风电机组设计关键技术研究20155汇编

《风电机组设计关键技术研究》

主讲人：田德单位：华北电力大学时间：2015年5月绪论1风电机组的设计理念2风电机组的设计类型3整机与零部件设计关键技术4内容简介华北电力大学新能源国家重点实验室5据全球风能理事会最新数据统计，2014年全球风电累计装机容量达到3.69597亿千瓦，其中我国累计装机容量达到1.14609亿千瓦，占比31%；2014年全球新增装机5147.3万千瓦，其中我国新增装机2319.6万千瓦，占比45.1%。以上数据表明：风能作为我国重要的战略性新兴产业已取得了举世瞩目的发展成就。

国内外风电机组装机发展现状我国风电机组装机发展现状

据中国可再生能源学会风能专业委员会数据统计，2014年我国各省区市风电累计装机容量排名前五的省份有内蒙古、甘肃、河北、新疆和山东。新增装机容量中，排名前五的省份有甘肃、新疆、内蒙古、宁夏和山西。

其中，据能源局最新数据统计，截止到2015年一季度，我国风电累计并网容量达到10107万千瓦，风电已成为我国第三大电源。风电产业已经在科研、装备、建设、运行、管理方面形成了一个比较完备的产业链。初步设计详细设计概念设计确定风电机组的主要参数、整体布局和结构形式（如双馈式、直驱式、半直驱式、分体式和磁钢结构等）；对机组的整体载荷及整机质量进行初步计算，选择主要的部件结构，完成机舱布局的计算机模型；给定控制策略，在此基础上撰写概念设计说明书。风电机组设计理念按照风电机组设计程序规范，风电机组的设计步骤可分为三个阶段：即方案设计（概念设计）、技术设计（初步设计）和施工设计（详细设计）。根据概念设计的技术要求，进行整机和部件结构的设计；针对不同工况下进行机组极端载荷和疲劳载荷的计算和分析，对关键零部件进行校核计算与分析；进行电气控制与安全系统设计，初步选择外购件的型号，在此基础上提供技术设计图和技术设计说明书。根据初步设计的结果，对风电机组进行总体设计，重点突出结构创新紧凑（如采用液压和电磁调速等装置）；对零部件进行强度和刚度校核及失效分析；对整机进行可靠性分析和动态分析，修改和审定加工图样和技术文件；填写标准间和外购件明细表，撰写详细计算说明书、运输和安装说明书以及用户使用与维修手册。风电机组的设计类型围绕低风速、抗台风、高海拔（低密度）等风场要求对风电机组进行了新的研究与探索。低风速风电机组低风速风电场低风速风电场指风电机组轮毂高度上年平均风速介于5.3m/s和6.5m/s之间，风资源年利用小时数在2000小时以下的风电场。低风速区域具有风速较低、湍流强度大，风速持续性差，风向变化快，地形地貌复杂等环境特点。低风速风电场前景2014年12月31日，国家发改委下发《关于调整陆上风电标杆上网电价的通知》，明确表明第四类资源区风电标杆上网电价保持不变，表明国家鼓励在低风速风电场建设分布式风电场，低风速风电场建设在今后一段时期内将有可观的进展。低风速风电机组的特点适于复杂地形、气象条件；超大风轮，功率2MW的机组平均直径为110m；全风速动态捕能灵敏，气动翼型高效。风电机组的设计类型低风速风电机组设计关键技术控制技术最佳叶轮跟踪，最优转换效率偏航变桨控制优化、灵敏，降载控制制动性能佳，避免飞车问题叶片设计叶片气动翼型佳风轮直径较大叶片材料优质突变风向，大湍流强度时抗载能力强低风速型风电机组风电机组的设计类型抗台风风电机组抗台风风电场抗台风风电场主要指能够抵抗台风风速一般为35~70m/s的海上风电场，具有风资源丰富、极端风速大、风向突变快、湍流强度大、风切变大及与巨浪同步等特点。抗台风风电场前景我国海上风资源非常丰富，毗邻东南沿海经济发达省市，具有良好的经济效益。然而台风对我国东南沿海影响广泛，平均一年有3-4次极端台风天气，因此抗台风风电场具有抵抗台风及丰富风资源等优势，发展前景乐观。台风环境下的主要失效模式主要有三种：整体倾覆，塔筒破坏和叶片损毁。抗台风风电机组的特点？叶片，塔架，机舱罩，基础的抗极端载荷能力强，可靠性高；海上环境高盐雾，高湿度，因此机组应同时具备抗腐蚀技术；容量大，一般为3MW~5MW。风电机组的设计类型抗台风风电机组的设计创新点基础设计漂浮式基础漂浮式基础的特点布局灵活，不考虑水深简化安装工程对海洋动物影响小漂浮式基础的种类桩式通过压载舱使得整个系统的重心压制压低至浮心之下来保证整个机组在水中稳定，再通过3根悬链线来保持整个机组的位置。张力腿式通过系泊线的张力来固定和保持机组的稳定。浮箱式及其他依靠自身重力和浮力的平衡及悬链线来保证基础的稳定和位置。张力腿式桩式浮箱式张力腿式风电机组的设计类型高海拔（低密度）风电机组高海拔风电场高海拔风电场主要指海拔2000米及以上地区，该地区具有地形复杂、干湿季节湍流变化大、空气密度低、气温低及紫外线强度大等特点。高海拔风电场前景高海拔风电场主要集中在云贵高原、青藏高原等高海拔地区，风电场开发区域小，基本属于分散式开发，具有缓解偏远地区缺电的意义。高海拔风电机组的特点适于低空气密度、高凝露等复杂环境；机组对绝缘、除湿、散热、抗紫外线、抗雷电等方面要求更为严格；容量小，一般为750kW~2MW，便于在山地地区的运输和安装。整机与零部件设计关键技术风轮与叶片的设计基本参数载荷计算气动设计结构优化风轮直径，扫掠面积，叶片弦长，扭角，轮毂高度，锥角，仰角，偏航角和实度风轮转速，尖速比，风的能量和风能利用系数Cp静载荷：最大受力、弯矩和转矩载荷计算动载荷：阵风频谱、风剪切、偏航、自重、机械和空气动力制动及电网周期变化对叶片产生的载荷计算确定翼型动量叶素理论及修正叶片设计计算出桨距角和弦长迭代气动优化设计和工艺化设计叶片材料主体结构叶根结构形式伸缩式结构减阻设计其他整机与零部件设计关键技术传动链的设计风电机组的主传动链设计是指将风轮轴功率传递到发电机系统的机构。典型的主传动链结构包括了风轮低速传动机构（主轴）、增速传动机构（齿轮箱）、机组控制调节机构（偏航和变桨距）、轴系的支撑和连接机构（轴承和联轴器）以及制动装置等。主轴主轴承齿轮箱变桨机构偏航机构制动装置发电机整机与零部件设计关键技术传动链的设计齿轮箱变桨机构偏航机构制动装置总体结构参数箱体、齿轮与轴的结构设计传动效率噪声润滑与冷却

风向标控制自动偏航手动偏航90°侧风偏航自动解缆制动机构设计

华北电力大学新能源国家重点实验室华北电力大学风电研究中心（新能源电力系统国家重点实验室的）主要研究方向：风电机组运行机理与发电特性研究，风电机组建模、仿真与测试系统开发，为高效、低成本风电机组技术创新提供重要的理论和技术支撑。主要研究成果国家863计划：风电场、光伏电站集群控制系统研究与开发子课题研究分析了双馈和直驱风电机组电气模型及出力特性得出不同类型MW级主流风电机组动态等值数学模型的建立方法建立了考虑风电场内风速分布、尾流效应、地形地貌、机组地理分布等因素下的风电场动态等值建模与聚合模型研究分析了风速、风向等风资源参数随不同的空间尺度的变化规律国家科技支撑计划：5.0MW双馈式变速恒频近海风电机组整机设计、集成及示范子课题5MW海上风电机组整机建模与载荷计算分析5MW风电机组整机结构形式、传动链结构优化设计进行了主轴和机舱底座结构极限强度和疲劳强度计算推导了风电机组旋转湍流风场的频域表达式进行了测试载荷和计算仿真载荷之间的对比分析华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果中英国际合作：英国峰能（SgurrEnergy）风电机组功率曲线分析和风电机组控制系统优化双方合作对云南和张北两个风电场进行现场风速测试，研究风速、湍流度、风剪切、变桨距角、偏航角、空气密度、尾流等因素对风电机组出力特性的影响。华北电力大学与SgurrEnergy联合研究有关风电机组功率曲线测试以及系统优化。与英国峰能SgurrEnergy签约现场合影华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果中韩国际合作：3MW海上直驱式风电机组研究开发根据IEC国际标准和GL认证规范，自主完成风电机组的整机技术设计和全部零部件的集成优化设计提出了风轮、主轴及发电机共用一个主轴承的设计方法提出了电气与控制系统设计与优化方法获得了德国DEWI-OCC海上风电机组认证公司的认可。达到了国际先进水平，该项目技术可以向国内外转让，课题组具备了3MW及以上风电机组的设计能力3MW海上直驱式风电机组CAD模型3MW海上直驱式风电机组轮毂有限元分析华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果科技创新项目：浓缩风能理论与系统优化方法研究进行了浓缩风能型风电机组流场出力特性分析和风洞试验建立了浓缩风能型风电机组模型对浓缩型风电机组进行了流场建模与数值模拟工作对浓缩风能型风电机组在大气边界层内的模拟实验研究提出了浓缩风能型风电机组在提高电能质量、浓缩风能后的功率控制方法浓缩风电机组外形图浓缩风能装置的等效应力云图浓缩风能装置风洞试验华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果科技部国际合作：中船重工海上风力发电机组设计关键技术合作研究进行了5MW海上风力发电机组的电网适应性技术研究进行了全工况下5MW海上风力发电机组的载荷仿真计算与出力特性研究进行了5MW海上风力发电机组传动链评估方法研究国家重点实验室课题：太阳能与风能发电过程特性研究及建模仿真进行了风电机组各子系统和整机数学建模进行风轮叶片设计的试验室验证试验，提出高效翼型设计新方法进行了风力发电过程特性的机理研究计算机仿真实现发电过程输出特性模拟完成基于风洞试验的风电机组缩比模型的设计优化和英国峰能（SgurrEnergy）合作进行风电机组现场测试和计算机建模仿真验证低风速机组：山西东盛风

1.5MW低风速双馈风电机组的研究与开发进行1.5MW低风速风电机组叶片设计，理论建模分析及参数修正研究完成有关1.5MW低风速风电机组的载荷计算分析整机结构优化设计，及部件强度有限元分析传动链系统设计与分析，控制系统设计与优化进行了风轮叶片和机舱底盘替代材料和轻量化研究华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果南网合作项目：云南电科院复杂风电场地形的CFD模拟分析方法研究调研云南高海拔地区的风电机组，风电场情况研究这些地区的风特点，风功率密度谱，地形地貌等

获取地形数据，研究地形对风速的影响通过分析风电场测风历数据和气象数据，得出复杂地形的统计算法将CFD结果与统计算法相结合，建立风电机组风功率预测模型中国航天合作项目：中国航天空气动力技术研究院-高效太阳能飞行器螺旋桨性能风洞试验研究试验0.5缩比和0.3缩比两套试验模型桨，设计点风速范围主要集中在5~20m/s，通过调整风速、转速实现拓宽前进比范围，得到螺旋桨效率性能曲线华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果微电网项目：中船重工孤岛风/柴/蓄微电网系统研究开发搭建了微电网物理实验模型（包括微电网物理实验平台各部分硬件选型，结构设计，接线设计，装配及系统整合）进行了仿真实验（包括不同风况对发电机组出力特性，直流母线运行参数的影响，柴油发电机组运行参数及对系统的影响，风柴蓄微电网的负载部分运行参数等实验平台运行参数）优化了设计方案，完成了微电网架构设计、微电网功率动态调节、潮流分析、蓄电池组与超级电容容量的选择孤岛风/柴/蓄微电网原理图微电网PSCAD模型图华北电力大学新能源国家重点实验室主要研究成果新能源国家重点实验室：风洞风轮特性实验系统平台该平台通过测试翼型升阻特性/叶片的载荷和出力特性，研究不同风轮在不同