2022年风力发电机分析报告 .pdf

1 风力发电技术概述一、国内外风电发展历史、现状风能是太阳能的一种表现形式。 它是由太阳的热辐射引起的空气流动。太阳把自己能的绝大部分以热的形式给了地球，而到大气求得太阳能约有2%转变为风。所以，地球上风能资源蕴藏丰富。人类对于风能的开发利用也很早就开始了。对风能的利用首先出现在波斯，在荷兰和英国的风车磨坊大约从公元七世纪就广泛应用，在中国对风能的利用至少不晚于 13世纪中叶，主要用于磨面和提水灌溉。 利用风力发电的设想始于1890年的丹麦，到 1918 年，丹麦已拥有120 台风力发电机 1931 年前苏联采用螺旋桨式的叶片建造了一台大型风力发电机。随后，各国相距建造了一大批大型风力发电机。但是， 近代火力、水力发电机的广泛应用和20 世纪 50 年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。20世纪 70 年代后，由于能源短缺，人类生存环境的进一步恶化， 环境与能源问题成为当今世界面临的两大挑战。因此寻求无污染、可再生的能源成为科技界的一大目标。风能这一古老而丰富的自然资源，以其易于获得并转换， 且分布广泛无污染又能够不断再生，而被重新认识， 开发和利用。此时的风力发电机设计应用了航空器的成熟理论，使得风力机的效率比老式的风车提高了几倍乃至十倍。欧美工业发达国家凭借其先进的科技和工业水平，投入数以亿美元计的研制经费，相继制造了兆瓦级风力发电机，形成了风能工业，使风力机的概念由单机运行发展到并网运行和建成有相当规模的风车田。据报道，截止 1990 年底的报道材料统计，全球风力发电设备总装机容量已经达到 3800MW，其中美国约 200MW，而且各国正在不断加大对风能开发的投入。面对新世纪的来临，美国、丹麦、荷兰、德国、日本和英国等国家纷纷制定出能源规划的长远目标。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2 作。七十年代后， 随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产， 用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来， 风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（1KW） 、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟，已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20 余个风电场。总装机容量达到了近 25MW。从统计资料来看， 在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展， 与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。二、风力发电的技术及构成1、 风力发电机组的构成及分类1.1 构成风力发电机组由风轮、机舱、塔架和基础构成。风轮是风力机的核心部件。机舱由底盘、 整流罩和机舱罩组成， 底盘上安装机组发电系统、 变桨距系统及偏航系统等主要部件。机舱罩后上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音及通风装置等， 底部与塔架连接。 塔架支撑机舱达到所需高度，其上布置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制电缆及通信电缆，塔架上还装有供操作人员上下机舱的扶梯或电梯。基础采用钢筋混凝土结构，其中心预置与塔架连接的基础部件，基础周围还设置了防雷击的接地装置。水平轴风力发电机组机舱构成示意图见图1。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3 图 1 变桨距主动偏航风力发电机组机舱构成1.2 分类风力发电机组类型主要按容量和结构即（机型）划分。（1）按容量分容量在 0.11kW 为小型机组 ,1100kW 为中型机组 ,1001000kW 为大型机组 ,大于 10000kW 为特大型机组。（2）按风轮轴方向分水平轴风力机组： 风轮围绕水平轴旋转。 风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。垂直轴风力机组： 风轮围绕垂直轴旋转， 可接收来自任何方向的风， 故无需对风。垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。（3）按功率调节方式分定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性（失速）或偏航控制。变桨距（正变距）机组：须配备一套叶片变桨距机构， 通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。主动失速（负变距）机组：当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。（4）按传动形式分名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4 高传动比齿轮箱型机组： 风轮的转速较低， 必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。中传动比齿轮箱（“半直驱”）型机组：采用一级行星齿轮副，其增速比约为高传动比齿轮副的1/10，因而减少了多极同步风力发电机的极数和体积。（5）按转速变化分定速机组：转速恒定不变，不随风速变化。多态定速机组：包含两台不同转速和容量的发电机，可根据风速的变化，选投其中一台运行。变速机组：发电机转速随风速变化。2、 风力机的气动特性及结构2.1 气动特性风轮叶片是风力机最重要的部件之一，其平面和剖面几何形状与风力机空气动力特性密切相关。 风轮叶片在空气动力作用下主要产生两种力：升力推动风力机旋转进行有效工作，阻力形成对风轮叶片的正面压力。风力机将风能转换为机械能的效率用风能利用系数Cp 表示，Cp 是叶尖速比 和桨距角 （或攻角 ）的函数。叶尖速比 是叶片的叶尖圆周速度与风速之比，桨距角 是叶片剖面的翼弦线与风轮旋转面间的夹角，而攻角 是叶片剖面的翼弦线与合成气流方向间的夹角。Cp 与 的典型关系如图2 所示。 可以看出，风能利用系数Cp 只有在叶尖速比为m 时最大。 因此，在一定的风速下调节风力机转速，使其运行在最佳叶尖速比m 条件下，即可捕获最大风能。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 5 图 2 一种典型的Cp 与 的关系曲线Cp 与 的典型关系如图3 所示。 可以看出，随着 由零逐渐增大到接近 cr，Cp 由某一数值开始逐渐增大，基本呈线性变化。当 =cr 时，Cp 达到最大值Cpmax； 当 cr 时，Cp 随 的增加而明显下降， 这一现象称为失速。失速发生时，风力机的输出功率显著减小， 噪声常常会突然增加，并引起风力机振动和运行不稳定等。图 3 一种典型的Cp 与 的关系曲线风力发电机组的风轮并不能提取风的所有功率。根据贝兹（ Betz）理论，风力机能获取的最大功率是风功率的59.3%。2.2 结构风力机的核心部件是风轮，风轮由叶片和轮毂组成。2.2.1叶片名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 6 叶片具有空气动力形状，能接受风能，使风轮绕轴转动。叶片呈螺旋桨状，其上不同截面的桨距角随其所处半径的增大而逐渐减小。叶片可用玻璃纤维增强材料 （GFRP） 、碳纤维增强材料 （CFRP） 、木材、钢、铝等制造。目前，国际上多采用复合材料制作叶片，并以玻璃纤维或碳纤维为增强材料、树脂为基体，其优点是比重较小、强度较高、易成型、耐腐蚀、少维护、易修补。CFRP 强度高、重量轻，但价格昂贵，只在长度40 m 以上的叶片使用。木材在大型风电机组中主要作叶片内的夹心部件。钢材主要用于叶片内部结构的连接件。风轮叶片主要以梁、壳结构为主。目前， 水平轴风力机叶片一般为2 片或 3 片。 两叶片风轮的制造成本较低，但叶片几何形状及风轮旋转速度相同时，两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比较高、由脉动载荷引起的风轮轴向力变化也较大。三叶片风轮由于外形整体对称，旋转速度较低、噪声相对较小，更易于为大众接受，故目前三叶片风轮居多。2.2.2轮毂轮毂用于将叶片固定到转轴上，并将风轮的力和力矩传递到主传动机构，同时控制叶片桨距角（使叶片作俯仰转动）。 轮毂有固定式和铰链式两种。固定式轮毂为铸造或焊接结构件，铸造采用铸钢或球墨铸铁材料。目前，三叶片风轮普遍采用这种刚性轮毂。铰链式轮毂常用于单叶片和两叶片风轮，又分为叶片之间相对固定和各叶片自由两种类型。前者两叶片之间固定连接，轴向相对位置不变；后者每个叶片互不依赖，在外力作用下，叶片可单独作调整运动。铰链式轮毂具有活动部件，相对于固定式轮毂来说，制造成本高、可靠性较低、维护费用高，但其所承受的力和力矩较小。3、 典型风力发电机的结构特点3.1 异步风力发电机一般采用笼型异步发电机，其定子由铁芯和定子绕组构成，转子为笼型结构，转子铁芯由硅钢片叠成。其转子无需外加励磁，没有集电环和电刷，结构名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 7 简单、运行可靠、价格便宜且并网容易。由于是定速恒频机组，转速基本不变，风力发电机组运行在最佳Cp 下的概率较小，因而其发电能力比后述的两种机型低。 该类型机组运行时，从电力系统吸收无功功率， 为满足电网对风电场功率因数的要求，多在机端并联补偿电容器。由于风速随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能常运行在额定风速下， 为充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。其极对数可改变，运行方式有高转速大容量和低转速小容量两种。3.2 双馈异步风力发电机双馈异步风力发电机也称作变速恒频发电系统（如图4） ，其风力机可变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风力机的风能利用系数Cp 得到优化 ,获得高的利用率，并实现发电机较平滑的电功率输出。图 4 双馈异步发电机变速恒频风力发电系统原理图双馈异步发电机的定子结构与异步风力发电机相同，但转子中带有集电环和电刷，转子侧可加入交流励磁， 既能输入电能也可输出电能。其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一个频率、相位、幅值可调的AC-AC 或 AC-DC-AC 变流器提供低频励磁电源，实现恒频输出。其风力发电系统工作原理见图4。 当转子绕组通过低频励磁电流时， 转子中形成一个低频旋转磁场， 该磁场的旋转速度 n2 与转子的机械转速n1 叠加等于定子的同步转速ne， 即 n1 n2 =ne，在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速 n1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 8 随之变化，在n1 变化的同时，相应改变转子励磁电流的频率和旋转磁场的速度 n2，以补偿转子机械转速n1 的变化，从而达到变速恒频发电的目的。双馈异步发电机通过控制励磁电流的幅值和相位，实现发电机有功和无功功率的独立调节，无需附加无功补偿设备。 由于变流器供给的转差功率容量一般不超过发电机额定功率的30%， 使变流器的成本及控制难度大大降低，故此类风力发电机适合用于大型变速恒频风电系统。3.3 直驱式交流永磁同步发电机交流永磁同步发电机的定子结构与一般同步发电机相同，转子采用永磁结构，无励磁绕组及滑环碳刷。 发电机轴直接连到风力机轴上，转子的转速随风速变化。 由于发电机为直接驱动结构，省去了齿轮箱，系统运行噪声低、可靠性高。直接耦合的永磁发电机转速很低，发电机极数多、体积大、制造成本高。 为克服这一弊端而开发的半直驱型机组，采用一级行星齿轮增速器集成多极中速发电机，风轮与发电机单元直接相连，其增速比约为高传动比齿轮副的1/10，发电机极数较直驱型发电机少许多，体积也大幅缩小，重量明显减轻。交流永磁同步发电机运行时，全部功率经AC-DC-AC 变换，故与双馈异步发电机相比，其变流器容量要大得多。但全容量的变流器更容易维持低电压运行，满足电网对风电并网日益严格的要求。在大功率变流装置技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用永磁同步发电机。三、国内风力发电市场面临的困难我国国内风力发电市场发展潜力巨大，但是由于国内风力发电机组制造企业制造能力不足，无法满足国内需求，导致进口量激增。风电是一个复杂的系统工程， 在测量、 发电、 并网、电控、 服务等方面需要有成熟的技术支持，风力发电机组设备看起来很简单，实际技术很复杂，主要难度是机组在野外应可靠运行20 年以上，需要经受住各种极端恶劣天气和非常复杂的风力交变载荷， 没有实践经验的积累是很难想象的。国际上和国内很多大的公司和研究院所都涉足过风电机组开发，但是失败的例子也很多，都是对风电技术的困难估名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 9 计不足。 而目前我国的企业还未掌握大容量风电机组的全部核心技术，这也是制约国内风电发展的瓶颈之一。目前， 我国风力发电机组制造业无论在技术还是在产品质量上同国外制造厂相比都存在较大差距。对于世界上主流的MW 级风电机组仍然处于试用和推广阶段，大型风力发电机组市场多为西班牙、丹麦、德国等风力发电设备生产大国的企业所垄断。根据中国国际招标网数据显示，从 2003 年以来所有的风电项目国际招标项目中，西班牙戈美沙风能公司和丹麦维斯塔斯公司垄断了近80%的市场份额， 而我国企业的中标比率仅有13%左右。技术上的差距不仅使我们失去了大量的订单，也抬高了我国风电项目的运作成本。 风电机组进口设备的售价要比国内设备高出30%，而设备成本占到了发电成本的 80%，由于设备过于依赖进口，直接导致我国风电成本上升，相比于火电、 水电等传统电力能源，其成本缺乏竞争力。根据测算，在现有条件下，国内风力发电的平均成本最少要在0.50 元/kWh，如果采用进口设备，则需要更高的电价，风电的竞争劣势显而易见。大力发展风力发电是解决我国能源和环保问题的一项重要战略，而设备成本过高则是这一战略实施当中的一个瓶颈。在这种情况下， 提高自主研发能力，尽快实现风电设备的国产化，降低发电成本才是解决问题的最根本途径。目前国内风电场造价成本约为80009000 元/kW， 机组 （设备）占 75%左右， 基础设施占 20%， 其它占 5%。 风能利用小时数在27003200h，其风电成本约 0.450.6元/kW （一般风电场机组寿命按25 年核算） 。四、 风力发电技术发展动向（1）单机容量增大。 目前世界上最大风电机组的单机容量达到了6 MW ， 叶轮直径 127 m，8l0 MW 的风电机组也已在设计开发中。由于风电机组设备的大型化尚未出现技术限制，其单机容量将继续增大。（2）传动系统设计不断创新。从中长期看， 直驱式和半直驱式传动系统在特大型风力机中所占比例将日趋提高。传动系统采用集成化设计和紧凑型结构是未来特大型风力机的发展趋势。（3）叶片技术不断改进。对于 2 MW 以下风力机，通常采用增加塔筒高度和叶片长度来提高发电量， 但对于更大容量的风电机组， 这两项措施可能会大幅名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 10 增加运输和吊装的难度及成本。为此，开发高效叶片越来越受到重视。另外，特大型风力机叶片长， 运输困难， 分段式叶片是个很好的解决方案，而解决两段叶片接合处的刚性断裂问题则成为技术关键。（4）变速变桨距风电机组占主导地位。变桨距功率调节方式具有系统柔性好、调节平稳、 发电量大的优点， 这种调节方式将逐渐取代失速功率调节方式。变速恒频方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度地利用风能，提高发电量，已逐渐取代恒速恒频调节方式。（5）开发新型风力发电机。无刷交流双馈异步发电机除了具有交流双馈异步发电机的优点外，还因省去电刷和滑环而具有结构简单可靠、基本上免维护的优点 2 。 高压同步发电机的特点是输出电压高达1040 kV，因而可省去变压器而直接与电网连接，并采用高压直流输电；其转子采用多极永磁励磁，可直接与风力机轴相联，省去了齿轮箱。（6）开发建设海上风力发电项目。海上风电场成为新的大型风电机组的应用领域。 海上风电技术发展的焦点是大容量风电机组，特别是大容量轻质量机舱装备的生产技术、大尺寸叶片的制造技术和先进的合成工艺技术、近海风电场基础的设计安装和维护技术等。（7） 开发应用混合型塔架 （混凝土 +金属结构）。当塔架底部钢管直径超过4m 时， 其运输难度明显加大、造价明显提高，故80 m 以上高度被认为是钢制塔架的极限。为此，国外在陆地上安装80m 以上塔架时，多采用混合型塔架。目前的混合型塔架造价仍然较高，仅在钢制塔架极限高度以上才具有经济性，因而尚在继续改进不断完善之中。五、结语风力发电是一个集计算机技术、 空气动力学、 结构力学和材料科学等综合性学科的技术。 随着风电技术的持续改进和机组制造成本的不断降低，风电的市场竞争力将逐渐提升，其发展前景广阔。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -