風輪轉換效率。圖2比較了變槳距和 定槳距風機的功率曲線。變槳距風機的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：1 提高了風能轉換效率，更充分利用風能；2 .葉片相對簡單，重量輕，利于造大型風機。缺點：1.調槳機構復雜，控制系統(tǒng)也較復雜；2 .因復雜而使出現(xiàn)故障的可能性增加；變速型風電機組變速恒頻技術解決機電轉換效率低的問題。變速恒頻技術就是將 風機的轉速做成可變的，并采用雙饋式發(fā)電機，通過控制使發(fā)電機在 任何轉速下都始終工作在最佳狀態(tài)，機電轉換效率達到最高，輸出功 率最大，而頻率不變。變速恒頻風機的特性曲線見圖3。變槳變速風力發(fā)電機是將變槳

16、和變速恒頻技術同時應用于風力 發(fā)電機，使其風能轉換效率和機電轉換效率都同時得到提高的風力發(fā) 電機。其特性曲線如圖4所示。變槳變速風力發(fā)電機的優(yōu)缺點如下：優(yōu)點：發(fā)電效率高，超出定槳距風機10%以上。缺點：機械、電氣、控制部分都比較復雜。3.機組選型應考慮的問題一般情況下，選擇設計合理、發(fā)電效率高、質量穩(wěn)定的風電機組, 同時結合考慮以下幾點： 根據(jù)風況和安全要求，選擇使用機型； 盡量選用較大機型，以減少風電機組的數(shù)量，從而減少土地 面積的占用； 近量選擇較高塔架，以盡可能的獲取風能。但較高塔架的采 用要受到經(jīng)濟性和安全性的制約: 盡量選用變槳變速機型，以提高風能利用效率。變槳變速機 型與失速型機組

17、相比可提高5T0 %的發(fā)電量； 結合考慮風電機組的報價，選擇性價比高的（單位千瓦年發(fā)電 量/單位千瓦設備價） 高輸出電壓的風電機組。風電機組的輸出電壓有400伏、690 伏幾種，更大型、更先進的機組采用更高的輸出電壓。高電壓輸出能 夠降低線損，電纜造價從而降低風電成本； 特殊情況要求：環(huán)境溫度v 20C,采用低溫型風電機組；壞境溫度30C,采 用高溫型風電機組；沿海和海島地區(qū)，需注重防腐和絕緣性能；在冬季有低溫和高濕度同時出現(xiàn)的地區(qū)如長江流域等，還需注意 防止附冰；北方風沙較大地區(qū)，注重防塵。 輸和安裝條件允許。在大型機組的運輸、安裝較為困難的地 區(qū)，應考慮采用較小型的機組。4風電機組的安全性

18、要求風電機組要承受環(huán)境和電對它的影響，這些影響主要體現(xiàn)在載 荷、使用壽命和正常工作等幾個方面。為保證一定的安全性和可靠性 水平，在設計中要考慮到環(huán)境、電力和土壤參數(shù)等因素。環(huán)境條件可進一步劃分為風況和其他外部條件。電力的條件則可 參照電網(wǎng)條件。土壤特性關系到風電機組的基礎設計。對結構整體而 言，風況是最基本的外部因素。其他壞境條件對設計特性，諸如控制 系統(tǒng)功能、耐久性、腐蝕等有影響。風電機組等級取決于風速和湍流參數(shù)。表3規(guī)定了確定風電機組 等級的基本參數(shù)。表3各等級風電機組基本參數(shù)按照國標風力發(fā)電機組安全等級的要求，風電機組應設計成能安 全承受由其等級決定的風況。風電機組適用的風速，決不允許超

19、過以 下參數(shù)的限值，以免產(chǎn)生安全隱患。 輪轂高度年平均風速 輪轂高度50年一遇10分鐘平均最大風速 輪轂高度風能密度 風場紊流系數(shù)5. 風電機組塔高的確定風電機組發(fā)電量的變化風力發(fā)電機組的發(fā)電性能主要由其功率曲線(Power curve)來表 征。這條曲線對應每一個風速數(shù)據(jù)，有一個發(fā)電功率輸出。這個風速 數(shù)據(jù)代表的是輪轂高處的風速數(shù)據(jù)。風電機組塔架高度的變化意味著 輪轂高度的變化。以西班牙Gamesa公司G80風電機組為例，其塔架 高度可以為67米，也可以為78米或者100米。由于在自然界中的風 力存在著切變，越高的地方風力一般越大，平均風速越高。因此，選 用塔架高的機組一般可以獲得較高的年發(fā)

20、電量。具體增加多少，每個 風電場資源特點和布機情況不同而有所不同，要經(jīng)過詳細分析和計算 才能作出判斷。風電機組整體造價的變化毫無疑問，風電機組塔架的高度與塔架的重量和造價相關。這里 要指出的是，風電機組的塔架的增高一般是通過在底部增加一節(jié)塔體 來實現(xiàn)，這節(jié)塔體一般要求強度最大，因此直徑較大，對于管狀塔來 說所要求的鋼板也厚。這會大大增加塔架的造價，從而增加了機組的整體造價。還以西班牙Gamesa公司G80風電機組為例，其60米塔架 重120噸，67米塔架重135噸，78米塔重190噸，100米塔重28816噸。按塔架現(xiàn)行造價萬元/噸計，三種塔架的造價分別為168萬元， 189萬元，266萬元和萬元，可見隨著塔高的增加，塔重和造價迅速 增加。這將明顯地增加機組的整體造價。