（电机与电器专业论文）海上风电场及双馈式风电机组的仿真分析.pdf

a b s t r a c t c h i n ah a sh u g eo f f s h o r ew i n dr e s o u r c ep o t e n t i a l ，a n dt h em a r i n ew i n dp o w e rw i l l b et h em o s ti m p o r t a n tg r o w t hp o i n to fw i n dp o w e ri n d u s t r yi nt h ef u t u r e a f t e rab r i e f o v e r v i e wo ft h ea c t u a ls t a t eo ft h eu s eo fo f f s h o r ew i n db o t hi ni n t e r n a t i o n a la n d d o m e s t i c ，a n dt h es t a t eo ft h ea r to fw i n dp o w e rt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e e x p l o i t u r eo f o f f s h o r ew i n dp l a n t sa n ds i m u l a t i o no fi t sg e n e r a t o rs y s t e m t h ef i r s tp a r ti sa b o u tt h eo f f s h o r ew i n dp l a n t i nt h i sp a r t ，t h ea d v a n t a g ea n d m a j o rc h a l l e n g e so fd e v e l o p i n gm a r i n ew i n dp o w e r a r ee x p l a i n e d ，a n dk e ys t e p sa r e l i s t e d ，i n c l u d i n gp r e p a r a t o r yw o r k ，s i t es e l e c t i o n ，s u p p o r ts t r u c t u r ed e s i g n ，a n d i n t e g r a t i o nt ot h eg r i d t h e n ，p r i m a r yd e s i g no f t h eo f f s h o r ew i n dp o w e rg e n e r a t o r s y s t e ma r ed i s c u s s e d ，w h i c hc o n s i s t so fd e s i g no fw i n d t u r b i n ea n ds e l e c t i o no f d r i v i n gt e c h n i q u ef r o mw i n dt u r b i n et og e n e r a t o r i tc o m e s t oac o n c l u s i o nt h a ta f a v o r i t eg e n e r a t o rs y s t e mf o rs u c ho f f s h o r ea p p l i c a t i o ni st h ed o u b l y - f e di n d u c t i o n g e n e r a t o r ( d f i g ) ，d u et oi t sa d v a n t a g ei nw e i g h ta n do p e r a t i o n t h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e ri st h es i m u l a t i o no fd f i gw i n dp o w e rs y s t e m t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fd f i gs y s t e ma r eb u i l t ，i n c l u d i n gr a n d o mw i n ds p e e dm o d e l ， v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ( v s c f ) w i n dt u r b i n em o d e l ，d f i gm o d e lb a s e do n d i f f e r e n tr e f e r e n c ef r a m e f u r t h e r m o r e as t a t e - s p a c e - e q u a t i o n - m o d e lo ft h ed f i gi n f i e l do r i e n t e dc o o r d i n a t e si sd e r i v e da n dd i s c u s s e d t h i sc o o r d i n a t es y s t e mo f f e r st h e p o s s i b i l i t yo fd e c o u p l e dc o n t r o lo f a c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r t h es t r u c t u r eo ft h e c o n t r o ll o o p sa r ep r e s e n t e d a tl a s t ，t h ew h o l es y s t e mm o d e li sf o u n d e db yt h e s o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k t h er e s u l to fe x p e r i m e n ta p p r o v e st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g y i st r u e n o to n l yt h ef r e q u e n c yo fs t a t o rc u r r e n ti sc o n s t a n t ，b u ta l s ot h ec o n t r o lo f s t a t o ra c t i v ea n dr e a c t i v ei sd e c o u p l e d ，a n dr e a l i z e st h et r a c ko ft h em a x i m a lp o w e ro f w i n dt c a r b i n e k e yw o r d s ：o f f s h o r ew i n dp l a n t ，v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n c y ( v s c f ) ， d o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) ，v e c t o rc o n t r o l 独创性声明 本人声鹱骈呈交的学位论文是本人在导师指导下进行静研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞基堂或其他教育机构的学位或证 书蔼使用过的材料。与我一同工作的丽志对本研究所做韵任何贡献均已在论文中 作了臻确熬说明并表示了谢意。 学位论文律者签名：莨是 签字秘期：翘孑年参胃占嚣 学位论文版权使用授权书 本学镁论文作者完全了解墨盎盘鲎有关僚蟹、使蔫学位论文豹规定。 特授权基鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分浅容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 淘国家有关部门或视构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：焉喜是 导师签名：学位论文作者签名：象友导师签名： 叫k 么匆 j 签字霸期：潲君年参胄占e l签字醑期：训辉 占月占日 第一章绪论 第一章绪论 能源是现代社会赖以生存和发展的基础，传统的燃料能源正在一天天减少， 对环境造成的危害也日益突出，清洁燃料的供给能力密切关系着国民经济的可持 续发展。这个时候，全世界把目光投向了可再生能源，人们在开源和节流上积极 行动，提出了节约型社会理念，同时开始发展新能源，希望可再生能源能够改变 人类的能源结构，维持长远的可持续发展。 目前已经开发利用的可再生能源有风能、太阳能、潮汐能、生物质能等。其 中风能是最为成熟、最具规模化发展前景的可再生能源，在能源供应日趋紧张、 环境污染日益严重的形势下，风力发电技术越来越受到各方的高度重视，其发展 极为迅速。据统计，全球2 0 0 1 2 0 0 6 年的风力发电装机达到2 3 9 0 万千瓦，年复 合增长率达2 5 。根据全球风能协会的预测，2 0 5 0 年全球风力发电装机有望达 到3 0 亿千瓦，是2 0 0 6 年总风力发电装机7 4 2 2 万千瓦的4 0 倍。在全球风电的大 好发展环境下，我国的风电产业也迅猛发展。最新统计显示，截至2 0 0 7 年底， 我国风力发电新增装机容量为3 3 0 4 万千瓦，累计装机容量为5 9 0 6 万千瓦，与 2 0 0 6 年相比，市场的增长率为1 2 7 2 。此外，根据国家发改委颁布的( n - - i 再生 能源中长期发展规划，2 0 1 0 年全国风力发电新装机容量达到5 0 0 万千瓦；2 0 2 0 年全国风力发电新装机容量达到3 0 0 0 万千瓦。风力发电装机的预测受到政策、 电价、设备商的能力等很多因素影响，具有较大的不确定性。根据目前的发展势 头来判断，我国风力发电的发展速度将会远远超过发改委的预期。 风力发电场可分为陆地及海上两种。早期风电开发主要集中在陆地。但是随 着风电技术的发展，陆上风电场的局限性逐渐显现，如占地面积大，噪声污染严 重，风速较低且不稳定等。自上世纪9 0 年代起，国外开始建设海上风电场，海 上风电场以其更多的优势，成为国际风电发展的新领域。 1 1 海上风力发电国内外发展现状 1 e 1 世界海上风力发电现状 国外海上风电开发主要集中在欧美。在欧洲近海区域，风能资源相当丰富， 可供开发的潜力巨大，加之欧洲国家大部分陆地风力资源好的地区，风能已经基 第一牵绪论 本得到开发，在陆地上安装风力机受到场地限制的矛盾也口益突出，因此从2 0 世纪年代开始，这些国家开始在近海区域尝试建造海上风力发电场【2 l 狰1 。1 9 9 0 年，瑞典安装了第一台海上风力发电机组，容量2 2 0 k w ，位于离岸3 5 0 m ，水深 6 m 处，轮廓高度3 7 5 m ，1 9 9 8 年己停运。1 9 9 1 年，丹麦e l k r a t t 公司在波罗的海 洛兰岛( l o l l a n d ) 西北沿海v i n d e b y 附近兴建了世界上第一个商业化海上风电场。 该风场总装枫容量4 。9 5 m w 由l1 台4 5 0 k w 机组组成。随囊，荷兰、丹麦、瑞典 建立乐第一批海上风电示范工程。截至2 0 0 7 年8 月，全球建成海上风电场2 1 个， 分别位于丹麦、英国、瑞典、爱尔兰、荷兰和德国6 个国家，累积总装机为9 0 2 m w ， 由3 8 9 台发电机组组成，单机容量最小的为2 2 0 k w , 最大的热3 6 0 0 k w 。其中，丹 麦总装机4 0 9 9 m w ，英国总装机31 4 m w , 这两个囡家的总装机占全球海上风电总 装机的7 5 。全球海上风电装机容量见图1 1 。 1 0 0 0 盆8 0 0 皇 。6 0 0 稠 约4 0 0 毒牟 蒜2 0 0 o 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 年份 图l 一1 全球海上风电装机容量 美国曾经是风力发电领域的领头羊，早在2 0 世纪8 0 年代，美国在开发现代 风力发电技术方面就具备了相当的水平。然而，上个世纪末，由于政府政府相关 政策缺乏连贯性，j t , ；0 i 资金、技术等客观原因，昔日蓬勃发展的风力发电急剧降 温。近年来国际油价节节攀升，必了较少对能源进口的过分依赖，风力发电重薪 受到美国政府的青睐。 美国的海上风力资源丰富，北美湖、墨西哥湾以及靠近太平洋的美国西海岸 地区都是风能盛产区。2 0 0 4 年美国能源部推出了风能计划，着力引导科研南海 上风电开发等新型应用领域发展，确保风电产业的持续增长【4 1 。在该风电计划中， 美国海上风电的发展首先锁定在浅滩，然后发展至深水；主要采用单机容量为 5 m w 或更大的风枧。目标在2 0 1 2 年，浅滩的电价只需5 美分千瓦时。哥翦正 在研制深水技术，技术进步的同时，也将注重成本控制，确保海土风电健康发展。 在今后十余年中，美国计划有大量的风电机组有待安装，然而可能只有部分项 西得到落实。作为美国首座海上风电场，美国东北部鳕鱼岬( c a p ec o d ) 的鳕鱼 2 第一章绪论 岬海上风电场( c a p ew i n d ) 现已建设完毕；纽约皇后区西北面的长岛( 1 0 n gi s l a n d ) 电力局2 0 0 7 年8 月提出开发1 4 0 m w 的海上风电场，位于长岛市南海岸，开发 商将负担所有的项目成本，并将在1 5 2 0 年后通过与长岛电力局协议收购电力来 收回成本；2 0 0 8 年4 月美国罗德岛宣布将建海上风电场，该风场每年发电不少 于1 3 0 万兆瓦时，该州制定计划保证从风能供应的电力达到1 5 。 此外，日本、加拿大、中国等国家也都在积极为海上风电的开发累积经验。 随着海上风电技术的进一步发展、经验的不断积累、发电成本的不断降低，以及 国家政策的支持，世界海上风电将进入规模化发展时期。 1 1 2 中国海上风力发电现状 中国的海上风力发电刚刚起步，但拥有丰富的海上风能资源。根据中国气象 科学研究院的预测，中国1 0 米高度以上的陆上风能潜力为2 5 3 亿千瓦，而沿海 地区近海风能资源是陆上风能资源的3 倍，预计达到7 5 亿千瓦。因此随着海上 风力发电技术的发展成熟，经济上可行，将来必能成为重要的可持续能源。 2 0 0 6 年1 月1 日，可再生能源法正式公布实施。这部法律为可再生能源 的开发提供了一个积极的政策框架。根据可再生能源法的要求，在总结我国 可再生能源、技术及产业发展状况，借鉴国际可再生能源发展经验的基础上，2 0 0 7 年9 月4 日，国家发改委又制定并公布了可再生能源中长期发展规划。其中 提到，风电是2 0 1 0 年和2 0 2 0 年可再生能源发展的重点领域之一，并指出了风电 发展的主要目标和建设重点：( 1 ) 到2 0 1 0 年，全国风电总装机容量达5 0 0 万千 瓦。重点在东部沿海和“三北”( 西北、华北北部和东北) 地区，建设3 0 个左右 1 0 万千瓦等级的大型风电项目，建成1 2 个1 0 万千瓦级海上风电试点项目。( 2 ) 到2 0 2 0 年，全国风电总装机容量达到3 0 0 0 万千瓦。在苏沪沿海建成1 0 0 万千瓦 海上风电。不难看出，随着试点项目的完成，我国大规模的海上开发势在必行。 表1 1 列出了我国正在筹建中的海上风电场。 2 0 0 7 年1 1 月8 日，我国第一个海上风电站在渤海油田顺利竣工，并入油田 网，对油田实施供电。该项目由中国海洋石油总公司建设，是我国首个自行设计、 制造和海上运输安装的海上风电机组。 该项目主要是在海上安装一台1 5 兆瓦永磁直驱风力发电机和相关设施，重 点开展燃料风互补电力系统研究、低成本化海上风电场基础结构研究、低成本 化海上风电机组运输吊装技术研究、风电机组海洋环境适应性研究和海上风电 机组运行维护管理研究等产业化相关课题研究。该项目自2 0 0 7 年4 月开工，到 1 1 月8 日全功率成功发电，建设周期不到7 个月。初步测算，该风电机组可年 第一章绪论 发电4 4 0 万千瓦时，每年可节省柴油消耗量约1 1 0 0 吨，减少二氧化碳排放3 5 0 0 吨，减少硫化物排放1 1 吨左右。 该项目是我国海上风电开发的初步实践，为今后海上风能开发积累了经验， 培养了人才队伍，为海上风电设计、设备制造和安装，建立规范和标准，解决重 要技术难题，创新建设管理模式等方面奠定了重要基础。 随着海上风电项目经验的不断积累，加上国家政策的大力支持，相信我国的 海上风力发电事业必将有广阔的情景。 表1 1 我国正在筹建的海上风电场5 】 地点机组容量( m w ) 广东南澳 上海东海大桥 浙江岱山 江苏如东 江苏东台 河北黄驿 2 0 6 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 2 风力发电系统概述 1 2 1 风力发电系统的分类 现有的风力发电系统，从总体上可分为恒速恒频发电系统和变速恒频发电 系统两大类，目前我国运行的机组以恒速恒频系统为主f 6 j 。所谓恒频是指风力发 电机与电网并联运行时，要求频率保持恒定，即电网频率。 ( 1 ) 恒速恒频发电系统 恒速恒频指在风力发电过程中，保持发电机的转速不变，从而得到恒定的频 率。一般用风能利用系数。表示风轮将风能转换成机械能的效率，它是叶尖速 比a ( 风轮桨叶线速度和风速之比) 和叶片桨距角的函数。由典型风力机风能 利用系数可知，当节距角一定时，风能利用系数。只有在叶尖速比a 为为某 一特定值厶时才达到最大值甜。 如图1 2 所示，在变化的风速下，c 尸显然不能保持在最佳值，这导致风能的 利用率低。此外，恒速运行风电系统缺点如下： 4 第一章绪论 a 当风速发生跃升时，在保持电机转速恒定的同时，巨大的风能将通过叶 片在风机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生很大的机械应力，增加了这些部件的 疲劳损坏程度。 b 从制造工艺的角度考虑，恒速恒频发电系统采用失速调节方式，叶片本 身结构比较复杂，成型工艺难度较大；当需要增加风电机组单机容量时，就必须 增加转子的直径，而增大转子需要增大空气刹车力，从而必须增大叶片的厚度， 这样会影响翼型的选择，而且也会使叶片的刚度减弱，失速动态特性也不易控制。 这使得风机单击容量发展到一定程度很难有所突破。 无五 图1 - 2 典型风力机g 一力曲线6 1 ( 2 ) 变速恒频发电系统 基于上述缺点，从2 0 世纪7 0 年代中期开始，一种新型的变速恒频发电系统 逐渐发展起来。变速恒频指风力发电过程中发电机的转速随风速变化，通过其他 控制方式来得到恒定的频率。与恒速恒频系统相比，变速恒频系统有如下优点1 7 j 。 a 变速恒频发电机转速可在很大范围内变化而不影响其输出电压和频率， 输出频率与转速无关，同时可在很宽的风速范围内保持基本恒定的最佳叶尖速 比，使风能最大限度地转换成机械能，最终转换成电能，风能利用效率比恒速风 机高很多。 b 风速发生跃升时产生的巨大风能，部分被加速旋转的风轮所吸收，以动 能的形式存储于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的机械 应力；当风速下降时，在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变 为电能，送入电网，机组运行更加安全平稳。 c 控制有功功率来调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制； 调节无功功率来调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静 态稳定性。 目前海上风力发电机组基本上是由陆上风电机组改装而来的。主要采用m w 级以上大型变速机组。如丹麦v e s t a s 公司的2 m w 机组；丹麦b o n u s 公司的2 3 m w 第一章绪论 机组；美国g e 公司的3 6 m w 机组；德国r e p o w e r 公司的5 0 m w 机组等。如此 大容量的风电机组很难用恒速恒频控制方式实现，因此一般都采用变速恒频方式 控制。 1 2 2 变速恒频发电系统的研究现状 目前，为实现变速恒频，国际上有多种方案，有从发电机本身的设计考虑的， 也有采用电力电子学方法的。可以预料，随着电力电子技术、微电子技术的迅速 发展，以电力电子器件构成的变流装置为主要特征的变速恒频技术将成为主流。 下面对几种常见方案作一个简单的介绍悼j ： ( 1 ) 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 系统结构如图1 3 所示，发电机采用笼型转子，风力机通过变速箱拖动发电 机转子，而电机的定子绕组通过变频器和电网相联。鼠笼式异步电机运行可靠、 易于维护和适宜恶劣的工作环境，但由于变频器在定子侧，变频器的容量与发电 机容量相同，整个系统的成本和重量显著增加，在大容量风力发电系统中难以实 现。因此该系统通常应用于离网型1 0 0 k w 以下的风力发电系统中。 电网 图1 3 笼型异步风力发电系统图1 4 双馈电机风力发电系统 ( 2 ) 双馈发电机变速恒频风力发电系统 系统结构如图1 4 所示。双馈电机的结构类似绕线式异步电机，其定子绕组 直接接入工频电网，转子绕组通过变流器供以低频励磁电流。不论风速如何改变， 当电机的转速变化时，利用变流器相应地调节输入转子的励磁电流频率以改变转 子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步速，定子感应电势 频率即可保持恒定，发电系统可做到变速恒频运行。 该系统对功率变换器容量需求较低，能实现有功功率、无功功率的独立调节， 具有显著的优点。其缺点是转子上存在滑环和电刷，不能避免滑环和电刷带来的 弊端。目前这种风力发电技术得到了越来越多的风力发电工作者的关注，发展前 景比较乐观。 ( 3 ) 无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统 6 第一章绪论 系统结构如图1 5 所示。无刷双馈发电机定子有两套极数不同的绕组，一个 称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向功率变换器接电网。 其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环。无刷双馈发电机定子的功率绕组 和控制绕组的作用分别相当于双馈发电机的定子绕组和转子绕组，通过功率变换 器改变输入到控制绕组的电流频率，可以使发电机的输出频率保持恒定。 该系统与普通双馈发电机系统具有同样的优点，对功率变换器容量需求相对 较低，可以实现有功、无功功率的独立控制。此外，无刷双馈发电机没有滑环和 电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。其缺点是系统比较复 杂，成本较高，实现难度较大。 电网 图1 5 无刷双馈风力发电系统 电网 风机永磁同步发电机 图1 6 永磁同步风力发电系统 ( 4 ) 永磁同步电机直驱式风力发电系统 系统结构如图1 - 6 所示。永磁同步发电机的转子以稀土永磁体作为励磁，不 需要励磁绕组和滑环，减小了励磁损耗。系统通过电机转子回路中的变频器将频 率变化的电能转变为恒频电能。该方案的优点是：风机与发电机直接耦合，省去 了变速箱，结构比较简单，减小了系统运行时的噪声，避免了变速箱漏油的问题， 提高了运行可靠性。其缺点是：由于实现了风机与发电机直接耦合，发电机的转 速较低，导致其体积增大，成本提高；要求变频器的容量等于系统的额定容量， 提高了变频器的成本和控制难度。 ( 5 ) 永磁同步半直驱式风力发电系统【9 】 系统结构如图1 7 所示。半直驱控制又称为多级变速控制，主要由2 台发电 机( 发电机1 和发电机2 ) 、控制系统和变速机三部分组成。该机型的一大优点 是发电机和齿轮箱的体积都比较小，传动链的质量分配合理，有利于减小机舱的 质量。现在商品化的该机型都采用永磁式同步发电机全功率逆变，电网的适应性 良好，维护量小，可以采用多电机方案来利于运输、安装和维护。 7 第一章绪论 二二二| = = = 二二 l ： 图1 7 半直驱风力发电系统 此外，开关磁阻发电机、爪极式发电机、高压发电机、横向磁通发电机等新 型电机也被应用到变速恒频风力发电系统中。 1 3 全球风电技术发展趋势 近年来，由于大型风力发电机组运行可靠性问题已经基本解决，国际上将风 电机组开发的重点逐步转移到高效率、高性能的数兆瓦级机型。风电机组单击容 量越来越大，这一方面是风电机组设计、制造和控制技术在不断发展，另一方面 也是顺应了市场的要求。根据统计2 0 0 7 年全球新增装机容量如表1 2 所示。 表1 22 0 0 7 年全球新增风电机组装机容量 可见，数兆瓦级大型风机已经逐步得到应用，如v e s t a sv 9 0 ，3 m w ；s i e m e n s 3 6 m w ；g e3 6 m w ；r e p o w e r5 m w ；m u l t i b r i d5 m w ；e n e r c o n6 m w 等。预计 欧洲在2 0 1 0 年将开发出1 0 m w 以上的风电机组。 第一章绪论 综合来看，目前风电技术的发展趋势如下1 1 0 】。 ( 1 ) 风电机组单机容量持续增大。2 0 0 6 年4 5 m w 、5 m w 风机已投放市场， 6 m w 的风力机也进入运行阶段，且已经有公司着手1 0 m w 以上风力机的设计和 研制。 ( 2 ) 变桨距、变速恒频功率调节技术迅速发展。2 0 0 6 年全球所安装的风电 机组中，有9 2 采用了变桨变速恒频方式，而且比例还在上升。 ( 3 ) 双馈式变速恒频风电机组技术成熟。目前利用该技术的机组单机容量 已经达到5 m w ，欧洲正在开发i o m w 的风电机组，1 5 m w 机组也已开始概念设 计。双馈异步发电型机组在全球市场中所占的份额最大。 ( 4 ) 直驱式、全功率变流技术正在发展。无齿轮箱的直驱方式能有效较少 由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统的运行可靠性和寿命，大大 减少了维护成本，得到了市场的青睐。而全功率变流技术的发展，可使风轮和发 电机的调速范围扩展到0 至1 5 0 的额定转速，提高了风能的利用范围。与此同 时，半直驱式风电机组也出现在世界风电市场上。 ( 5 ) 大型风电机组部件的性能得到提高。 ( 6 ) 研究智能化控制技术，提高风电机组的可靠性和寿命。通过智能化的 控制技术减少和避免风电机组运行在极限载荷和疲劳载荷。 ( 7 ) 风电场建设和运营的技术水平日益提高。 ( 8 ) 海上风电技术成为主要发展方向。陆地上的风电场设备和建设技术基 本成熟，今后风能更新发展的主要驱动力是来自蓬勃崛起的海上风电场建设。 1 4 本文主要研究内容 本文主要围绕海上风电场展开研究。在系统的分析海上风电开发的各个环节 后，指出双馈风力发电系统是目前海上风电场的最佳选择。后面系统建模和仿真 部分很好的证明了双馈风力发电系统的优越性。具体内容如下。 第一章概述目前海上风力发电国内外发展现状，介绍了四种风力发电的调 节技术，对比了恒速恒频和变速恒频两类风力发电系统的优缺点，并分析了全球 风电技术的发展趋势。 第二章本章首先分析了开发海上风电的优势和面临的主要挑战，阐述了开 发海上风电的主要环节，包括前期工作、场址的选择、支撑结构的开发、电网的 接入、风电机组的初步设计等。 第三章本章建立了双馈风力发电系统的数学模型。首先将风速分解为四种 9 第一章绪论 分量建立随机风速模型。通过对风力机特性的分析得出风力机的数学模型。在分 析双馈电机变速恒频原理和系统能量流动的基础上，建立双馈电机在不同坐标系 下的数学模型，为后面的矢量控制打下基础。 第四章采用定子磁场定向的方法，对系统进行矢量控制研究，得出矢量控 制方程。确定双馈电机变速恒频运行及有功无功功率独立解耦调节的控制策略。 最后建立定子磁场定向下的矢量控制系统框图。 第五章采用m a t l a b s i m u l i n k7 0 软件，建立系统各部分的仿真模型，包括 风速、风力机及矢量控制部分的仿真模型。最后建立了整个系统的仿真模型，对 系统进行了动态仿真。 第六章对全文内容进行总结，并对后续工作做了展望。 1 0 第二章海上风电场 第二章海上风电场 海上风电场主要由海上风电机组、支撑结构及电力系统组成。风电机组是风 电场中最关键的部件，它负责将风能变为符合电网要求的电能，通常由风轮机、 传动结构( 其关键部件是齿轮箱) 和发电机组成。本章在分析海上风电场特点的 基础上主要研究了海上风场的开发环节及其机组的初步设计，为后面对机组的仿 真研究打下坚实的基础。 2 1 海上风电的特点 2 1 1 海上风电的优势 与陆上风电相比，海上风电有明显的优势，具体表现如下【】。 ( 1 ) 海上风力资源丰富，比陆上风电产能大。在风力发电上，用年全负荷 小时数来衡量风机所在地区风力资源的大小。所谓全负荷小时是指一台风机在一 小时内能产生的最大电量。用一台风机一年的发电量除以全负荷小时，就是该风 机的年全负荷小时数。根据观测，陆地风机的年全负荷小时数在1 5 0 0 3 0 0 0 小时， 平均为2 0 0 0 小时。而海上风机的年全负荷小时数在3 5 0 0 - 4 0 0 0 小时，几乎是陆 地风力发电的2 倍。 ( 2 ) 环境影响小。作为一种可再生能源，风力发电的污染物排放等于零。 但是海上风力发电场的建立是否会对其他海洋环境产生影响，一直是公众十分关 注的焦点。政府规定，在建设海上风力发电场的申请过程中必须提交项目的环境 影响研究。对国外2 0 世纪9 0 年代以来建设的一些海上风力发电示范工程的长期 观测结果表明，海上风力发电的环境影响是很小的，初步结论有： a 大型海洋动物，如海豹和海豚等，在海上风力发电场建设期间由于受到 噪音等惊扰会离开该海域，但最终还会返回海上风力发电场的海域。候鸟会改变 飞行路线，绕开风力发电场： b 风机基座对鱼类的生活有好的影响。基座可以成为鱼类新的栖息地而且 有助于增加鱼类的食物； c 有人担心海上风机会造成视觉污染，影响海岸周边的旅游业。调查表明： 海上风机，特别是夜晚风机上的警示灯反而会形成新的风景，沿岸居民也能接受 建设海上风力发电场的现实。 第二章海上风电场 ( 3 ) 海上风况好且风速稳定。海水表面粗糙度较陆地要低得多，海平面的 摩擦力小，因此风速在海平面随高度变化增加很快，而在安装风机所关注的高度 上( 即塔架的高度上) ，风速变化梯度已经很小了，因此通过增加塔高的方法增 加风能的捕获在某种程度上不如陆上有效。所以海上风电场不需要很高的塔架， 这可降低风电机组成本。此外，海上风的湍流强度低，且有稳定的主导风向，没 有复杂地形对气流的影响，因此作用在机组上的疲劳强度可以大大的降低，可以 延长机组的使用寿命。一般在陆地上设计使用寿命为2 0 年的发电机组在海上可 延长到2 5 3 0 年。 ( 4 ) 海上更适合建大型风电场。由于海上平均风速一般都高于陆上，并且 又不受运输道路和土地资源的限制，所以更适合于安装大型风力发电机组。此外， 海上风电场远离居住区，因此可以降低机组在噪音标准上的要求，实施高速运行。 ( 5 ) 我国建设海上风电场还有如下优势： a 我国沿海地区都是经济发达的城市，发展海上风电可以有力的缓解这些 地区紧张的能源供给问题，同时又减少由于煤炭运输导致的额外成本； b 我国沿海的的电力负荷中心较近，电网接入成本相对较小： c 我国风力发电机制造成本比国外低2 0 3 0 ，综合海上风电场的特性，开 发中国海上风电场的成本至少要比国外低2 0 。 2 1 2 海上风电面临的挑战 近年来海上风电已经取得长足的发展，但依然面临着诸多挑战。 ( 1 ) 政策方面，政府持续稳定的高度支持是关键。相对陆上风电而言，海 上风场的初期投资成本巨大，电网连接成本过高。有时海上风场附近海岸离原有 电网有一段距离，需要电网作相应的延伸。因此政府的高度支持对于承包商建立 信心非常必要。 ( 2 ) 社会环境方面，首先要继续监视海上风场对环境和社会真实和准确的 影响。注意借鉴国外多年的观测结果。此外政府早期的战略性工作具有很大的价 值，如0 7 年中海油对海上风能初步设计应用。 “ ( 3 ) 投资成本过高是目前海上风电面临的主要问题。据丹麦r i s o 国家实 验室研究显示，海上风电项目的投资成本要比陆上风电项目的投资成本高5 0 1 0 0 。其原因有1 1 2 j ： 。 、 a 海上基础的建设导致额外成本。海上风电场需要在海面上额外增加浮体 支撑，因此增加了费用； b 电力传输和接入电网的成本远远高于陆上。传统的陆地风力发电都是采 用1 0 0 千伏以下的低压电缆传输。而海上风力发电场的产能量大，普通的低压电 第二章海上风电场 缆难以传输，因此海上风电场需要采用超过1 0 0 千伏的高压传输线路，技术难度 加大，费用也增加。此外，由于海上风力发电场一般离电力负荷中心较远，因此 电力必须经过远距离输送才能够接入电网，进一步增加了成本； c 海上风力发电机组的安装程序更加复杂并且受海上气候条件影响严重； d 运行期间维护方式受到限制，从而降低了风力发电机组的利用率从而减 少了机组的产出。此外，由于维护上的不便，海上风机采用了大量的冗余技术， 增加了控制费用。 因此，尽快找到能改善海上风场经济性的方案具有重要意义。 2 2 海上风电场的开发 2 1 世纪是世界风电产业由陆地转向海洋的世纪，风电发展较好一些欧洲国 家已经开始生产设计海洋专用的定型产品，如德国的e 1 1 2 ( 4 5 m w ) 、m 5 0 0 0 ( 5 m w ) 等。我国也将掀起大型风电建设的新浪潮，其中5 0 以上将建于海滩或海上。 ( 1 ) 前期工作 国家发展与改革委员会明确要求，在开发海上风电场之前要做好事前调查。 调查研究的内容有： a 风况条件，风情特性，风况模拟； b 设置条件，海洋气象、地质条件等，海底地形、波浪流况等； c 选址，不能影响水域利用、渔业和船舶航行； d 环境条件，海洋生物、鸟类、景观考古及微波通讯等方面的问题。调查 的结果应与陆地进行比较：对景观的影响、产生的噪声、电磁波、微波以及与鸟 类的冲突等都应减小【1 2 】。 ( 2 ) 选址条件 海上风电场选址是一个非常复杂的工作。选址不当可能会导致项目的失败和 延期。海上风电场的选址要考虑的条件有： a 海上风力要求强劲而且稳定，海流流速要低； b 大规模风电场应保证航行及航空不受妨碍； c 易于海底输电电缆的施工，且应减少经费； d 附近电网的基本情况：陆地变电站位置、电压等级、可接入的最大容量 和电网规划等； e 生态环境不应受到影响； f 海滩沿岸的景观应很好地考虑。例如丹麦8 0 x 2 m w 风电场在征求居民意 见后将2 0 台风轮机排成一列弧形。 第二章海上风电场 ( 3 ) 支撑结构 海上风机的支撑结构由塔架、基础及其两者连接件构成，基础与风机塔焊接 成一体。塔架结构依据其结构形势分为单塔身、支柱式塔身及桁架塔身三种，这 三种结构型式见图2 1 所示。一般前两种塔身对风的阻力较小，产生紊流的影响 要比桁架塔身小；桁架塔身常用于中小型风电机上，其优点是造价不高，运输业 方便，但这种塔架会使下风向叶片产生很大紊流。 a ) 单管塔 兰兰 b ) 支柱塔c ) 桁架塔 图2 1 海上风机塔架结构 风电机组的基础被认为是造成海上风电成本较高的因素之一，大力发展比较 经济的基础结构是海上风电场研究开发的主要课题。海上风电机组基础结构的设 计要考虑海床的地质结构情况、离岸距离、海上风和浪的载荷特性以及海流、冰 等的影响。丹麦于1 9 9 6 1 9 9 7 年问首先对海上风机基础( 基座) 的设计和投资进 行了研究，对于较大海上风电场的风机基座，钢结构比混凝土结构更加适合。稍 有化学常识的人都会想到，在海上建造大型机械设备，海水和海风的腐蚀作用会 对这些设备有非常大的威胁，但事实上与大多数人的认识正相反，对于海上风机 来说，钢结构腐蚀并不是最值得受到关注的问题。海上风机表面保护一般都采取 了较之陆地风机防腐保护级别更高的防护措施。而海上石油钻塔的经验也表明， 阴极防腐措施可以有效防止钢结构的腐蚀。石油钻塔的基座一般能够维持5 0 年， 这也就是其钢结构基座设计的寿命。 海上风机的基础从结构上分为底部固定式和悬浮式2 判1 3 j 。 a 底部固定式支撑。底部固定式支撑有重力沉箱基座、单柱基座、三脚架 基座3 种方式。大多的海上风电场采用重力基座或单柱钢管基座。 重力沉箱基座：顾名思义，引力基座主要依靠地球引力使涡轮机保持在垂直 的位置。丹麦v i n d e b y 和t u n e k n o b 海上风电场基座就采用了这种传统技术。在 这两个风场附近的码头用钢筋混凝土将沉箱基座建起来，然后使其漂到安装位 置，并用沙砾装满以获得必要的重量，继而将其沉入海底，这个原理更像传统的 桥梁建筑。海面上基座呈圆锥形，可以起到减少海上浮冰碰撞的作用。v i n d e b y 1 4 第二章海上风电场 和t u n e k n o b 风电场的水深变化范围在2 5 7 5 米之间，每个混凝土基座的平均 质量为1 0 米以上的海域，因受其重量和投资的限制，混凝土重力基座往往被禁 止采用。 现有的大多数海上风电场采用重力基座，该技术进一步发展，用圆柱钢管取 代了钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里。 单柱基座：这是一种简单的结构，由一个直径在3 5 4 5 米之间的钢桩构成。 钢桩安装在海床下1 8 - - - 2 5 米的地方，由海床地面的类型来决定其安装的深度。单 桩基座有力将风塔伸到水下及其海床内。这种基座的一大优点是不需要整理海 床。但是它需要防止海流对海床的冲刷，而且不适用于海床内有巨石的位置。单 桩基座应用的水深范围小于2 5 米。 三脚架基座：吸取了石油工业中的一些经验，采用了重量轻价格合算的三角 钢套管。风塔下面的钢柱分布着一些钢架，这些钢架承担和传递来自塔身的载荷。 这三个钢桩被埋置于海床下10 - - - 2 0 米的地方。 b 悬浮式支撑。悬浮式支撑有浮筒式和半浸入式2 种方式，主要应用于水 深7 5 5 0 0 米的范围。 浮筒式支撑：浮筒式基座由8 根与海床系留锚相连的缆索固定在海面上，风 机塔杆通过螺栓与浮筒相连。 半浸入式支撑：主体支撑结构浸于水中，通过缆索与海底的锚锭连接，该形 式受波浪干扰较小，可以支撑3 m w 6 m w 、旋翼直径8 0 米的大型风机。 ( 4 ) 电网接入 海上风电场的并网系统如图2 2 所示。风力机发出的电能先由海底集电系统 采集，接入到海上分电站，然后通过海底高压电缆将收集的电能传输到岸上的电 网。 图2 2 海上风电场电力系统框图 风机 为了确保海上风电并网的经济合理性，对偏远海上风电场的并网技术进行优 第二章海上风电场 化非常重要。例如，丹麦输电网1 9 9 8 年总发电量共计1 0 g w 。在建或未建的海 上风电场共计4 1 g w 。丹麦西部和东部电网没有直接并网，而是采用a c ( 交流 输电线) 方式并入德国和瑞典的输电系统。其他风电场与瑞典、挪威和德国的联 网方式采用直流方式。通常情况下，1 0 3 6 k m 用高压交流输电为宜，而大于1 0 0 k m 或功率大于3 0 0 m w 时更适宜用高压直流输电。 铺设海底电缆是并网工程的重要环节。海上风电场通过敷设海底电缆与主电 网并联。为了减少捕鱼工具、锚等对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋 起来。如果底部条件允许的话，用水冲海床( 使用高压喷水) ，然后将电缆置入 海床的方法是最经济的。 ( 5 ) 其他技术环节 开发海上风电场还需考虑其他环节如远程监控、维护等。 海上风电场远程监控要比陆地远程监控更重要一些，t u n e k n o b 和v i n d e b y 海上风电场采用远程监控已达数年。为了监测风电场这些1 5 m w 的大机组，在 每件设备上安装一些特殊的传感器，用来连续地感应在设备磨损后改变工作模式 而产生的细微振动，以确保机器得到及时的检修。 在天气比较恶劣的情况下，维修人员很难接近风机，风机得不到正常检修和 维护，容易造成安全隐患。所以确保海上风机高可靠性显得尤其重要。对于一些 偏远海上风电场，应合理设计风机的定期检修程序。 ( 6 ) 海上风力发电的发展趋势 首先单机容量不断扩大。近年来新型大功率风力发电机正在迅速取代小型 风力发电机。大功率风力发电机已经占有超过5 0 的市场份额，单机容量已从 3 0 0 k w 、6 0 0 k w 发展到批量安装1 5 m w 、1 7 m w 、2 0 m w 、5 0 m w ，全球m w 级机组的市场份额明显增大。海上风电机组的技术正沿着增大单击容量、减轻单 位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。 其次是由浅海向深海发展。根据欧美海上风能资源分布及发展趋势分析，浅 海域风电场的建设已经远远不能满足风能发展的要求，风电场有向深海域发展的 趋势和必要。海上风电场将从3 0 m 5 0 m 的浅海域向5 0 m 2 0 0 m 的深海域过渡， 届时全球能源将会极大丰富，供电能力也将迅速提高。 2 3 海上风力发电机组的初步设计 海上风电机组和陆地风电机组并没有本质的区别，一般由风轮机、传动系统 ( 其关键部件是齿轮箱) 及发电机组成。但海上运行的机型通常要在原有的陆地 风电的基础上作了很大的改进，以便更好的使用海上的条件和提高风机的可靠性 1 6 第二章海上风电场 和发电量。在风电机组的设计过程中，要根据海上风电场的实际情况来设计【1 6 1 。 2 3 1 风轮机的设计 现代风轮机按结构分为水平轴和垂直轴两类，海上风电场一般采用水平轴风 力机。功率调节是风力机的关键技术之一，目前投入运行的机组主要有两类功率 调节方式：一是定桨距失速控制；二是变桨距控制。定桨距失速控制风力机利用 翼型气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能，它没有功率反馈系统和变距执行 机构，有较高的安全系数；变桨距型风力机能使风轮叶片的安装角随风速变化， 使叶片在各种工况( 包括启动、运转和停机) 下按最佳参数运行，有较高的年发 电量。而海上风况较为复杂，其风速变化较大，若采用定桨距失速控制，则运行 效率要比陆上低，因此一般都采用变桨距控制。按照欧洲风能协会统计，2 0 0 7 年全球风电机组制造厂市场份额前十位的主要产品见表2 1 表2 1 世界前十大风机制造厂产品 根据海上风电场风速高、适合安装大型风电机组、检修维护困