无刷双馈电机电磁设计特点

1、近海风电场建设关键技术及其新进展王志新，王承民，艾 芊，蒋传文，房鑫炎，武 黎（上海交通大学电气工程系，上海市东川路800号 上海200240）摘要：简要回顾国外近海风电场特点及发展态势、近海风电场涉及关键技术。分析国外近海风电场建设实施案例，并围绕近海风电场优化配置与评估、近海风电场电气传输技术、近海风电场系统接入与稳定运行三方面开展研究，提出了相应的实施及解决方案。认为通过研究近海风电场优化配置与评估、近海风电场电气传输技术、近海风电场系统接入与稳定运行，可望获得自主知识产权，取得源头创新成果，打破国外在这方面的技术垄断现状，建立发展近海风能资源规模化利用的有关技术基础，使我国近海风电场系

2、统优化设计技术达到国际先进水平，并培养一支从事风力发电、风电场设计与运行管理，具有创新能力的队伍，具有战略、经济、社会和学术价值。关键词：近海风电场；电气传输技术；风资源；电能质量；双馈风力发电机中图分类号及文献标识码：TP11；A1概述已商业运行的风力发电机组单机容量达5MW,并网风力发电场规模逐渐增大,风电所占比例达3%或更大。大型风电场正从陆地向海上发展，因为海洋风资源丰富，不占用土地，机位选择空间大有利于选择场地，受环境制约少，且海上风速高、湍流强度小、风电机组发电量多、风能利用更加充分，其能量收益比沿海风能资源丰富地区陆地风机高20%40%。近海风电投资成本是陆地的一倍（达2万元/k

3、W），其中，风机（含塔架）占58%，基础占20%，电气系统占16%，项目管理占4%，其他占2%。海上风力发电已引起世界各国重视。截止2006年8月，近海风电累计装机79.82万kW（见表1所列），占全球风电总装机容量1.5%。近海风电欧洲走在世界前列。其中，丹麦在1991年建成世界上第一个海上风电场，2003年还在南海岸建成最大海上风电场(Nysted，装机16.56万kW),2006年计划新建20万kW海上风电场，累计装机达到41.6万kW，规划至2030年近海风电场装机4000MW；德国政府计划2010年近海风电装机达3000MW，2030年装机23GW；荷兰政府计划2020年近海风电装机

4、6000MW；瑞典计划2019年近海风电装机3300MW。欧洲规划到2020年，近海风电装机达到240000MW，年发电量720TWh，可以满足1/3的欧洲用电量1。我国2004年已批准在广东南澳建设首个2万kW海上风电场,2005年规划在上海东海大桥(上海侧)建设10万kW海上风电场.此外,还规划在浙江慈溪、临海、岱山，江苏盐城、山东青岛建设海上风电场,累计装机超过100万kW。2006年，国家科技支撑计划设置了表2所列四个近海风电课题。2海上风电场建设发展态势近海风电场涉及关键技术见表3所列。近海风电场建设工作基础包括海上风电场风能资源测试与评估、风电场选址、基础设计及施工、风电机组安装等

5、，并开发了专用的海上风能资源测试设备及安装海上风电机组的海上施工平台。其中，海上风电场场址选择包括宏观海上选址和微观选址两个方面，海上风电场规划基于评估、研究地区风能资源，综合考虑电力需求、入网方法和系统状况，以及地质、地貌、航道、鱼类生产等因素，综合进行技术经济分析，达到最优规划目的。收稿日期：2006-12-7；修回日期：2006-基金项目：中国博士后基金资助项目（2005038435），上海市科技发展基金资助项目（062158017）作者简介：王志新（1964），男，电气工程系副主任，博士，教授，博士生导师，研究方向：风力发电及其控制，近海风电场技术，智能机电控制系统。E-mail:wa

6、ngzxin；通信地址、邮编:200240 上海市东川路800号 上海交大电气工程系；手机号码：1300 325 6588；电话、传真F）表1 全球近海风电场装机容量 单位：MWTab.1 Installed capacity of global offshore wind farmer Unit: MW序号国家年度机型台数容量累计1丹麦1991Bonus-450kW11409.91995VestasV39-500kW102000Bonus 2MW202002Vestas V80-2.0MW802003Bonus 2.3MW822004Bonus 2.3MW,Ves

7、tas V90-3.0MW,Nordex N90-3.0MW1+2+12英国2000Vestas V66-2.0MW23142003Vestas V80-2.0MW302004Vestas V80-2.0MW302005Vestas V90-3.0MW302006Vestas V90-3.0MW30Repower 5MW23爱尔兰2003GE Wind 3.6MW725.24瑞典1997Wind World 550kW523.32000ENRON 1.5MW72001NEG Micon 2MW55荷兰1994Ned Wind 500kW418.81996Nordtank 600kW286德国2

8、004Enercon E11217NordexN801合 计798.2表2 2006年国家科技支撑计划近海风电课题Tab.2 Offshore wind farmer subjects supported by national science and technology ministry in 2006项目名称主要研究内容近海风电场建设关键技术围绕近海风电机组基础结构、环境载荷对基础作用力计算、基础强度设计、基础损伤检测与评价技术、近海风电场选址、近海风电场电力输送技术、近海风电机组的选型、安装、运行和维护技术等开展研究近海风电机组安装及维护专用设备的研制围绕近海风电场建设的专用安装及维护

9、设备和专用工具的研制，近海风电场建设所需设备的运输、安装及维护技术开展研究近海风电场技术、经济分析及对环境的影响评估针对近海风电场建设作技术、经济分析，对近海风电场对当地生态环境的影响进行评估近海风电场建设技术手册针对近海风电场选址，近海风电场基础施工方法，近海风电场风电机组设计技术、选型原则、安装方法，近海风电场电力传输方法开展研究在风电场的开发过程中，前期的风资源评估显得尤为重要。到目前为止，风资源评估大都是利用丹麦实验室开发的Riso WAsP(Wind Atlas Analysis and Application Program)软件，该软件主要是基于欧洲地形条件设计。但是，如何结合我

10、国实际情况，并应用于评估我国近海或海上风资源，仍需作大量的研究工作。建立近上风电场极限穿透功率计算的数学模型是当前国内外研究的热点，但对在建立近海风电场极限穿透功率计算模型时如何考虑电网结构、负荷水平和入网方式等，相关研究成果也较少。研究风力发电机组并网供电方式，即交流联网与直流联网等。其中，交流联网主要研究实现风电场和电网频率一致、动态无功补偿器、防止电缆电容和电网电抗之间出现谐振现象；避免电网故障影响风电场运行，输电电缆等电气接入系统投资费用高（占16%），且电缆能量损失大。当风电场规模较小时，接入电网主要以地区低压配电网为主，当然，现在也逐步开始接入110kV和220kV电网，输电系统导

11、线较细，其RX比值较大，表明与系统联系紧密程度的短路容量较低，严重影响风电场的供电质量，并制约风电场规模的进一步发展。表3 近海风电场关键技术Tab.3 Keynote technology of offshore wind farmer关键技术技术内容及特点1. 基础结构1承受水动力、空气动力双重载荷作用，需要综合考虑风及波浪载荷、支撑结构和风电机组机头的动力学特性以及风电机组控制系统的响应等因素。2基础类型：（1）重力基础，如钢筋混凝土重力沉箱，建造、安装技术成熟，属塔筒基础，适合010m水深，不足是需要整理海床、体积和重量大、拆除苦难；（2）单桩基础，无需整理海床，制造相对简单，适合03

12、0m水深，不足是需要专用安装设备；（3）多脚架基础，无需或只需少量整理海床，适合大于20m水深场合，不适合浅海域，同时，因增加了冰载荷，船只难以靠近。3. 依据为IEC61400-3（海上风电机组的设计要求）。2场址选择考虑因素：(1)风资源情况；(2)项目建设许可；(3)获得场址海域使用权；(4)附近电网基本情况，包括陆地变电站位置、电压等级、可接入的最大容量以及电网规划等；(5)场址基本情况，包括范围、水深、风能资源以及海底地质条件；(6)环境制约，包括当地旅游业、水中生物、鸟类、航道、渔业和海防等负面影响等。3测风(1)风资源初步评价：借助气象站、石油钻井平台、卫星以及船只的观测资料，初

13、步估算发电量；(2)在场址安装5080m高测风塔，或10m高浮标测风设备，通过综合浮标测得的长期数据与测风塔测得的短期数据，经相关性分析，减少风能资源评估的不确定性。另外，还可以采用超声波雷达测风仪、激光雷达测风仪测风，特点是安装在低平面、流动平台上测量高空风能资源。4现场勘查(1)采用声纳计全面测量场址和拟定送出电缆路线等区域的水深，绘制等水深地图，为微观选址和送出路线的设计提供依据;(2)收集场址各处的海底表层土壤数据;(3)海底钻孔勘查，深度在20-40m，了解海底地质情况；(4)现场测量波浪、潮汐和海流等数据，用于计算基础等水下建筑物的水动力学载荷。5海上风电机组（1）同等额定功率机组

14、的风轮直径更大，降低额定风速；（2）风速随高度的变化率小，轮毂高度降低；（3）叶尖速比高，因不受噪声限制，机组转速提高10%35%，增加发电量，降低转矩、减少传动系统的重量和成本；（4）提高防腐保护标准，如内部采用密封措施，齿轮箱和发电机的空冷系统的空气通过再循环来实现热交换，避免外界空气的进入，同时在机舱和塔架内安装除湿装置。通过增加塔架壁厚、采用电极防护和镀层措施加强外部防腐保护；（5）新型结构形式，包括二叶片、下风向、柔性叶片，高压发电机（输出电压10kV）和高压输电，如由支流取代交流以减少损耗。6吊装吊装船目前主要采用改装船，投入运行的有A2SEA改装船，五月花“决意”号，“跳爆竹”号

15、。其中，五月花“决意”号是世界首艘海上风电机组吊装船，由中国山海关造船厂建造，有六条可以伸缩的支架，作业水深可以超过35m，还可以安装基础，无需其他船只协助，一次可以装载10台风电机组达到指定地点。也有采用机组整体提升和安装的方法。7电气传输技术（1）海上风电机组按一定规律排布，串联在一起形成若干独立的组，分别与海上升压变电站相连接，如35kV/150Kv，还开发专用的硅树脂冷却变压器，密封性好，无需特殊外壳就能够在恶劣环境（潮湿和盐雾）中运行；（2）采用新型直流输电技术（HVDC）联网，降低网损耗，改善电能质量等。8系统接入与稳定运行近海风电场电网接入和并网技术，包括电网稳定性、可靠性等，以

16、及风电场并网控制策略。风电场的总体规模与系统连接点三相短路的短路容量之比，与风电场电压的波动密切相关，即，为了保证电网的电压质量，风电场的装机容量不能超过联接点短路容量的某一百分值。直流联网方式需要配置大容量电力变换器，固定资产投资高，适合长距离输电，与交流输电相比，其高容量的电缆投资和损失都比较小。采用轻型高压直流（HVDC Light）输电技术，针对风力发电特点，满足输送近海风电到公共电网的要求。 近海风电场系统接入与稳定运行主要研究近海风电场电网接入和并网技术，分析风电场对电力系统的影响，尤其是分析在单机和装机容量不断增加的情况下，风机系统较平繁地切入和切出对电力系统的影响，如，电网稳定

17、性、可靠性、电能质量，涉及频率稳定性、功角稳定性、电压稳定性等。有关学者曾先后采取电容器组提供无功功率补偿方式，但因容量固定，在风力发电机组输出改变的情况下，提供的无功功率补偿势必出现过多或不足现象；也提出采用可控静态无功补偿装置（SVC）提供可变的无功补偿，但对于抑制飓风影响造成电网剧烈波动却不理想；采用可控静态无功补偿装置与蓄电池储存装置的组合方式，虽可以同时提供系统所需有功和无功补偿，但因增加了一个全容量变频器，势必引起高次谐波，同时，蓄电池储存装置提供的有功补偿还受到化学反应时间的限制，不可能迅速地提供所需的有功补偿；采用变速恒频双馈风力发电机，能够快速地向电网输出无功补偿，与可控静态

18、无功补偿装置与蓄电池储存装置的组合方式相比较，所需变频器容量仅为双馈电机额定输出值的0.3倍，具有价廉、高次谐波也很少特点；此外，研究风电场对电能质量的影响等，针对并网风电场对系统电压、频率、可靠性等的影响，以及并网控制策略研究，旨在提高风力发电机组运行可靠性、并网成功率，减轻并网时对电网的冲击，实现风电场系统接入与稳定运行经济、安全和可靠2,7。3近海风电场系统优化设计关键技术8，9 31主要研究内容311近海风电场优化配置与评估采用数据挖掘及智能聚类处理技术，综合多种预测方法建立风速组合预测模型。（1）风能资源评估分析。进行技术和经济性评估，以正确地选择风电场场址。主要包括测风数据的处理、

19、统计、预测及数据反演分析方法、风资源评估、风力发电机组和风电场年发电量评估； （2）建立近海风电场极限穿透功率计算的数学模型，确定近海风电场极限穿透功率与电网结构、负荷水平和入网方式之间的函数关系； （3）近海风电场可靠性指标，建立风能资源对风电场可靠性影响的数学模型； （4）建立各种发电形式并存时风电最佳比例计算的数学模型，确定风电比例不当对电网造成影响的量化指标； （5）建立考虑近海风电资源分布与电网结构的近海风电场最优规划的数学模型。 312近海风电场电气传输技术（1）针对近海风电场特点，综合研究交流并网、基于轻型HVDC的发电机集中控制并网和基于轻型HVDC的发电机分散控制并网三种并网

20、方案，结合经济、技术比较，提出近海风电场电气传输设计方案； （2）风电场的最大安装容量和风电机组的控制方式、功率因数、并网点电压等级等相关，通过稳态分析及暂态分析，针对不同近海风电场，辅助确定风电机组运行控制方式、并网点电压等级。研究包含风电场的动态优化潮流，确定最优潮流模型；（3）针对风电场电压波动、闪变和谐波等电能质量，采取无功、电压控制等方式改善风电场并网运行电能质量。 313近海风电场系统接入与稳定运行 （1）近海风电场电网接入和并网技术，包括电网稳定性、可靠性等，如，频率稳定性、功角稳定性和电压稳定性。风电场并网运行的电压稳定性属于小干扰电压稳定性问题，通常作为静态问题来分析，采用基

21、于潮流分析的电压稳定分析方法P-V曲线法和Q-V曲线法； （2）风电场并网控制策略研究。与固定风速风电机组相比，变速恒频风电机组对改善风电场并网运行电压稳定性有一定的作用。通过研究风电场的无功、电压调节、频率控制策略及方法，确保风电场并网运行时电压稳定和可靠，并提高并网成功率和风电场故障穿越能力。 32技术关键（1）采用数据挖掘及智能聚类处理技术，综合多种预测方法建立风速组合预测模型。 （2）研究建立近海风电场极限穿透功率计算最优数学模型，采用高效子群优化技术求解该模型，并定量研究风电穿透功率极限与电网结构、负荷水平和入网方式之间的关系。 （3）研究近海风电场可靠性及经济性指标，建立风资源对风

22、电场可靠性影响的数学模型，在考虑电网结构、入网方式等前提下利用蒙特卡罗仿真，研究风能参数对风电场可靠性及经济性影响。 （4）建立多种发电形式并存时风电最佳比例计算的数学模型，确定风电比例不当对电网造成影响的量化指标。（5）建立考虑近海风资源分布与电网结构的近海风电场最优规划的数学模型。（6）综合研究交流并网、基于轻型HVDC的发电机集中控制并网和基于轻型HVDC的发电机分散控制并网三种并网方案，结合经济、技术比较，提出近海风电场电气设计方案。为了提高风能利用率，综合考虑性价比，选用3MW级双馈变速恒频大型风力发电机组。（7）风电场最大安装容量和风电机组的控制方式、功率因数、并网点电压等级等相关

23、，通过稳态分析及暂态分析，针对不同近海风电场，辅助确定风电机组运行控制方式、并网点电压等级。研究包含风电场动态优化潮流，确定最优潮流模型。以有功网损最小为目标，并假设分析周期由n个时段组成，确定目标函数；建立等式约束，对于动态优化潮流，需要满足各时段节点潮流方程；建立不等式约束，包括发电机出力、节电电压、支路功率，以及风电场无功补偿容量等约束，还考虑发电机组爬坡速率约束；内点法具有收敛迅速、鲁棒性强、对初值不敏感等特点，因为包含风电场的优化潮流计算是一个多时段优化问题，对计算的精度和计算速度都有较高的要求，为弥补以前算法的不足，考虑将现代内点算法进行改进来求取最优潮流。 （8）风电场电压波动、

24、闪变和谐波等电能质量问题一直存在。通过对无功、电压控制方式以及风电场方式的研究，改善风电场并网运行的电能质量。提高近海风电场电能质量，研究FACTS设备在并网风电场稳定运行中的应用，风电场输出可变功率会影响电力系统运行，引起系统不稳定、带来许多问题，包括线路传输容量越限，频率和电压不稳定、发电量和用户耗电量不平衡等。 并网系统的功率不仅与近海风电场的注入功率有关，还与系统运行方式、风电场与系统联络线的电抗与电阻的比值大小有关。因此，改变风电场与系统联络线的电抗与电阻比值能改变注入并网系统的功率，特别是在风速变化时，同步的改变线路电抗与电阻的比值可以保持并网系统功率的恒定。研究静止同步串联补偿器

25、（Static Synchronous Series Compensator，简称SSSC）在并网系统中抑制风电场功率波动的问题。通常，具有改变线路的电抗与电阻比值，能够调节线路功率，抑制功率波动的可控设备有晶闸管投切的串联电容器（Thyristor Switched Series Compensator，TSSC）、晶闸管控制的串联电容器（Thyristor controlled Series Compensator，TCSC）、SSSC、统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）等柔性交流输电系统（FACTS）装置。其中，SSSC是用全控型器件，

26、如GTO来实现串联补偿的，而TCSC则是用半控型电力电子元件实现串联补偿，其输出波形较差。TSSC和TCSC由于没有储能元件，故不能向系统提供对称的容性或感性串联补偿。因此，SSSC有更好的性价比。相对TSSC、TCSC和SSSC而言，UPFC功能较全，但其控制要求更加复杂，且投资太大。为此，在抑制并网风电场系统的功率波动、控制线路功率上，选择SSSC。（9）研究近海风电场电网接入和并网技术，分析近海风电场对电力系统的影响，包括电网稳定性、可靠性等。研究风电场的电压稳定性，根据所研究的扰动大小及时域范围，将电压稳定性分为小干扰、暂态和长期电压稳定性。小干扰电压稳定性是指系统遭受任何小干扰后，负

27、荷电压恢复到扰动前电压水平的能力；暂态电压稳定性是指系统遭受大扰动后，负荷节点维持电压水平的能力；长期电压稳定性是指系统遭受大扰动、或者负荷增加、传输功率增大时，在0.530min内，负荷节点维持电压水平的能力。风电场并网运行的电压稳定性属于小干扰电压稳定性问题，通常作为静态问题来分析，采用基于潮流分析的电压稳定分析方法P-V、Q-V曲线法。 （10）风电场并网控制策略研究，变速恒频风电机组对改善风电场并网运行电压稳定性有一定作用。通过研究风电场的无功及电压调节、频率控制策略及方法，实现风电场并网运行，确保电压稳定、可靠，并提高并网成功率、风电场故障穿越能力。近海风电场功率由风速决定，可调度性

28、差，需要研究风电场系统调度问题，结合负荷变化情况以及气象预报等信息，合理、科学安排风电场发电，预测风电场出力、研究风力发电机组组合等问题，采用非线性控制、模糊控制、神经网络等智能控制算法，基于Digsilent、PSCAD/EMTDC、PSS/E、Matlab/Simulink软件建立近海风电场并网模型，研究风电场并网控制策略等。4结论（1）随着我国国民经济持续快速增长，用电负荷越来越大、用电量与日俱增，电力短缺、电力供应紧张的局面逐年加剧，已严重制约了国民经济的发展。节能、提高能源效率、新型能源开发和利用、进一步发现能源的多元化，尤其是大规模发展可再生能源已引起世界各国政府的高度重视，并作为

29、国家能源战略的主要内容之一。（2）风能的规模化、低成本利用，需要切实解决大功率风电机组与近海风能规模化利用中的关键科学问题，实现高效率、高可靠性和低成本。风能，尤其是近海风能利用潜力极大，将成为以火电占主导的能源结构的重要补充。风能规模化利用中转换与储存，旨在针对风力资源非稳定性、不可控性、不可储存性和时空分布性等特点，结合科学试验，揭示风能捕获、转换与储存的规律及作用机理，提高风力运行可靠性和可维护性，实现风能规模化利用中转换与储存的高效、安全和可靠。 （3）近海风电场涉及关键技术包括近海风电场优化配置与评估；近海风电场电气传输技术及其可靠性和经济性；近海风电场系统接入与稳定运行；近海风电场

30、风资源测试与评估；近海风电机组安装与运行维护；近海风电机组的关键技术。近海风电场系统优化设计技术，需要解决需要考虑近海风电场规划与优化配置、电气传输方案、系统接入技术等,成为海上风能高效利用与近海风电场安全、经济、稳定运行的关键. （4）结合上海东海大桥(上海侧)建设10万kW海上风电场实际需要，开展风能资源评估分析,建立近海风电场极限穿透功率计算、风能资源对风电场可靠性影响、风电最佳比例计算和近海风电资源分布与电网结构的近海风电场最优规划等数学模型；采用3MW双馈风力发电机组,根据风电场装机容量和风电场在电网中所处位置，综合考虑联网后系统稳定性、电能质量以及投资回报率等因素，研究基于轻型HV

31、DC的发电机分散控制等三种并网方案，指导近海风电场电气方案实施；研究、探索近海风电场系统接入与稳定运行,包括无功、电压控制策略、风电场与公共电网的相互影响等。 （5）促进我国近海风能规模化利用、近海风电机组与相关产业发展需要。近海风电机组容量大，现已商业运行海上风力发电机组单机容量5MW，并需要解决防腐（盐雾引起）、海上风机基础建设等。随着近海风电规模化发展，建设与运行经验的丰富，大型风电机组和基础设计建造以及吊装等技术的成熟，近海风电成本可降低20%以上。参考文献:1 刘颖,高辉,施鹏飞.近海风电场发展的现状、技术、问题和展望J.中国风能,2006,(3):41462 Wu Li, Wang

32、 Zhixin.Wind Generator Stabilization with DASMC. Proceeding of IPEMC 2006, Shanghai:520-5253 Wu Li, Wang Zhixin.A Basic Study of Fuzzy-Logic-Based Power System Stabilization With Doubly-Fed Asynchronous MachineC.Proceeding of IPEMC 2006, Shanghai:1492-14964 Wu Li,Wang Zhixin,Junji Tamura.Smoothing C

33、ontrol of Wind Farm Output Fluctuation with Doubly-fed Asynchronous MachineC. Proc. of IEEE PEDS Malaysia,2005:495-5005 Wu Li, Wang Zhixin. Wind Generator Stabilization with Doubly-fed Asynchronous Machine. WSEAS Transaction on Power System, 2006,1(2):12166 戴赟,王志新.变速恒频风力机桨叶电液比例控制系统研究J.机电一体化,2006,12(

34、1):16207 乐斌,王志新.兆瓦级双馈感应风力发电机变频器调制方法分析与仿真研究J.昆明理工大学学报,2006,31(4B):21258 王志新,王承民,艾芊等.近海风电场系统优化设计关键技术C.中国风能发展论坛报告,2006年9月2122日,北京9 叶杭冶.风力发电机组的控制技术M.北京:机械工业出版社,2006.1The Key Technology of Offshore Wind Farm and Its New DevelopmentWang Zhixin, Wang Chenming, Ai Qian,Jiang Chuanwen, Fang Xinyan, Wu Li（Dept. Electrical Engineering Shanghai Jiaotong University, 800 Dongchuan Road, Shanghai 200240）ABSTRACT: The paper reviews characteristics and developing state of abroad offshore wind farm briefly, defines the key technology related with offshore wind farm. It is analy