風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)及選型.

1、風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)及選型第一節(jié) 風(fēng)電機組結(jié)構(gòu) 1外部條件 根據(jù)最大抗風(fēng)能力和工作環(huán)境的惡劣程度，按強度變化的程度對 風(fēng)電機組進行分級。根據(jù)IEC61400設(shè)計標準，共分為4級。一類風(fēng)場I：參考風(fēng)速為50m/s，年平均風(fēng)速為10m/s，50年一遇極限風(fēng)速為70m/s，一年一遇極限風(fēng)速為52.5m/s；二類風(fēng)場II：參考風(fēng)速為42.5m/s，年平均風(fēng)速為8.5m/s，50年一遇極限風(fēng)速為59.5m/s，一年一遇極限風(fēng)速為44.6m/s；三類風(fēng)場III：參考風(fēng)速為37.5m/s，年平均風(fēng)速為7.5m/s，50年一遇極限風(fēng)速為52.5m/s，一年一遇極限風(fēng)速為39.4m/s；四類風(fēng)場IV：低于三類風(fēng)場風(fēng)速，

2、屬低風(fēng)速區(qū)，鮮有商業(yè)風(fēng)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(jié)構(gòu) 2.1總體描述 整機是建立在鋼結(jié)構(gòu)底座上，該結(jié)構(gòu)應(yīng)具有很大的強韌度，底部由堅固底法蘭組成，風(fēng)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(fēng)電機組在滿載運行時，整機質(zhì)心與塔架和基礎(chǔ)中心相一致。 偏航機構(gòu)直接安裝在機艙底部，機艙通過偏航軸承與偏航機構(gòu)連接，并安裝在塔架上，整個機艙底部對葉輪轉(zhuǎn)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(zhì)高強的特點，有效地密封，以防止外界侵蝕，如雨、潮濕、鹽霧、風(fēng)砂等。產(chǎn)品生產(chǎn)采用多

3、種工藝，包括：滾涂、輕質(zhì)RTM、真空灌注等，機艙罩主體部分設(shè)置PVC泡沫夾層，以增加強度。內(nèi)層設(shè)置消音海綿，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(nèi)還安裝有加熱器，使得風(fēng)電機組在冬季寒冷的環(huán)境下，機艙內(nèi)保持在10以上的溫度。 2.2載荷情況 - 啟動：從任一靜止位置或空轉(zhuǎn)狀態(tài)到發(fā)電過渡期間，對風(fēng)電機組產(chǎn)生的載荷。 - 發(fā)電：風(fēng)電機組處于運行狀態(tài)，有電負荷。 - 正常關(guān)機：從發(fā)電工況到靜止或空轉(zhuǎn)狀態(tài)的正常過渡期間，對風(fēng)電機組產(chǎn)生的載荷。 - 緊急關(guān)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(fēng)電機組葉輪處于靜止狀態(tài)，采用極端風(fēng)況對其進行

4、設(shè)計。 - 運輸/安裝/維護：整體裝配結(jié)構(gòu)便于運輸，安裝、維護易于實施。 2.3葉片 葉片根部是一個法蘭，與回轉(zhuǎn)軸承連接，實現(xiàn)變槳過程。葉尖配有防雷電系統(tǒng)。2.4變槳軸承/機構(gòu) 目前，國際上常見的有兩種類型，一種是液壓驅(qū)動聯(lián)桿機構(gòu)，推動軸承，實現(xiàn)變槳；一種是電機經(jīng)減速驅(qū)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(zhuǎn)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(fēng)電機組多采用電機驅(qū)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(fēng)電機組能夠安全平穩(wěn)地順槳實現(xiàn)制動。 變槳機構(gòu)組成：軸承，驅(qū)動裝置（電機+減速器），蓄電池，逆變器，變槳速

5、度16/秒左右。 2.5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(fēng)場調(diào)整葉片初始安裝角。 2.6主軸/主軸承座/軸承 主軸的作用在于將轉(zhuǎn)子葉片上的旋轉(zhuǎn)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(fēng)電機組采用雙軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計，目的在于減少由于風(fēng)作用于葉片而引起的軸向推力，以及消除風(fēng)電機組運行時齒輪箱低速軸側(cè)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

6、以吸收大部分的來自風(fēng)輪的軸向推力，進而，降低齒輪箱輸入軸的軸向負載。2.7齒輪箱 600kW以下風(fēng)電機組多為平行軸結(jié)構(gòu)，大于600kW的風(fēng)電機組基本是采用行星輪結(jié)構(gòu)或行星輪加平行軸結(jié)構(gòu)。 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(cè)的支撐傳到塔架和基礎(chǔ)，該支撐為強力橡膠結(jié)構(gòu)，可以降低風(fēng)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。 2.8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(jié)構(gòu)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)

7、電機軸。 風(fēng)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(fēng)電機組運行的絕大多數(shù)時間都發(fā)生在較低風(fēng)速下。 發(fā)電機系統(tǒng)組成：發(fā)電機、循環(huán)變流器、水循環(huán)裝置（電機、水泵、水箱等）或空冷裝置。 2.9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(fēng)向儀提供的風(fēng)向信號，由控制系統(tǒng)控制，通過驅(qū)、傳動機構(gòu)，實現(xiàn)風(fēng)電機組葉輪與風(fēng)向保持一致，最大效率地吸收風(fēng)能。 偏航時間的長短，是由計算機控制的，一旦風(fēng)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(nèi)齒型回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，所有部件都置于內(nèi)部，不會受雨水、砂塵影響，服務(wù)和維護

8、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(fēng)速低于3或3.5m/s下，自動偏航不會工作，風(fēng)電機組將不會偏航到與風(fēng)向一致。只有風(fēng)速大于該值后，風(fēng)電機組才自動撲捉風(fēng)向，這樣，可以避免不必要的偏航和電能消耗。 現(xiàn)代風(fēng)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。 2.10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(fēng)電機組制動為靜態(tài)，當風(fēng)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(fēng)電機組停機。變槳變速型風(fēng)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?nèi)~片功角，減少葉片升力，以達到降低葉片轉(zhuǎn)速直至停

9、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(zhuǎn)速或時間后，機械制動動作，停機。緊急停機狀態(tài)下，葉片變槳制動和高速軸機械制動同時動作，確保風(fēng)電機組在短時間內(nèi)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。 2.11 機艙底盤 機艙底盤用于支承塔架上所有的設(shè)備和附屬部件，因而，要求有足夠的強度和剛度。 風(fēng)電機組底座是鋼板焊接結(jié)構(gòu)件或大型鑄鐵件，機艙殼體是采用玻璃鋼制成，也有采用鐵皮鉚接形式。 2.12齒輪箱/發(fā)電機

10、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(nèi)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：防凍液與蒸流水按一定比例混合，調(diào)整冰點應(yīng)滿 足當?shù)刈畹蜌鉁氐囊蟆?- 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(shè)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(shè)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。 2.13塔架

11、 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(jié)構(gòu)部件，承受來自風(fēng)電機組各部件的所有載荷，不僅要有一定的高度，使風(fēng)電機組處于較為理想的位置上運轉(zhuǎn)，而且還應(yīng)有足夠的強度和剛度，以保證在極端風(fēng)況下，不會使風(fēng)電機組傾倒。 3控制系統(tǒng)基本技術(shù)要求 3.1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(guān)量的采集、傳輸、分析，來控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)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(diào)整排除故障或進入保護狀態(tài)。 3.2控制系統(tǒng)的任務(wù) 控制系統(tǒng)主要任務(wù)就是能自動控制風(fēng)電機組依照其特性運行，故障的自動檢測

12、并根據(jù)情況采取相應(yīng)的措施。 根據(jù)風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)載荷狀態(tài)、風(fēng)況、變槳變速風(fēng)電機組的特點及其它外部條件，將風(fēng)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(fēng)停機方式、故障停機方式、人工停機方式和緊急停機方式。 - 待機狀態(tài)： - 風(fēng)輪自由轉(zhuǎn)動，沒有發(fā)電（風(fēng)速為03m/s），剎車釋放； - 發(fā)電狀態(tài)： 發(fā)電狀態(tài)：起動后，到額定風(fēng)速前，剎車釋放； 發(fā)電狀態(tài)：額定風(fēng)速到切出風(fēng)速（風(fēng)速1225 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(zhuǎn)速降至設(shè)定值后，起動機械剎車。 - 人工停機方式 這一方式下的剎車

13、為正常剎車，即先葉片順槳，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速降至設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)子過速、機艙過振動、緊急按鈕動作等。這種狀態(tài)下風(fēng)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(fù)。 第二節(jié) 風(fēng)電場機組的選型問題 1概述 風(fēng)力發(fā)電機組是風(fēng)電場的主要生產(chǎn)設(shè)備。對于一個風(fēng)電場來說，風(fēng)電機組選擇的正確與否直接影響到風(fēng)電場的經(jīng)濟效益，其重要性不言而喻。在經(jīng)過選址、測風(fēng)、風(fēng)電場項目確定之后，首要的問題就是風(fēng)電機組的選型。而風(fēng)電機組的選型，一般要從風(fēng)電機組的裝機場地、安全等級、技術(shù)性能

14、、經(jīng)濟效益等方面考慮問題。 由于風(fēng)電場的情況千變?nèi)f化，風(fēng)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(fēng)電機組的技術(shù)及性能 2.1定槳距失速型風(fēng)電機組 風(fēng)力資源的特征可以用風(fēng)速頻率來描述，即每一個特定風(fēng)速在全年出現(xiàn)的時間的概率分布。以風(fēng)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1。 我國曾經(jīng)大量使用的風(fēng)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(fēng)速較高。這種風(fēng)機的發(fā)電特性見圖1。定槳距風(fēng)機的優(yōu)缺點如下： 優(yōu)點：1. 機械結(jié)構(gòu)簡單，易于制造； 、控制原理簡單，易于實施； 、因為簡單

15、，不易出故障。 缺點：、額定風(fēng)速高，風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率低； 、轉(zhuǎn)速恒定，機電轉(zhuǎn)換效率低； 、葉片復(fù)雜，重量大，制造較難，不宜作大風(fēng)機。2.2 變槳距型風(fēng)電機組 變槳距技術(shù)主要解決了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低的問題。變槳距技術(shù)就是將風(fēng)機葉片做成可變槳距的，以使三個葉片隨著風(fēng)速的變化而同步變距，始終保持最佳角度，提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率。圖2比較了變槳距和定槳距風(fēng)機的功率曲線。變槳距風(fēng)機的優(yōu)缺點如下： 優(yōu)點：.提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率, 更充分利用風(fēng)能； .葉片相對簡單，重量輕，利于造大型風(fēng)機。 缺點：.調(diào)槳機構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)也較復(fù)雜； .因復(fù)雜而使出現(xiàn)故障的可能性增加；2.3 變速型風(fēng)電機組 變速恒頻技術(shù)解決機電轉(zhuǎn)換效率低的問

16、題。變速恒頻技術(shù)就是將風(fēng)機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下都始終工作在最佳狀態(tài)，機電轉(zhuǎn)換效率達到最高，輸出功率最大，而頻率不變。變速恒頻風(fēng)機的特性曲線見圖3。 變槳變速風(fēng)力發(fā)電機是將變槳和變速恒頻技術(shù)同時應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機，使其風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和機電轉(zhuǎn)換效率都同時得到提高的風(fēng)力發(fā)電機。其特性曲線如圖4所示。變槳變速風(fēng)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(fēng)機10%以上。 缺點：機械、電氣、控制部分都比較復(fù)雜。3. 機組選型應(yīng)考慮的問題 一般情況下，選擇設(shè)計合理、發(fā)電效率高、質(zhì)量穩(wěn)定的風(fēng)電機組，同時結(jié)合考慮以下幾點： 根據(jù)風(fēng)況和安全要求，選擇使用機型；

17、盡量選用較大機型，以減少風(fēng)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(fēng)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(fēng)能利用效率。變槳變速機型與失速型機組相比可提高5-10 % 的發(fā)電量； 結(jié)合考慮風(fēng)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(shè)備價) 高輸出電壓的風(fēng)電機組。風(fēng)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(fēng)電成本； 特殊情況要求： 環(huán)境溫度20，采用低溫型風(fēng)電機組；環(huán)境溫度30，采用高溫型風(fēng)電機組； 沿海和海島地區(qū)，需注重防腐和

18、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(fēng)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(yīng)考慮采用較小型的機組。 4風(fēng)電機組的安全性要求 風(fēng)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(shè)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(fēng)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(guān)系到風(fēng)電機組的基礎(chǔ)設(shè)計。對結(jié)構(gòu)整體而言，風(fēng)況是最基本的外部因素。其他環(huán)境條件對設(shè)計特性，諸如控制系統(tǒng)功能、耐久性、腐蝕等有影響。 風(fēng)電機組

19、等級取決于風(fēng)速和湍流參數(shù)。表3規(guī)定了確定風(fēng)電機組等級的基本參數(shù)。表3 各等級風(fēng)電機組基本參數(shù)按照國標風(fēng)力發(fā)電機組安全等級的要求，風(fēng)電機組應(yīng)設(shè)計成能安全承受由其等級決定的風(fēng)況。風(fēng)電機組適用的風(fēng)速，決不允許超過以下參數(shù)的限值，以免產(chǎn)生安全隱患。 輪轂高度年平均風(fēng)速 輪轂高度50年一遇10分鐘平均最大風(fēng)速 輪轂高度風(fēng)能密度 風(fēng)場紊流系數(shù)5風(fēng)電機組塔高的確定 5.1 風(fēng)電機組發(fā)電量的變化 風(fēng)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(yīng)每一個風(fēng)速數(shù)據(jù)，有一個發(fā)電功率輸出。這個風(fēng)速數(shù)據(jù)代表的是輪轂高處的風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)電機組塔架高度的變化意味著輪轂高度的變化。以西班牙Ga

20、mesa公司G80風(fēng)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(fēng)力存在著切變，越高的地方風(fēng)力一般越大，平均風(fēng)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)電量。具體增加多少，每個風(fēng)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。 5.2 風(fēng)電機組整體造價的變化 毫無疑問，風(fēng)電機組塔架的高度與塔架的重量和造價相關(guān)。這里要指出的是，風(fēng)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(fēng)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288 16 噸。按塔架現(xiàn)行造價1.4萬元/噸計，三種塔架的造價分別為168萬元，189萬元，266萬元和403.2萬元，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。 機組整體造價的增加