风力发电技术介绍.pptx.pptx

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1、风力发电技术介绍三一电气整体所：缪瑞平主要内容一、风力发电的现状二、风电场的分布三、风力发电机的类型和结构四、风力机的结构组成风力发电机原理五、风力发电机原理六、三一电气的主要产品七、风机试验八、风力机组的现场安装第一部分风力发电的现状我国风电产业发展现状全球风电产业上涨31%，新增装机容量3.75万兆瓦，将总装机容量推升至15.79万兆瓦。2009年，中国的涨幅引领全球风电产业，其新增装机容量超过100%，从2008年的1.2万兆瓦上涨到2009年底的2.51万兆瓦，新增装机容量达到1.3万兆瓦，已经是连续第六年超过100%同年，美国风电产业的涨势也强劲，其新增装机容量上涨39%，约为1万兆

2、瓦，总装机容量达到3.5万兆瓦。 全球风电装机总量预计在未来五年增加两倍至44700万千瓦,且可能在十年内扩大至近1,00000万千瓦。全球风电产业逆势上涨31% 31% 中国涨幅领跑世界 全球风能理事会（GWECGWEC）我国风电产业发展现状 排名 公司 国别 全球市场份额(%) 1) Vestas 丹麦 12.5 2) 通用电气 美国 12.4 3) 华锐风电 中国 9.2 4) Enercon 德国 8.5 5) 金风科技 中国 7.2 6) Gamesa 西班牙 6.7 7) 东方电气 中国 6.5 8) Suzlon 印度 6.4 9) 西门子 德国 5.9 10) RePower

3、德国 3.4 其它 18.5 20092009年全球十大风机供应商 ( (据BTM): BTM): 我国风电产业发展现状我国陆地风速较低，有多风地区，但都较偏远，大部分是少风地区，我们要让少风地区也用上风电机，就必须大幅提高微风发电性能。我国风电产业急需发展的“三大技术” ( (一）陆地微风高效新型风电机 （二）沿海抗台风新型高效风电机 我国有很长的海岸线，沿海蕴藏着非常丰富的风能资源，由于台风对风电机的破坏很大，严重阻碍了沿海风能的开发。海上风电技术一直都是国外研发的重点，但在抗台风技术上始终没有重大突破。我国风电产业发展现状由于风电机的并网稳定性没有保证，所以仍采用分散入网的方式，风电场规

4、模都较小，当风速和风向变化很大时，风电机不稳定，不能满足并网条件，此时风电机可以随时脱网；风电机稳定后，又可以随时入网，不会对电网造成太大的冲击。（三） 大规模电网接入风电场与风机设计第二部分风电场的分布风电场的分布第三部分风力发电机的类型 虽然也对风表现出阻力，但主要是叶轮对风表现阻力，风吹到叶片上会产生升力，带动叶片旋转。停机时，升力型叶片则对风表现出一种光滑，停机时间比前者减少了许多，因此得到广泛应用。风力发电机从受力上可分为两类，即阻力型和升力型。 主要表现为对风的阻力，停机时，阻力型叶片附近产生涡流，从而使风力发电机组停机风力发电机的类型阻力型风机升力型风机风力发电机的分类定桨距风机

5、 叶片相对轮毂固定风力发电机从功率调节方式可分为，定桨距和变桨距p被动失速调节p主动失速调节风力发电机组一般技术变桨距风机 叶片和轮毂之间采用回转支撑连接，可以相对运动 SE8215风力发电机组采用的是变桨调节方式。p 变桨调节时叶片转出风向，角度在090之间。p 实时监控，以恒定的最大功率输出。p 叶片尖端窄、根部宽，受风的压力较小，对叶片的强度要求较低，对塔架和基础的要求也相对较低。p 通过叶片的气流总是保持流线形式的，可保护桨叶。p 三个叶片都有独立的刹车系统、控制灵活、安全。p 功率调整变的简单变桨调节方式与主动失速调节的主要区别是风力发电机组一般技术风力发电机组内部结构变速风力发电机

6、的优点p桨距调整更加便利p更高的动态速度控制和可变转差使风轮叶片的调节时间变成为可能。这就使变桨系统工作次数减少。p噪音减少，速度的特定调节方式，使得减少噪音的发出成为可能。p机械元件的冲击载荷减少 由于力矩或功率的稳定载荷维持，所有机械载荷减少，因而元件变的轻巧，风轮扫掠面增加，出力提高。p系统的整体效率更高 使用变速驱动系统，使得风力发电机组的转子速度最佳工作范围更宽。p在较高风速和持续送电时，保持转子速度恒定，叶片角度定值通过特殊控制设定。p可以被视作主刹车系统使用。风力发电机组内部结构变桨系统的两种任务风力发电机的分类双馈直驱风力发电机从发电机的原理可分为，双馈、直驱、半直驱和中速双馈

7、 采用同步永磁发电机+ +全功率整流, ,不需要采用增速机采用双馈电机+ +部分功率整流, ,需要增速机增速半直驱中速双馈风力发电机的分类风力发电机的分类布置三叶片二叶片单叶片多叶片风机水平轴垂直轴风机上风向下风向风机风力发电机的分类风力发电机的分类风力发电机从叶片数可分为，多叶片、单叶片、二叶片和三叶片风力机按风轮的结构及其在气流中的位置可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。优点一 垂直轴风力机特点优点2 2 可以接受来自任何方向的风,因而当风向改变时,无需对风。由于不需要调向装置,使它们的结构设计简化。 是齿轮箱和发电机可以安装在地面上, 这相对离地面几十米高的水平轴风力机来说具有更好的可维护

8、性。三一电气的机组特性p 主动偏航p 上风向p 三叶片p 水平轴p 变桨距p 变速p 衡频p 双馈风力发电机的分类第四部分 风力机的结构组成 从能量转换的角度看, 风力发电机组由两大部分组成。 其一是风力机, 它的功能是将风能转换为机械能; 其二是发电机,它的功能是将机械能转换为电能。风力机的结构组成从外部结构风轮机舱塔架基础风力发电机组 风力机的结构和组成风力发电机的样式虽然很多,但其原理和结构总的说来还是大同小异的。以水平轴风力发电机为例, 它主要由以下几部分组成: 风轮、传动机构(增速箱) 、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等, 风轮p 风轮一般由23 个叶片和轮毂

9、所组成, 其功能是将风能转换为机械能。p 叶片安装在轮毂上，采用螺栓拧紧。p 大型风机的叶片一般采用玻璃纤维或其它复合材料制造。p 轮毂是风轮的枢纽, 也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力,都通过轮毂传递到传动系统,再传到风力机驱动的对象。在设计中应保证足够的强度,并力求结构简单风力机的结构组成叶片轮毂主传动系统主轴变桨电机风轮 风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。 但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上, 不需要低速传动轴。也有一些风力机(特别是小型风力机) 设计成无齿轮箱的, 风轮直接连接到发电机。传动机构风力机

10、的结构组成联轴器： 在主轴和齿轮箱高速轴，齿轮箱低速轴之间的连接主轴： 支撑轮毂和传递负载（轴向力，剪力（径向力），弯矩和扭矩）齿轮箱： 起增速作用，并传递动力和运动，承受静动载荷和冲击载荷齿轮箱主要结构形式：一级行星加两级平行轴齿轮传动低速轴胀套，高速轴轮胎联轴器主传动系统 图4-1 风力发电机组的传动链传动链风力机的结构组成p 风力发电机组的功率调节方式有多种，目前最成熟并被广泛采用的方式改变叶片的桨距角+改变发电机的励磁电流。p 额定功率以下采用调整发电机转子励磁电流来确保风机以恒定转速运行，调节风轮的转速和功率p 在额定风速以上通过改变桨距角来限制发电机组的功率不会超过额定功率p 在大

11、型风力机中, 常采用带控制系统的电机或液压机构来控制叶片的桨距。转速和功率调节装置 p 变桨电机： 每个叶片都有一个变桨电机，并带有刹车、测速传感器、绝对值传送器及强制空冷装置。p 超级电容：用于电网断电和安全链中断时叶片的变桨控制。p 充电器：带有充电控制和电压检测装置。p 转换器：三相两路装置，用于向变桨电机输送直流电。p 叶片自动变桨控制器 除变桨电机，其余部件都在轴控制柜或公用控制柜内，每个叶片都有可控硅片。变桨机构的组成风力发电机组内部结构p 尾舵 主要用于小型风力发电机,它的优点是能自然地对准风向, 不需要特殊控制。p 电动机驱动的风向跟踪系统 大型风力发电机组一般采用电动机驱动的

12、风向跟踪系统。 调向装置,调向装置也称为偏航装置上风向风力机则必须采用调向装置, 常用的有以下几种:风力机的结构组成 偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、纽缆保护装置、偏航液压回路和偏航系统调节软件偏航系统作用：偏航系统组成：p 与风力发电机组的控制系统相配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电效率p 提供必要的锁紧力矩以保障风力发电机组的安全运行p 如机舱在同一方向偏航超过3 圈以上时, 则扭缆保护装置动作,执行解缆。当回到中心位置时解缆停止。风力机的结构组成风力机的结构组成永磁同步发电机发电机主流风电用发电机形式：双速异步发电机风力机的结构组成变桨

13、控制系统主控制系统 偏航控制系统 温度、压力、振动的监控和报警系统 并网控制系统（变频控制）控制系统基本目标p 保证机组可靠运行、p 获取最大能量、p 提供良好的电力质量。组成：风力机的塔架除了要支撑风力机的重量, 还要承受吹向风力机和塔架的风压, 以及风力机运行中的动载荷。它的刚度和风力机的振动有密切关系,塔架对大型风力机有着重要的影响。,水平轴风力发电机的塔架主要可分为管柱型和桁架型两类,一般圆柱形塔架对风的阻力较小。桁架式塔架常用于中小型风力机上,其优点是造价不高,运输也方便。但这种塔架会使下风向风力机的叶片产生很大的紊流。塔架其他厂家的风机结构风力机的结构组成风力机的结构组成风力机的结

14、构组成风力机的结构组成风力机的结构组成第五部分风力发电机原理风力机的结构组成翼型的工作原理连续方程AVgAVGCgzVpc22伯努利方程基本理论风力发电机组空气动力学基础风力发电机原理物体在空气中运动或者空气流过物体时, 物体将受到空气的作用力, 称为空气动力。通常空气动力由两部分组成: 一部分是由于气流绕物体流动时, 在物体表面处的流动速度发生变化, 引起气流压力的变化, 即物体表面各处气流的速度与压力不同, 从而对物体产生合成的压力; 另一部分是由于气流绕物体流动时, 在物体附面层内由于气流粘性作用产生的摩擦力。将整个物体表面这些力合成起来便得到一个合力, 这个合力即为空气动力。空气动力学

15、的基本知识升力和阻力边界层和边界层分离风力发电机组空气动力学基础翼型受力分析cVRCyl221cVRCxd2212221cVMCm (6-2) (6-3)风力发电机组空气动力学基础 与气流方向垂直, 它使平板上升, 称为升力;升力是使风力机有效工作的力, 升力 气流方向相同,阻碍风轮转动 称为阻力。而阻力则形成对风轮的正面压力。为了使风力机很好地工作, 就需要叶片具有这样的翼型断面, 使其能得到最大的升力和最小的阻力, 也就是要求具有很大的升阻比K。阻力影响升力系数和阻力系数的因素翼型的影响攻角的影响 对于流线型叶片来说,它的前缘点与后缘点 之间的连线称为弦线,弦线与前方来流速度之间的夹角即为

16、攻角,如图所示。lC升力系数与攻角的关系曲线。翼型的攻角特性dC阻力系数和攻角的关系曲线风力发电机组空气动力学基础lCdC升力系数和阻力系数的关系曲线。 极曲线风力发电机组空气动力学基础 雷诺数的影响 升力系数和阻力系数不但与翼型及其在气流中的位置有关, 也与阻滞空气流动的粘性力(即摩擦力) 有关。这种粘性力可以用雷诺数来表示。 雷诺数增加,粘性力减小，最大升力系数增加, 最小阻力系数减小, 因而升阻比增加。 翼型表面的粗糙度, 特别是前缘附近的粗糙度, 对翼型空气动力特性有很大影响。一般情况下, 粗糙度增大使阻力系数增加, 而对升力系数 影响不大。翼型表面粗糙度的影响SVLCl221SVDC

17、d221ScVMCTm221设S为叶片面积，等于叶片长与翼弦之乘积，L为整个叶片所受到的升力；D为叶片所受到的阻力；Mr 为叶片所受合力对前缘的力矩。则整个叶片的升力系数，CL阻力系数Cd力矩系数Cm叶片受力分析风力发电机组空气动力学基础风轮在静止情况下叶片的受力情况风力发电机组空气动力学基础)arctan(90vr风轮在转动情况下叶片的受力情况 从图中可以看出风能叶片的攻角和叶尖速度与风速的比值有如下关系：)cot(vr因此风能利用系数Cp值的大小取决于当opt时，Cp=Cpmax。风力发电机组空气动力学基础p 由于风轮旋转时叶片不同半径处的线速度是不同的, 因而相对于叶片各处的气流速度W

18、在大小和方向上也都不同, 如果叶片各处的安装角都一样, 则叶片各处的实际攻角都将不同。p 为了在沿整个叶片长度方向均能获得有利的攻角数值, 就必须使叶片每一个截面的安装角随着半径的增大而逐渐减小。这种具有变化的安装角的叶片称为螺旋桨型叶片,扭角变桨距式叶片 为了适应不同的风速, 可以随着风速的变化, 调节整个叶片的安装角,从而有可能在很大的风速范围内均可以得到优良的气动力性能。变速运行方式 通过控制输出功率的办法, 使风力机的转速随风速的变化而变化, 两者之间保持一个恒定的最佳比值, 从而在很大的风速范围内均可使叶片各处以最佳的攻角运行。风能利用系数实际风轮的风能利用系数如图所示, 在实际应用

19、中常用风能利用系数Cp 对叶尖速比的变化曲线表示该风轮的空气动力特性。BetzBetz理论风力发电机组空气动力学基础p 从风中获得的能量越多，风就变得越小。理论上 讲，如果风能全部被风力发电机组吸收，那么风经过风力发电机组后速度会为0。p 但在理想状态下，即使风力发电机组自身不损失能量，也只有59.3%的风能被转化成电能。p 如果两台风力发电机组在同一风向直线上，那么风在经过前一台风力发电机组后，到达后一台风力发电机组时的风速仅为最初风速的三分之一。对于粘性较小的流体（例如水和空气），粘性的影响仅限于贴近所流过物体表面的薄层中，该层即可称为边界层。边界层和边界层分离边界层边界层中流体的特点是速

20、度低，粘性起主要作用。边界层之外，流体基本上表示为无粘流。直接由粘性所产生的作用于物体的阻力非常小，但是它对于流体的流动方式有着很大的影响。风力发电机组空气动力学基础边界层和边界层分离风力发电机组空气动力学基础pmCVDP3281pCVDP3281p空气密度p风速p叶轮转子直径p叶片的性能p机组的效率影响风力发电机组发电的因素通过风轮截面的风功率风力发电机发出的功率风力发电机组空气动力学基础风电场与风机设计第五部分风机运行过程风力发电机组一般技术Cp值最大保持最大的路径的风力发电机组的运行风机的最佳运行路径optvr风力发电机组一般技术变速风机的运行风力发电机组的运行maxPPCC 恒速风机的

21、运行optvrmaxPPCCoptvr风机安装过程-步骤转速尖速比功率风能利用系数风力发电机组一般技术风能利用系数00.10.20.30.40.50.6051015202530风速-转速0200400600800100012001400160018002000051015202530风力机的结构组成永磁同步发电机发电机的运行主流风电用发电机形式：双速异步发电机双速异步发电机图4-3 双馈异步电机的运行方式 双馈异步发电机允许有额定转速30%的滑差范围，这就是说一个同步转速1500rpm的四级发电机可以在10002000rpm的范围内运行，这就产生了可以连续运用的3种运行方式亚同步运行方式同步运

22、行方式超同步运行方式在风速较低时，发电机转子以低于发电机同步转速的速度旋转。这个范围代表一个轻负载范围，定子提供全部的电能。电能中的一部分通过变频器送的转子，以补偿转子滑差。为此，变频器将电网中的三相50HZ的交流电进行变换，以便在转子绕组中产生一个滑差频率的交流电。gensynsynPnnn*Pgen发电机的额定功率P = 亚同步运行方式转子中所需求的功率按如下公式确定： 风力发电机组内部结构双馈异步电机亚同步运行风力发电机组内部结构发电机转子以同步转速旋转，系统由定子给电网提供输出。在一定程度上讲，同步运行方式是一种特殊情况，在这种情况下转子提供直流电风力发电机组内部结构同步运行方式超同步

23、运行方式风力发电机组内部结构 在超同步运行方式下，当转子转速超过同步转速时，通过变频器转子也可以向电网传送能量。从发电机转子送出能量以减少相对于发电机同步转速的转子磁场多余的速度。为此，发电机侧的变频器在转子上传送一个特定频率的电流使转子磁场的速度减少至同步速度，从而使能量倒流。发电机侧的变频器把存储的能量送到直流中间电路。电网侧的变频器从直流中间电路取走这部分能量，把它转换成3相50HZ的交流电。缺点双馈异步风力发电机系统的特点p 连续变速运行，风能转换率高；p 部分功率变换，变流器成本相对较低；p 电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）；p 并网简单，无冲击电流；p 降低桨距控制的动态响应

24、要求；p 改善作用于风轮桨叶上机械应力状况；优点p 双向变流器结构和控制较复杂；p 电刷与滑环间存在机械磨损。永磁同步发电机p 永磁发电机具有最高的运行效率；p 在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；p 去除齿轮箱，降低故障率永磁驱动同步发电机系统特点：缺点优点p 永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。p 永磁发电机和全容量全控变流器成本高；p 永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。p 发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大；p 存在退磁的现象第六部分 公司的主要产品三一电气风力发电机组 目前公司主要产品1.5MW1.5MW系列

25、 SE7015、SE7015-L、SE7715、SE7715-L、SE8215、SE8215-L等常温型和低温型高速双馈风力发电机组， 2.0MW2.0MW系列 SE8220III，SE8220III-L，SE9320III-S等常温型和低温型中速双馈机组三一电气风力发电机组介绍三一电气风力发电机组1.5MW1.5MW系列SE8715和SE8715-L 陆路上型高速双馈机组2.0MW2.0MW系列SE9320-L、SE8720-L、SE8720EIII-L等2.0MW系列的高速双馈和中速双馈风力发电机3.0MW3.0MW系列SY10030S 3.0MW海上型机组。 目前公司在研产品三一电气风力

26、发电机组介绍三一电气风力发电机组叶片增速机发电机主控、变桨、变流器回转支撑等核心零部件； 目前公司主要零部件三一电气风力发电机组介绍三一电气风机主要产品型谱产品型谱安全等级规格风轮直径传动型式常低温塔架高度1.5MW70高/中速双馈常/低温65/70/80陆上类77陆上类风场82陆上类风场87陆上IVIV类风场2.0MW82高/中速双馈常/低温70/80/90陆上/海上类87陆上/海上类93陆上/海上类3.0MW100高/中速双馈常/低温90/100海上类110海上类产品型号说明SE企业名称代号。第一主参数，表示风轮直径（米），取整。第二主参数，表示发电机组的额定发电功率（MW）10，取整。升

27、级换代序号，用罗马数字、表示，缺省表示高速双馈（4极发电机）、表示中高速双馈（6极 发 电 机 ） 、 表 示 中 速 双 馈 （ 1 2 极 发 电机）。配置或变型代号，用拉丁字母A、B、C表示（I、O除外）。缺省表示基本配置或基本型。应用风场等级代号，用阿拉伯数字1、2表示。“1”表示类风场，“3”表示类风场，缺省表示类风场。用途特征代号，用拉丁字母表示，如：L表示陆上一般用途低温型，S表示海上型，H表示高原型。缺省表示陆上一般用途常温型。连接符，其后无内容时省略。三一电气风力发电机组介绍风轮直径为82米，额定发电功率为1.5兆瓦，高速双馈（4极发电机）基本型，适合陆上类风场低温使用的风力

28、发电机组标识为：SY8215-L3SY8215-L3。风轮直径为100米，额定发电功率为3.0兆瓦，中速双馈（12极发电机）海上型，某进口配置风力发电机组标识为：SY10030A-SSY10030A-S。三一电气风力发电机组介绍标记示例技术参数：SE7015SWE7715 SE8215 运行容量 1500KW1500KW 1500KW切入风速 3.5m/s 3.5m/s3m/s切出风速25m/s25m/s22m/s额定风速13m/s12.5m/s12m/s风轮桨叶数目3 3 3风轮直径70.5m77.5m82.5m扫掠面积（m2）3901m24715m25343m2风轮速度（rpm）10.5-

29、21rpm10.5-21rpm9.6-19.2rpm塔筒轮毂高度65/7065/7065/70/80功率控制主动变桨主动变桨主动变桨三一电气风力发电机组介绍1.5MW1.5MW主要技术参数三一电气风力发电机组的特点l主动偏航l变桨调节功率/力矩控制容量，l采用双馈异步发电机，l采用基座传动链设计，所有的机舱元件布置在同一个底架平台上，提供了独特的坚固性能。l发电机和齿轮箱由弹性体元件支撑，减少了噪音的发散。三一电气风力发电机组介绍风力发电机的要求p 高可靠性：p 高可维护性：p 高发电量p 高发电质量：p 高安全性风力发电机组的技术要求p 提高设计可靠性(案例:发电量与可靠性)p 可靠性分配p

30、 可靠性设计方法p 提高制造可靠性(案例:螺栓机器人)p 标准化作业、专用工装工具、自动化p 质量控制流程化高可靠性：p可维护结构设计；p维护工具；p服务保障体系。高可维护性：p提高系统可靠性；p提高系统可维护性；p基于差异的个性化设计: :p基于环境气象差异的个性化设计p基于用户要求差异的个性化设计高发电量p 利用风轮传动链和控制系统加阻去除空气动力学转矩波动,提高输出功率稳定性,减少对电网的冲击;p 变流器控制发电机转矩平滑变化,使输出功率平稳;p 通过软并网技术减少对电网的冲击;p 通过控制系统控制功率因素,补偿电网中不良功率因素;p 发电机的输出电压适应电网电压变化,避免电压闪变影响;

31、p 优化的变流器控制算法减少谐波电流;p 自主知识产权的变流器采用低电压运行技术.高发电质量风电场与风机设计第七部分风机试验整机型式试验台；增速箱、发电机、变流器型式试验台；叶片型式试验台；回转支承型式试验台；变桨系统型式试验台；变流器型式试验台；主控系统试验台。型式试验台整机试验台叶片型式试验台回转支撑试验台风电场与风机设计第八部分风力机组的现场安装风力机组的现场安装1 1、风电场的环境2 2、风机安装过程风力机组的现场安装 沙漠草原，远离城市，生活不便 气温达到零下3030度 风速 2323米 塔架6565米高风电场的环境特点：风力机组的现场安装风机安装过程 设备 天气要求 步骤 问题风机

32、安装过程-设备400400吨履带吊 进场一天费用3 3万元风机安装过程-设备汽车吊风机安装过程-设备吊具风机安装过程-设备机舱吊具风机安装过程-天气要求 风速，吊装小于8m8m，维护小于14m14m 雨雪天气不能吊装风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤风机安装过程-步骤转速尖速比功率风能利用系数风机安装过程-步骤提问与解答环节Questions and answers感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边结束语谢谢聆听THANK YOU FOR LISTENING演讲者：XX 时间：202X.XX.XX