《风力发电技术》课件-第六章 风力发电技术

第六章风力发电技术1.原理简介风力发电是将风所蕴含的动能转换为电能的技术，简称风电。将风能转换为电能的设备称为风力发电机组，筒称风电机组，由风轮、传动系统、发电机、控制系统、偏航系统、机舱、塔架和机组基础等设备和系统构成。风力发电技术风力发电机的结构2024/9/124Technologytrend失速调节主动失速定速变速控制齿轮箱变距调节变速调节无齿轮箱

大型风力发电机组发展趋势2024/9/125失速型风力发电机组

定桨距失速型风力发电机组是通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，以及通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在低风速时通过改变桨距角或保持一定的桨距角，使其功率输出增加，而在高风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出。2024/9/126失速型风力发电系统2024/9/127首台国产化率超过90%的600kW风力发电机组1999年国内首台国产化率到达到93%的风电机组新疆金风科技公司600KW主机，中航惠腾公司叶片2024/9/128

750kW风力发电机组750kW风力发电机组

(新疆金风科技股份有限公司)(浙江运达风力发电工程有限公司)750KW风机2024/9/129双馈变速恒频型风力发电机组

双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时采用双馈型发电机，发电机可以变速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。2024/9/1210双馈变速恒频型风力发电系统2024/9/1211华锐（大连重工）1.5兆瓦风机2024/9/12121.5MW变速恒频双馈型风电机组东方汽轮机厂2024/9/1213直驱型风力发电机组

直驱型风力发电机组是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，风轮轴直接与低速发电机连接。直驱型风力发电机组要采用全功率变流器。2024/9/1214直驱型风力发电系统2024/9/1215直驱型风力发电机组1基座2偏航系统3发电机定子4发电机转子轮毂6叶片2024/9/1216直驱型风力发电机组2024/9/1217ENERCONE112风力发电机组2024/9/12181.5MW直驱型风电机组首台样机已于2005年5月安装投入试运行(国产化率40%)2007年，1.5MW直驱型风机已装官厅水库33台（其中有3台用惠腾叶片）2024/9/1219混合型风力发电机组

混合型风力发电机组采用单级齿轮箱和中速发电机，是直驱型风力发电机组和传统型风力发电机组的混合。混合型风力发电机组也要采用全功率变流器。2024/9/1220混合型风力发电机组2024/9/12211轴承2单级行星齿轮3永磁发电机4电驱变距系统WinWinDWWD-1风力发电机组2024/9/1222海上风电场2024/9/1223海上风电场2024/9/1224

丹麦海滩风电场建设海上风电场2024/9/1225海上风力发电快速发展2024/9/1226MultibridM5000风力发电机组2024/9/1227Repower5MW风力发电机组2.风力发电基础风力发电机组基础

塔架的基础实际上就是整个风力发电机组的基础，因为风力发电机组的全部构件都安装在塔架顶端。对基础的要求是，在受到极限风力条件下塔架基础必须保证风力发电机组不倾覆。塔架基础塔架基础风力发电机组对基础的要求风力发电机组的基础用于安装、支承风力发电机组，平衡风力发电机组在运行过程中所产生的各种载荷，以保证机组安全、稳定地运行。在设计塔架基础之前，必须对机组的安装现场进行工程地质勘察，这是进行塔架基础设计的先决条件。

安装时需要应用力学的方法来研究载荷作用下地基土的变形和强度问题。地基基础的设计满足以下三个基本条件:1.要求作用于地基上的载荷不超过地基容许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。2.控制基础的沉降，使其不超过地基容许的变形值。以保证风力发电机组不因地基的变形而损坏或影响机组的正常运行。3.满足塔架在安装时的连接尺寸和结构要求。在风力发电机组基础的设计中，风力发电机组对基础所产生的载荷主要应考虑机组自重与倾覆力矩。由于风力发电机组型号与自重不同，要求基础承载载荷也各不相同。风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的基础可分为:(一)平板块状基础(二)桩基础(三)桁架式塔架基础基础的分类

平板块状基础，即实体重力式基础，应用广泛。对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。

平板块状基础按其结构剖面又可分为“凹”形和“凸”形两种。底座盘上的回填土是基础重力的一部分，这样可节省材料，降低费用。平板块状基础

平板形状常用正方形、六角形、八角形或圆形。在地面以下几米至几十米设置一定面积的平板块状基础，平板块比塔架底面积大很多，利用机组、基础及基础上覆盖层重量的偏心反作用力来抑制倾覆力矩。平板上有一个比塔架底面积稍大一些的柱状体承台，用于和塔架连接。平板块状基础第一种为均匀平板块，当岩床距地面较近时选用。平板必须有足够的厚度和合理的钢筋网。第二种平板块上面为锥形，可以节省材料。第三种将平板块用岩石锚固装置固定在岩层上，可以减小埋深及平板面积，但施工难度大。平板块状基础

在地质条件较差地方，柱状的桩基础比平板块基础能更有效地利用材料。从单个桩基受力特性看，又分为摩擦桩基和端承桩基两种。1.摩擦桩基础:桩上的荷载由桩侧摩擦力和桩端阻力共同承受，其特点是桩很长，平面板块梁面积较小。

2.端承桩基础:桩上荷载主要由桩端阻力承受，其特点是桩较短，平面板块梁面积较大。桩基础桩基础常用的三种结构形式:1.框架式桩基础，是桩基群与平面板块梁帽的组合体，它是将几个至几十个圆柱形桩，利用一个平板块形桩帽把它们连接起来，桩帽上设计有与塔架连接的承台组成的基础。桩基础2.混凝土实心单桩基础，由一个大直径混凝土圆柱和其上面的与塔架连接的承台组成。适用于水平面很低，且开挖施工坑边缘不会塌方时采用，但混凝土消耗量大、成本高。桩基础

3.空心中空复合桩，它比混凝土实芯单桩基础节省材料，但施工难度大。适用条件与混凝土实芯单桩基础相同。桩基础

桁架式塔架基础的特点是腿之间的跨距相对很大，并且还可以使它们使用各自独立的基础。

一般在现场使用螺旋钻孔机钻孔后浇注混凝土桩，防止倾覆的作用力在桩上被简单地上提和下推，上提力和下推力被桩表面的摩擦力所抵抗。桁架式基础组成塔架基础的角钢框架，应提前进行组装，然后在给桩灌注混凝土时就地浇注。角钢框架应设置好间隔和倾斜度,以便上部桁架的安装。桁架式基础3.控制系统概述数据测量

风力发电机组的运行控制中，信号测量的主要目的是监控机组运行状态、保护设备、控制运行、调整状态。1.需要监测的数据1.速度信号:发电机转速、风轮转速、偏航转速和方向等。2.温度信号:主轴承温度、齿轮箱油温、液压油油温、齿轮箱轴承温度发电机轴承温度、发电机绕组温度、环境温度等。3.位置信号:桨距角、叶尖扰流器位置、风轮偏角等。4.电气特性:电网电流、电压、功率因数、电功率、电网频率、接地故障、逆变器运行信息等。5.液流特性:液压或气压、液压油位等。6.运动和力特性:振动加速度、轴转矩、齿轮箱振动、叶根弯矩等。7.环境条件:风速、风向、湿度等。2.测量仪表的分类及构成模拟式:利用被测量驱动指针运动，产生位移或偏角

特点:简洁反应被测量，但易引起测量误差。数字式：特点:精确度教高。

互感器是一种专供测量仪表、控制及保护设备用的特殊变压器。分为电压互感器和电流互感器。1)电磁式电压互感器:工作原理和结构与电力变压器相似，容量较小，通常只有几十伏安或几百伏安。2)电流互感器:将高压电流和低压大电流变换成电压较低的小电流提供给仪表使用。3.基本电量测量（互感器）4.基本电量测量（电量变送器）

功能:将被测电量变换成标准的直流电信号(一般为4~20mA的电流信号或0~5V的电压信号)。目的:对风力发电机发出的电量进行自动检测或对风力发电机组进行自动控制。电流、电压变送器:有平均值变送器和有效值变送器(交流电压电流测量)。5.基本电量测量（电压与电流的测量）

交流仪表多用有效值标定，直流仪表多用平均值标定。电压和电流测量一般测取线电压和线电流。1)用指示式仪表测量:进行电压、电流测量时，常选用指示式电工仪表。2)用数字存储示波器测量:变速恒频控制接入变流器，对电压电流测量要求提高。

数字存储示波器可显示被测电压或电流波形、信号、频率、周期、幅值、有效值、平均值等;可对信息和波形进行数字存储。3)用电量变送器测量:风力发电系统需要对电压和电流进行自动监测、检测与控制，因此，需要使用电压、电流变送器。6.

基本电量测量（电功率测量）电功率的测量通常是指有功功率的测量。测量方法:功率表测量，功率变送器测量，用电压电流信号计算7.转速测量

光电式转速传感器可分为投射式和反射式两种，风力发电机组中主要采用投射式。1.光电转速传感器2.电感式接近开关

7.转速测量8.应力测量目的:对风力机叶片根部载荷、风轮载荷、塔架载荷以及塔顶弯矩或扭矩等进行测量。电阻应变法原理：在外力作用下，物体内部将产生应力，应力表征了物体的受力情况。常使用应变片测取物体应变。

9.应力测量应变片的种类和特点：电阻丝式应变片:电阻值与应变呈线性变化。箔式应变片:采用金属箔栅电阻敏感元件制成应变片。半导体应变片:应用单晶硅半导体的压阻效应制成的应变片。

10.转矩测量

发电机输入机械转矩，偏航变桨距执行机构输出转矩测量，借助主轴进行风轮转矩、俯仰力矩测量。测功机法;校正过的直流电机法;转矩仪法;电阻应变法等。11.温度测量检温计:热电阻、热电偶和半导体热敏电阻等。12.振动开关振动激活传感器的微动开关，改变内部继电器的状态。通常用在安全链中。13.监控系统监控系统实现对全风场风机状况的监视与启、停操作，它包括大型监控软件及完善的通讯网络。4.电气系统与发电机

风电机组中涉及电能生产、输出、分配和使用的设备及电气回路的总称,包括发电系统和自用电系统。电气系统把机械能转变为电能并输送给电网,其核心部件包括发电机、变流器、变压器和开关柜等。发电系统

发电机输出电压等级一般AC,690V,风电场集电线路电压等级一般为AC,10kVAC,35kV,发电机输出的电能首先通过机组变压器升压后才能并入风电场输电线路。利用定子和转子间的气隙旋转磁场和转子绕组中产生感生电流相互作用的交流发电机，也称感应发电机。异步发电机典型特点：转子旋转磁场和定子旋转磁场并不同步。异步发电机可以分为笼型和绕线型两种。定子由铁芯和定子绕组组成，转子采用笼形结构，转子铁芯两端将导条短接，不需要外加励磁，没有集电环和电刷。特点：结构简单，可靠性高，冷却风扇与转子同轴。。笼型异步发电机定子由铁芯和定子绕组组成，与笼型相同。转子电流通过集电环和电刷流入流出。绕线型异步发电机风力机转速较低，需经过增速齿轮箱提升转速达到适合异步发电机运转的转速，一般异步发电机为4极或6极。双馈异步风力发电机定子绕组直接接入电网，转子绕组经变流器后接入电网，定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。转子转速低于同步转速时（亚同步），仅定子发电，转子需从电网吸收无功能量，即励磁高于同步转速时（超同步），定子转子都发电。双馈异步发电机的风电机组

风轮将风能转化为机械能，通过齿轮箱增速驱动异步发电机，通过励磁整流器励磁而将定子产生电能输入电网。机组采用交流励磁，励磁电流幅值、频率、相位可调，可以实现变速恒频运行。双馈异步发电机的风电机组齿轮箱增速容易让发电机高转速运转，同时易于控制，实现稳定的频率和电压输出。但齿轮箱成本随机组功率增加而升高，切需要经常维护、噪声大。

双馈异步电机转子上有集电环和电刷，转速与励磁频率直接相关，内部结构复杂增加维护工作量和故障率。双馈异步发电机的风电机组优点：允许发电机在同步转速上下±30%的范围内运行，机组控制灵活、方便，调速应力小、调整装置简单，机组效率高。整流器容量较小，成本低，可实现有功、无功的独立调节。双馈异步发电机的风电机组定子由铁芯和三相绕组组成，与异步发电机定子相同。转子由转子铁芯、励磁绕组、集电环和转子轴等组成。转子上有集电环和电刷，通过直流励磁电流建立磁场。定子磁场由转子磁场引起，且二者始终保持等速同步关系。同步发电机

电能由发电机定子输出,经过变流器调频调压再经过变压器升压后并入电网。同步发电机的风电机组机组采用多极永磁发电机直接连接风力机，不使用齿轮箱，转子转速随风速变化，输出交流电频率也随之变化。

并网：经过大功率整流器，将交流电整为直流电，再逆变为同频率交流电输出并网。变流器容量=额定容量1.直驱永磁式风力发电机组

优点：可靠性高、噪声小机组效率高（无齿轮箱）。虽然发电机直径大、成本高、变流器投资大，但省去了成本更高的已损坏的齿轮箱，因此总体投资成本更低。1.直驱永磁式风力发电机组

在直驱永磁式机组上增设一级行星齿轮传动并适当增速，齿轮箱增速比较小。

此机组介于高传动比齿轮箱型和直接驱动式之间，故称为半直接驱动式。2.半直驱永磁式风力发电机组由于适当增速，定子磁极对数可适当降低，故可减小发电机尺寸和成本，行星齿轮副与发电机集成发电单元。

并网：经过大功率整流器，将交流电整为直流电，再逆变为同频率交流电并网。2.半直驱永磁式风力发电机组包括供电系统和各种用电设备。自用电系统自用电系统供电系统各种用电设备电源系统配电系统用于产生和调节电能用来分配和管理电能照明、通信、控制、加热、冷却用电气设备电源系统电网电源系统备用电源系统

为了确保风电机组在电网断电情况下能够及时安全停机,配备了备用电源。一种是为控制系统及通信系统提供电源的备用不间断电源(UPS)；另一种是为变桨系统提供电源的蓄电池。风电场升压变电站站用电系统某风电场电气主接线5.《风电场接入电力系统技术规定》

中国用于规定风力发电场接入电力系统的技术要求,规范风电场的接入及运行特性,保证并网风电场安全稳定、可靠运行的技术标准。标准号GB/T19963-2011,于2012年6月1日起实施,是中国第一部关于风电场并网的国家标准。《风电场接入电力系统技术规定》

适用于通过110(66)kV及以上电压等级线路与电力系统连接的新建或扩建风电场。对于通过其他电压等级与电力系统连接的风电场,也可以参照执行。适用范围有功功率功率预测无功容量电压控制电能质量仿真模型和参数接入系统测试标准主要内容风电场输入到并网点的有功功率。风电场有功功率

基于维持系统频率稳定,防止输电线路过载,确保故障情况下系统稳定的考虑,需要对风电场有功功率控制提出要求。要求包括:①控制有功功率变化②在电网特殊情况下限制风电场的输出功率控制风电场有功输出的方式包括：调节风电机组的有功功率输出水平切除风电机组切除整个风电场。对风电场未来某一确定时段内发出的有功功率的预先推测。风电场功率预测

风电场应配置风电功率预测系统,系统具有0~72h短期风电功率预测以及15min~4h超短期风电功率预测功能。

风电场每15min自动向电力系统调度机构滚动上报未来15min~4h的风电场发电功率预测曲线,预测值的时间分辨率为15min。15min~4h超短期风电功率预测

风电场每天按照电力系统调度机构规定的时间上报次日0~24时风电场发电功率预测曲线,预测值的时间分辨率为15min。0~72h短期风电功率预测风电场内无功电源吸收或者发出无功功率的能力。风电场无功容量

风电场的无功容量应按照分(电压)层和分(电)区基本平衡的原则进行配置,并满足检修备用要求。风电场的无功容量配置需求与风电场容量规模及所接入电网的强度有密切关系,对不同