双馈风电机组的发展前景

1、2015年年8月月1目 录2双馈风电机组发展瓶颈及措施3双馈风电机组精益化设计1全球风电发展现状及预测4问题讨论1.全球风电发展现状及预测3 全球风能理事会（GWEC）的统计数据显示，全球开发风能的国家已经达到了100多个。近年来，在各国政策的大力支持和有力推动下，全球风电发展状态良好。13、14年全球风电装机情况如下：2013年新增2013年累计2014年新增2014年累计全球风电35.7GW318.6GW51.5GW369.6GW1）全球风电装机量高速增长）全球风电装机量高速增长 2009年以来，亚洲风电迅速崛起，规模增长速度稳居世界首位，2014年新增装机容量26.16GW，占全球新增总

2、量的50.7%。 中国是亚洲风电市场的绝对主力，总占比超过80%。2014年中国风电新增装机容量达23.2GW，占全球新增装机量的45% ；累计装机容量已超过114.6GW，占全球总装机量的31%。2005-2014年中国风电新增和累计装机容量1.全球风电发展现状及预测2）亚洲市场引领全球风电发展）亚洲市场引领全球风电发展1.全球风电发展现状及预测3）海上风电进入规模化发展阶段）海上风电进入规模化发展阶段 以英国为代表的欧洲国家在海上风电开发方面引领世界潮流，在大型风机技术和海上施工能力方面不断取得突破。开发范围达到水深40米、离岸距离100公里。 彭博新闻社报道截至2015年6月30日，欧洲

3、共有3072座海上风机并网发电，总装机容量达10.4GW，占全球装机容量的91%。2013年新增2013年累计2014年新增2014年累计海上风电1.57GW7.05GW1.73GW8.77GW13、14年全球海上风电装机情况： 目前我国海上风电处于起步发展阶段，还存在诸多技术难题，海上风电产业体系有待进一步健全。2014年中国海上风机新增装机容量229.3MW，海上风机累计装机容量657.88MW，占全球总装机量的7.5%。1.全球风电发展现状及预测2009-2014年中国海上风电新增和累计装机情况4）风电机组向大型化发展）风电机组向大型化发展1.全球风电发展现状及预测 目前1.53MW风机

4、已经成为陆上风电主力机型，2014年全球新增机组平均单机容量超过2MW。 海上风电方面，单机容量36MW的风电机组已经开始商业化运营，2014年欧洲海上新建风电场平均单机容量为4MW（2015上半年，德国、英国和荷兰新增机组平均装机容量达4.4MW） 2014年我国新增风电机组中，1.5MW和2.0MW 风电机组占据市场主体地位，累计占新增装机容量的87%。累计装机中，1.5MW风电机组仍占主导地位，占总装机容量的61%，2MW的风电机组市场份额上升至22%。据CWEA数据统计，2014年我国新增装机的风电机组平均功率达到1.768MW，相比2013年增长了2.81%。2014年中国不同功率风

5、电机组累计装机容量占比年中国不同功率风电机组累计装机容量占比2014年中国不同功率风电机组新增装机容量占比年中国不同功率风电机组新增装机容量占比1.全球风电发展现状及预测1.全球风电发展现状及预测随着单机容量的增大，风电机组叶轮直径也在不断增加。1.全球风电发展现状及预测 风电成本主要包括风电项目投资成本和运行维护成本。投资成本占约70%，运行维护成本占约20%，其余占10%。 自2009年开始，全球风机制造商之间出现激烈竞争，投资成本开始显著下降，20082014年，全球风电投资成本至少下降了35%，运维成本下降了约47%。 5）技术趋于成熟，风电成本不断降低）技术趋于成熟，风电成本不断降低

6、陆上风机价格下降趋势万欧元/MW风机运行维护成本价格下降趋势欧元/MW/年1.全球风电发展现状及预测 海上风电成本大约是陆上风电的3倍多。大型风电机组技术，基础建设和电能输送技术等是制约海上风电发展的关键因素。 据英国咨询公司BVG Associates做的一份关于海上风电度电成本预测，未来海上风电成本的还有很大下降空间。欧元/MWh海上风电度电成本下降趋势（预测）12 基于双馈技术的诸多优点，由双馈发电机构成的风电机组成为目前国际上发展最成熟、应用最广泛的机型。 尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中基本采用了技术成熟且可靠性好的传统技术方案-高速齿轮箱+双馈/异步发电机组合。 国外

7、，6.0MW以下双馈风力发电机的设计和制造技术已经十分成熟，由Repower研发的最大双馈机组（6.15MW）已经投入Thorntonbank 海上风电场使用。6）双馈风电机组装机量稳定增长）双馈风电机组装机量稳定增长1.全球风电发展现状及预测13 丹麦最大的海上风电场Anholt始建于2013年，由BARD提供的5.0MW双馈型机组组成，总功率达到400MW。丹麦Anholt德国最大的海上风电场BARD Offshore 1同样采用80台BARD提供的5.0MW双馈型机组，总功率达到400MW 。德国BARD Offshore 11.全球风电发展现状及预测14排名项目名称厂商名称单机容量（M

8、W）总装机容量(MW)技术路线1London ArraySiemens3.6630高速异步2Gwynt y MrSiemens3.6576高速异步3Greater GabbardSiemens3.6500高速异步4AnholtBARD5400高速双馈5BARD Offshore 1BARD5400高速双馈6West of Duddon SandsSiemens3.6388.8高速异步7Walney(phases 1&2)Siemens3.6367.2高速异步8Thorntonbank(phases 1)REpower5.0325.2高速双馈Thorntonbank(phases 2-3

9、)6.15高速双馈9Sheringham ShoalSiemens3.6316.8高速异步10ThanetVestas3300高速双馈截止2014年底全球10大海上风电场装机情况 数据显示，海上风电机单机容量基本在36MW区间，且基本都采用了技术成熟，可靠性好的高速齿轮箱+高速双馈或高速异步发电机组。1.全球风电发展现状及预测15企业名称机型VestasV63-1.5MWV66-1.65MWV80-2.0MWV82-1.65MWV90-3.0MWV112-3.0MWV120-4.5MW高速双馈异步发电机高速永磁同步发电机高速双馈异步发电机GE1.5s1.5sl1.5sle1.5xle2.5xl

10、3.0sl3.6sl高速双馈异步发电机高速永磁同步发电机高速双馈异步发电机SiemensSWT-1.3-62SWT-2.3-82SWT-2.3-82VSSWT-2.3-93SWT-3.0-101SWT-3.6-107高速异步发电机直驱型永磁同步发电机高速异步发电机GamesaG52-850kwG58-850kwG80-2mwG87-2mwG90-2mwG128-4.5MW高速双馈异步发电机中速永磁同步发电机SulzonS.33/350KWS.64/950KWS.60/1.0MWS.66/1.25MWS.82/1.5MWS.88/2.0MW高速双馈异步发电机NordexN60/1.3mwS70/

11、1.5KWS77/1.5KWN80/2.5MWN90/2.3MWN90/2.5MWN100/2.5KW高速双馈异步发电机REpowerMD70MD77MM70MM82MM923.3MW5MW高速双馈异步发电机国外具有双馈技术平台的部分企业 双馈技术是经历过长时间检验的成熟技术，一直被Vestas、 REpower等企业所青睐，相信未来几年中，双馈风电机组还会保持市场主流地位。1.全球风电发展现状及预测 2005-2014年中国双馈与其他机型新增装机容量曲线双馈机型其他机型 2005-2014年中国双馈与其他机型累计装机容量曲线双馈机型其他机型MWMW 在国内，3.0MW以下双馈风力发电机的设计

12、和制造技术已经十分成熟，下图表示了双馈机型在我国装机情况。1.全球风电发展现状及预测根据中国风电发展状况以及不同区域风能资源情况，预计风电未来5年的发展趋势：l内陆如云贵、四川等地区风能潜力相对较低外，还有高山顶和峡谷等特殊地形，大型风电机组运输安装困难，继续以1.5MW2.0MW机型为主。l“三北”区域，风资源密集且地势平坦，适宜风电机组运输、安装，预计2020年后以2.0MW3.0MW机型为主。l东南沿海为我国最大风能资源区，适合发展大型海上风电项目，预计到2020年，3.0MW6.0MW海上风电机组将成为海上风电场主流机型；2030年，10MW15MW海上风电机组将成为海上风电场主流机型

13、。注：根据中国风力资源图显示，中国陆上风力最强劲的区域风能密度大约在300瓦/平方米（10米高），假设100米高处风能密度在600瓦/平方米，风电轮毂高100米处叶轮扫过面积大约为10000平方米，风电转化效率在0.40.5，则流经叶轮风的能量大约6MW,乘以转化率后大概在2.4MW3MW。理论上中国陆上最大单机功率是3MW。1.全球风电发展现状及预测7）风电机组发展预测）风电机组发展预测 3.0MW以下双馈风电风机技术已经很成熟，但是结合前面对我国风电机组发展前景预测，未来双馈机组会面临以下问题：2.双馈风电机组发展瓶颈及措施u 大部件运输大部件运输u 叶片设计叶片设计u 发电机电压等级发电

14、机电压等级u 发电机发电机“三防三防”设计设计u 海上风电基础建设海上风电基础建设 u 机组适应性设计机组适应性设计 问题：风电机组大型化会造成运输和安装不便。塔筒、机舱，叶片等重量尺寸的增大会增加运输困难，增加项目成本。特别是山区，不仅运输困难，还增加道路建设成本）。 措施：运用新技术，采用叶片分段、塔筒现场制作、机组现场分部吊装等技术。2.双馈风电机组发展瓶颈及措施a a）大部件运输）大部件运输 问题：随着单机功率的增大，叶片长度也会增加。特别是海上大型风电机组，风轮直径超过150m，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，现有的玻璃纤维复合材料性能已经趋近极限，不能满足叶片正常运行条

15、件。 措施：今后将采用碳纤维增强塑料作为大型叶片制作材料。叶片越长，使用碳纤维材料就越有优势，因为碳纤维材料不但轻，而且强度很高，从而在使主梁重量有效降低的同时，还可以使叶片其他部分减重，综合成本更低。2.双馈风电机组发展瓶颈及措施b b）叶片材料）叶片材料c）发电机电压等级）发电机电压等级 问题：随着风力发电机技术的发展，5MW以上的大功率双馈异步发电机组越来越多，但是双馈异步发电机的额定电压仍沿用2MW以下电机采用的低压690V，如果电机功率逐步提高，会出现低电压大电流的现象，增加母排、电缆、断路器、滑环等电器设备的成本。 措施：通过提高双馈异步发电机的电压等级来解决，采用中压发电机。2.

16、双馈风电机组发展瓶颈及措施德国Repower公司5MW机型，采用主轴+齿轮箱+高速中压双馈电机方案设计d）发电机）发电机“三防三防”设计设计 问题：为适应海上恶劣的环境，海上风电机组必须采取气密、干燥、换热和防腐等各项技术措施。特别是发电机的核心部件，绕组和铁芯“三防”设计尤其关键，必须按照防盐雾、防霉菌、防湿热的涂装等级C5-M进行设计。 措施： 工作时发热量大、表面温度高，要求耐热性能好 定转子、铁芯、绕组与冷却系统要有良好通风散热，要求导热性能好 电机转速高，要求表面附着力好 绝缘结构要求绝缘性能好、稳定发电机绝缘结构设计时，要考虑对环境适应性和工艺适应性。 对于低压、中压发电机考虑引入

17、高压电机绝缘技术，包括绝缘检验技术； 选用耐候性、耐电晕性能好的绝缘材料； 完善绝缘结构和绝缘处理工艺，消除绝缘内空隙和表面放电。2.双馈风电机组发展瓶颈及措施e）海上风电基础建设）海上风电基础建设 问题：相比于陆上风电，海上风电机组结构尺寸更大，承受载荷的大小和形式更加多样，塔架基础不仅要承受结构自重、风载荷、还要承受波浪、水流力等。全面考虑各种工况载荷，特别是动力学要求将变的至关重要。目前国外海上风电场工程采用基础类型主要有：柱基础、重力式基础、负压筒式基础。如何设计更适合我国海洋环境的基础结构？2.双馈风电机组发展瓶颈及措施重力式基础负压筒式基础2.双馈风电机组发展瓶颈及措施 措施：在吸

18、收借鉴国外海上风电发展经验的同时，考虑我国实际海洋环境（渤海、东海近海海底表面为淤泥承载力小，底部为细砂承载力较大；南海海底表面碎屑，海底坎坷不平，存在较强的泥沙运动，海底稳定性差），我国海上风电产业应以桩基础结构为主要塔架形式。其中单桩更适合渤海、东海海洋环境。单柱基础2.双馈风电机组发展瓶颈及措施 未来随着技术的进步、海上风电走向深海，水深超过50m的水域，漂浮式基础比底部固定式更适合海上风电机组。浮动基础f f）机组适应性设计）机组适应性设计 问题：我国幅员辽阔，风能资源比较丰富，不同区域风资源差异很大，对风电机组要求也有很大差异，如何能设计出适应性更强、稳定性更高、投入成本更低，发电效

19、率更优的风电机组是至关重要的。低温机组高原机组海上机组高温机组2.双馈风电机组发展瓶颈及措施3.双馈风电机组精益化设计措施： 不同区域环境对风机性能要求不一，有针对性进行机型设计。 例如高原地区空气密度低，风轮获取的能量相对较低，通过增大风轮直径或者适当增加叶轮安装高度，使叶轮获得更多风能，从而保证发电功率。 “三北”地区温度、湿度变化巨大，对机组系统（叶片、液压系统、齿轮箱系统、偏航系统、电子元器件等）正常运行会产生巨大影响。除了在控制系统增加对低温情况的应对设计，采取了一些局部加热保温措施，还应加强风机低温特性技术研究，不断提高其对低温恶劣环境的适应性。 我国风电机组装机容量快速增长的同时

20、，提高和改善风电机组的可靠性、降低投入成本也是我们面临紧迫任务，风电机组的精益化设计成为风电发展的趋势。3.双馈风电机组精益化设计291.技术成熟、质量可靠。自工业化革命以来，齿轮传动已经成为技术最成熟、最主流的传动方式，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、钟表等工业和生活领域。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈机组采用的大功率大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始应用，其在风电中的故障率已低于电气系统和发电机系统。叶轮+齿轮箱+发电机的传动链结构简单，各类载荷分配合理，整体质量可靠性高。2.效率高、性价比优。该技术有效分配了机械传动系统和发电系统的参数配置，通过高速比齿

21、轮箱提高电机转速，大幅提高发电机效率。同时该机型仅有占额定功率1/51/3的转差功率通过变流器，变流器的能量损失小。整机效率高、性价比优。3.可维护性好。双馈式风力发电机组一般采用叶片+轮毂+齿轮箱+联轴器+发电机的传动结构，这种结构各主要部件相对独立，可以分别进行维护和维修。现场维修容易，时间响应及时。4.电能质量好，低电压穿越能力强。双馈式风力发电机组采用双馈式感应电机和部分功率变流技术，发出的70%以上的电能通过定子输送到电网，产生的谐波小、电能质量好。同时，该技术具有功率因数可调、有功功率和无功功率控制方便，低电压穿越性能好等特点，可实现电网友好型接入。3.双馈风电机组精益化设计a a

22、）传动链设计）传动链设计带齿轮箱机组的传动链布置一般有如下形式三点支撑形式三点支撑形式两点支撑形式两点支撑形式主轴齿轮箱集成主轴齿轮箱集成式式图示优点单主轴轴承，传动链缩短，成本低。齿轮箱只承受扭矩，可靠性好结构紧凑、重量轻缺点齿轮箱前轴承承受转矩和径向负载，故障率高齿轮箱需要特殊弹性支撑齿轮箱受载复杂、机组可维护性差301.技术成熟、质量可靠。自工业化革命以来，齿轮传动已经成为技术最成熟、最主流的传动方式，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、钟表等工业和生活领域。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈机组采用的大功率大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始应用，其在风电中的故

23、障率已低于电气系统和发电机系统。叶轮+齿轮箱+发电机的传动链结构简单，各类载荷分配合理，整体质量可靠性高。2.效率高、性价比优。该技术有效分配了机械传动系统和发电系统的参数配置，通过高速比齿轮箱提高电机转速，大幅提高发电机效率。同时该机型仅有占额定功率1/51/3的转差功率通过变流器，变流器的能量损失小。整机效率高、性价比优。3.可维护性好。双馈式风力发电机组一般采用叶片+轮毂+齿轮箱+联轴器+发电机的传动结构，这种结构各主要部件相对独立，可以分别进行维护和维修。现场维修容易，时间响应及时。4.电能质量好，低电压穿越能力强。双馈式风力发电机组采用双馈式感应电机和部分功率变流技术，发出的70%以

24、上的电能通过定子输送到电网，产生的谐波小、电能质量好。同时，该技术具有功率因数可调、有功功率和无功功率控制方便，低电压穿越性能好等特点，可实现电网友好型接入。3.双馈风电机组精益化设计l传动链的结构发展变化是风力发电技术进步的重要体现，随着机组大型化的发展，三点支撑形式逐渐被两点支撑形式代替。更大型的机组是否能继续使用两点支撑，主轴齿轮箱集成式是否更适用？l两点支撑形式涉及到轴承的选型，不同机型选择什么类型轴承合适（圆柱滚子轴承？圆锥滚子轴承？单列，双列？），轴承间距怎么确定？（当以轴承成本为导向确定轴承间距时，可以推导出前后轴承距离与总轴承成本关系，再综合考虑间距对轴承座、机座等支撑结构成本

25、及重量的增加影响）轴承间距/米轴承成本/万元311.技术成熟、质量可靠。自工业化革命以来，齿轮传动已经成为技术最成熟、最主流的传动方式，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、钟表等工业和生活领域。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈机组采用的大功率大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始应用，其在风电中的故障率已低于电气系统和发电机系统。叶轮+齿轮箱+发电机的传动链结构简单，各类载荷分配合理，整体质量可靠性高。2.效率高、性价比优。该技术有效分配了机械传动系统和发电系统的参数配置，通过高速比齿轮箱提高电机转速，大幅提高发电机效率。同时该机型仅有占额定功率1/51/3的转差功率通

26、过变流器，变流器的能量损失小。整机效率高、性价比优。3.可维护性好。双馈式风力发电机组一般采用叶片+轮毂+齿轮箱+联轴器+发电机的传动结构，这种结构各主要部件相对独立，可以分别进行维护和维修。现场维修容易，时间响应及时。4.电能质量好，低电压穿越能力强。双馈式风力发电机组采用双馈式感应电机和部分功率变流技术，发出的70%以上的电能通过定子输送到电网，产生的谐波小、电能质量好。同时，该技术具有功率因数可调、有功功率和无功功率控制方便，低电压穿越性能好等特点，可实现电网友好型接入。3.双馈风电机组精益化设计 机座设计时除了考虑与机座相关联的技术问题，还要考虑供应商、采购、制造、物流、工程等多方面影

27、响。l传统机座制作采用焊接件，将机座前半部分改为铸造（铸件参考价格1.2万元/吨，焊接件1.6万元/吨）可降低成本，将后半部分改为铸件，制造难度较大，成本反而较高。l板材规格：选用规格数量、尺寸是否恰当？既有利于供应商备货，又能降低材料浪费，同时满足快速供货响应。 l焊缝设计选择： 不同焊缝制造难度、成本多少？对强度计算影响多大？如何设计恰当的焊缝？l机座尺寸设计：哪些结构适合焊接？哪些适合螺栓连接？改进设计后能否降低制造难度、制造成本、便于运输？b b）机座设计）机座设计321.技术成熟、质量可靠。自工业化革命以来，齿轮传动已经成为技术最成熟、最主流的传动方式，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、钟表等工业和生活领域。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈机组采用的大功率大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始