第六章風力發(fā)電技術1.原理簡介風力發(fā)電是將風所蘊含的動能轉(zhuǎn)換為電能的技術，簡稱風電。將風能轉(zhuǎn)換為電能的設備稱為風力發(fā)電機組，筒稱風電機組，由風輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機艙、塔架和機組基礎等設備和系統(tǒng)構成。風力發(fā)電技術風力發(fā)電機的結(jié)構2024/9/124Technologytrend失速調(diào)節(jié)主動失速定速變速控制齒輪箱變距調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié)無齒輪箱

大型風力發(fā)電機組發(fā)展趨勢2024/9/125失速型風力發(fā)電機組

定槳距失速型風力發(fā)電機組是通過風輪葉片失速來控制風力發(fā)電機組在大風時的功率輸出，以及通過葉尖擾流器來實現(xiàn)極端情況下的安全停機問題。變槳距失速型（主動失速型）風力發(fā)電機組在低風速時通過改變槳距角或保持一定的槳距角，使其功率輸出增加，而在高風速時通過改變?nèi)~片槳距角來控制功率輸出。2024/9/126失速型風力發(fā)電系統(tǒng)2024/9/127首臺國產(chǎn)化率超過90%的600kW風力發(fā)電機組1999年國內(nèi)首臺國產(chǎn)化率到達到93%的風電機組新疆金風科技公司600KW主機，中航惠騰公司葉片2024/9/128

750kW風力發(fā)電機組750kW風力發(fā)電機組

(新疆金風科技股份有限公司)(浙江運達風力發(fā)電工程有限公司)750KW風機2024/9/129雙饋變速恒頻型風力發(fā)電機組

雙饋變速恒頻型風力發(fā)電機組的風輪葉片槳距角可以調(diào)節(jié)，同時采用雙饋型發(fā)電機，發(fā)電機可以變速，并輸出恒頻恒壓電能。在低于額定風速時，它通過改變轉(zhuǎn)速和葉片槳距角使風力發(fā)電機組在最佳尖速比下運行，輸出最大的功率，而在高風速時通過改變?nèi)~片槳距角使風力發(fā)電機組功率輸出穩(wěn)定在額定功率。2024/9/1210雙饋變速恒頻型風力發(fā)電系統(tǒng)2024/9/1211華銳（大連重工）1.5兆瓦風機2024/9/12121.5MW變速恒頻雙饋型風電機組東方汽輪機廠2024/9/1213直驅(qū)型風力發(fā)電機組

直驅(qū)型風力發(fā)電機組是無齒輪箱的變槳距變速風力發(fā)電機組，風輪軸直接與低速發(fā)電機連接。直驅(qū)型風力發(fā)電機組要采用全功率變流器。2024/9/1214直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)2024/9/1215直驅(qū)型風力發(fā)電機組1基座2偏航系統(tǒng)3發(fā)電機定子4發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪轂6葉片2024/9/1216直驅(qū)型風力發(fā)電機組2024/9/1217ENERCONE112風力發(fā)電機組2024/9/12181.5MW直驅(qū)型風電機組首臺樣機已于2005年5月安裝投入試運行(國產(chǎn)化率40%)2007年，1.5MW直驅(qū)型風機已裝官廳水庫33臺（其中有3臺用惠騰葉片）2024/9/1219混合型風力發(fā)電機組

混合型風力發(fā)電機組采用單級齒輪箱和中速發(fā)電機，是直驅(qū)型風力發(fā)電機組和傳統(tǒng)型風力發(fā)電機組的混合?；旌闲惋L力發(fā)電機組也要采用全功率變流器。2024/9/1220混合型風力發(fā)電機組2024/9/12211軸承2單級行星齒輪3永磁發(fā)電機4電驅(qū)變距系統(tǒng)WinWinDWWD-1風力發(fā)電機組2024/9/1222海上風電場2024/9/1223海上風電場2024/9/1224

丹麥海灘風電場建設海上風電場2024/9/1225海上風力發(fā)電快速發(fā)展2024/9/1226MultibridM5000風力發(fā)電機組2024/9/1227Repower5MW風力發(fā)電機組2.風力發(fā)電基礎風力發(fā)電機組基礎

塔架的基礎實際上就是整個風力發(fā)電機組的基礎，因為風力發(fā)電機組的全部構件都安裝在塔架頂端。對基礎的要求是，在受到極限風力條件下塔架基礎必須保證風力發(fā)電機組不傾覆。塔架基礎塔架基礎風力發(fā)電機組對基礎的要求風力發(fā)電機組的基礎用于安裝、支承風力發(fā)電機組，平衡風力發(fā)電機組在運行過程中所產(chǎn)生的各種載荷，以保證機組安全、穩(wěn)定地運行。在設計塔架基礎之前，必須對機組的安裝現(xiàn)場進行工程地質(zhì)勘察，這是進行塔架基礎設計的先決條件。

安裝時需要應用力學的方法來研究載荷作用下地基土的變形和強度問題。地基基礎的設計滿足以下三個基本條件:1.要求作用于地基上的載荷不超過地基容許的承載能力，以保證地基在防止整體破壞方面有足夠的安全儲備。2.控制基礎的沉降，使其不超過地基容許的變形值。以保證風力發(fā)電機組不因地基的變形而損壞或影響機組的正常運行。3.滿足塔架在安裝時的連接尺寸和結(jié)構要求。在風力發(fā)電機組基礎的設計中，風力發(fā)電機組對基礎所產(chǎn)生的載荷主要應考慮機組自重與傾覆力矩。由于風力發(fā)電機組型號與自重不同，要求基礎承載載荷也各不相同。風力發(fā)電機基礎均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨立基礎。根據(jù)風電場場址工程地質(zhì)條件和地基承載力以及基礎荷載、尺寸大小不同，從結(jié)構的形式看，常用的基礎可分為:(一)平板塊狀基礎(二)樁基礎(三)桁架式塔架基礎基礎的分類

平板塊狀基礎，即實體重力式基礎，應用廣泛。對基礎進行動力分析時，可以忽略基礎的變形，并將基礎作為剛性體來處理，而僅考慮地基的變形。

平板塊狀基礎按其結(jié)構剖面又可分為“凹”形和“凸”形兩種。底座盤上的回填土是基礎重力的一部分，這樣可節(jié)省材料，降低費用。平板塊狀基礎

平板形狀常用正方形、六角形、八角形或圓形。在地面以下幾米至幾十米設置一定面積的平板塊狀基礎，平板塊比塔架底面積大很多，利用機組、基礎及基礎上覆蓋層重量的偏心反作用力來抑制傾覆力矩。平板上有一個比塔架底面積稍大一些的柱狀體承臺，用于和塔架連接。平板塊狀基礎第一種為均勻平板塊，當巖床距地面較近時選用。平板必須有足夠的厚度和合理的鋼筋網(wǎng)。第二種平板塊上面為錐形，可以節(jié)省材料。第三種將平板塊用巖石錨固裝置固定在巖層上，可以減小埋深及平板面積，但施工難度大。平板塊狀基礎

在地質(zhì)條件較差地方，柱狀的樁基礎比平板塊基礎能更有效地利用材料。從單個樁基受力特性看，又分為摩擦樁基和端承樁基兩種。1.摩擦樁基礎:樁上的荷載由樁側(cè)摩擦力和樁端阻力共同承受，其特點是樁很長，平面板塊梁面積較小。

2.端承樁基礎:樁上荷載主要由樁端阻力承受，其特點是樁較短，平面板塊梁面積較大。樁基礎樁基礎常用的三種結(jié)構形式:1.框架式樁基礎，是樁基群與平面板塊梁帽的組合體，它是將幾個至幾十個圓柱形樁，利用一個平板塊形樁帽把它們連接起來，樁帽上設計有與塔架連接的承臺組成的基礎。樁基礎2.混凝土實心單樁基礎，由一個大直徑混凝土圓柱和其上面的與塔架連接的承臺組成。適用于水平面很低，且開挖施工坑邊緣不會塌方時采用，但混凝土消耗量大、成本高。樁基礎

3.空心中空復合樁，它比混凝土實芯單樁基礎節(jié)省材料，但施工難度大。適用條件與混凝土實芯單樁基礎相同。樁基礎

桁架式塔架基礎的特點是腿之間的跨距相對很大，并且還可以使它們使用各自獨立的基礎。

一般在現(xiàn)場使用螺旋鉆孔機鉆孔后澆注混凝土樁，防止傾覆的作用力在樁上被簡單地上提和下推，上提力和下推力被樁表面的摩擦力所抵抗。桁架式基礎組成塔架基礎的角鋼框架，應提前進行組裝，然后在給樁灌注混凝土時就地澆注。角鋼框架應設置好間隔和傾斜度,以便上部桁架的安裝。桁架式基礎3.控制系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)測量

風力發(fā)電機組的運行控制中，信號測量的主要目的是監(jiān)控機組運行狀態(tài)、保護設備、控制運行、調(diào)整狀態(tài)。1.需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)1.速度信號:發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風輪轉(zhuǎn)速、偏航轉(zhuǎn)速和方向等。2.溫度信號:主軸承溫度、齒輪箱油溫、液壓油油溫、齒輪箱軸承溫度發(fā)電機軸承溫度、發(fā)電機繞組溫度、環(huán)境溫度等。3.位置信號:槳距角、葉尖擾流器位置、風輪偏角等。4.電氣特性:電網(wǎng)電流、電壓、功率因數(shù)、電功率、電網(wǎng)頻率、接地故障、逆變器運行信息等。5.液流特性:液壓或氣壓、液壓油位等。6.運動和力特性:振動加速度、軸轉(zhuǎn)矩、齒輪箱振動、葉根彎矩等。7.環(huán)境條件:風速、風向、濕度等。2.測量儀表的分類及構成模擬式:利用被測量驅(qū)動指針運動，產(chǎn)生位移或偏角

特點:簡潔反應被測量，但易引起測量誤差。數(shù)字式：特點:精確度教高。

互感器是一種專供測量儀表、控制及保護設備用的特殊變壓器。分為電壓互感器和電流互感器。1)電磁式電壓互感器:工作原理和結(jié)構與電力變壓器相似，容量較小，通常只有幾十伏安或幾百伏安。2)電流互感器:將高壓電流和低壓大電流變換成電壓較低的小電流提供給儀表使用。3.基本電量測量（互感器）4.基本電量測量（電量變送器）

功能:將被測電量變換成標準的直流電信號(一般為4~20mA的電流信號或0~5V的電壓信號)。目的:對風力發(fā)電機發(fā)出的電量進行自動檢測或?qū)︼L力發(fā)電機組進行自動控制。電流、電壓變送器:有平均值變送器和有效值變送器(交流電壓電流測量)。5.基本電量測量（電壓與電流的測量）

交流儀表多用有效值標定，直流儀表多用平均值標定。電壓和電流測量一般測取線電壓和線電流。1)用指示式儀表測量:進行電壓、電流測量時，常選用指示式電工儀表。2)用數(shù)字存儲示波器測量:變速恒頻控制接入變流器，對電壓電流測量要求提高。

數(shù)字存儲示波器可顯示被測電壓或電流波形、信號、頻率、周期、幅值、有效值、平均值等;可對信息和波形進行數(shù)字存儲。3)用電量變送器測量:風力發(fā)電系統(tǒng)需要對電壓和電流進行自動監(jiān)測、檢測與控制，因此，需要使用電壓、電流變送器。6.

基本電量測量（電功率測量）電功率的測量通常是指有功功率的測量。測量方法:功率表測量，功率變送器測量，用電壓電流信號計算7.轉(zhuǎn)速測量

光電式轉(zhuǎn)速傳感器可分為投射式和反射式兩種，風力發(fā)電機組中主要采用投射式。1.光電轉(zhuǎn)速傳感器2.電感式接近開關

7.轉(zhuǎn)速測量8.應力測量目的:對風力機葉片根部載荷、風輪載荷、塔架載荷以及塔頂彎矩或扭矩等進行測量。電阻應變法原理：在外力作用下，物體內(nèi)部將產(chǎn)生應力，應力表征了物體的受力情況。常使用應變片測取物體應變。

9.應力測量應變片的種類和特點：電阻絲式應變片:電阻值與應變呈線性變化。箔式應變片:采用金屬箔柵電阻敏感元件制成應變片。半導體應變片:應用單晶硅半導體的壓阻效應制成的應變片。

10.轉(zhuǎn)矩測量

發(fā)電機輸入機械轉(zhuǎn)矩，偏航變槳距執(zhí)行機構輸出轉(zhuǎn)矩測量，借助主軸進行風輪轉(zhuǎn)矩、俯仰力矩測量。測功機法;校正過的直流電機法;轉(zhuǎn)矩儀法;電阻應變法等。11.溫度測量檢溫計:熱電阻、熱電偶和半導體熱敏電阻等。12.振動開關振動激活傳感器的微動開關，改變內(nèi)部繼電器的狀態(tài)。通常用在安全鏈中。13.監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風場風機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡。4.電氣系統(tǒng)與發(fā)電機

風電機組中涉及電能生產(chǎn)、輸出、分配和使用的設備及電氣回路的總稱,包括發(fā)電系統(tǒng)和自用電系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⑤斔徒o電網(wǎng),其核心部件包括發(fā)電機、變流器、變壓器和開關柜等。發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電機輸出電壓等級一般AC,690V,風電場集電線路電壓等級一般為AC,10kVAC,35kV,發(fā)電機輸出的電能首先通過機組變壓器升壓后才能并入風電場輸電線路。利用定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感生電流相互作用的交流發(fā)電機，也稱感應發(fā)電機。異步發(fā)電機典型特點：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和定子旋轉(zhuǎn)磁場并不同步。異步發(fā)電機可以分為籠型和繞線型兩種。定子由鐵芯和定子繞組組成，轉(zhuǎn)子采用籠形結(jié)構，轉(zhuǎn)子鐵芯兩端將導條短接，不需要外加勵磁，沒有集電環(huán)和電刷。特點：結(jié)構簡單，可靠性高，冷卻風扇與轉(zhuǎn)子同軸。?；\型異步發(fā)電機定子由鐵芯和定子繞組組成，與籠型相同。轉(zhuǎn)子電流通過集電環(huán)和電刷流入流出。繞線型異步發(fā)電機風力機轉(zhuǎn)速較低，需經(jīng)過增速齒輪箱提升轉(zhuǎn)速達到適合異步發(fā)電機運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，一般異步發(fā)電機為4極或6極。雙饋異步風力發(fā)電機定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)變流器后接入電網(wǎng)，定、轉(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電，故簡稱雙饋電機。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時（亞同步），僅定子發(fā)電，轉(zhuǎn)子需從電網(wǎng)吸收無功能量，即勵磁高于同步轉(zhuǎn)速時（超同步），定子轉(zhuǎn)子都發(fā)電。雙饋異步發(fā)電機的風電機組

風輪將風能轉(zhuǎn)化為機械能，通過齒輪箱增速驅(qū)動異步發(fā)電機，通過勵磁整流器勵磁而將定子產(chǎn)生電能輸入電網(wǎng)。機組采用交流勵磁，勵磁電流幅值、頻率、相位可調(diào)，可以實現(xiàn)變速恒頻運行。雙饋異步發(fā)電機的風電機組齒輪箱增速容易讓發(fā)電機高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，同時易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。但齒輪箱成本隨機組功率增加而升高，切需要經(jīng)常維護、噪聲大。

雙饋異步電機轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，轉(zhuǎn)速與勵磁頻率直接相關，內(nèi)部結(jié)構復雜增加維護工作量和故障率。雙饋異步發(fā)電機的風電機組優(yōu)點：允許發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速上下±30%的范圍內(nèi)運行，機組控制靈活、方便，調(diào)速應力小、調(diào)整裝置簡單，機組效率高。整流器容量較小，成本低，可實現(xiàn)有功、無功的獨立調(diào)節(jié)。雙饋異步發(fā)電機的風電機組定子由鐵芯和三相繞組組成，與異步發(fā)電機定子相同。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)子軸等組成。轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，通過直流勵磁電流建立磁場。定子磁場由轉(zhuǎn)子磁場引起，且二者始終保持等速同步關系。同步發(fā)電機

電能由發(fā)電機定子輸出,經(jīng)過變流器調(diào)頻調(diào)壓再經(jīng)過變壓器升壓后并入電網(wǎng)。同步發(fā)電機的風電機組機組采用多極永磁發(fā)電機直接連接風力機，不使用齒輪箱，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風速變化，輸出交流電頻率也隨之變化。

并網(wǎng)：經(jīng)過大功率整流器，將交流電整為直流電，再逆變?yōu)橥l率交流電輸出并網(wǎng)。變流器容量=額定容量1.直驅(qū)永磁式風力發(fā)電機組

優(yōu)點：可靠性高、噪聲小機組效率高（無齒輪箱）。雖然發(fā)電機直徑大、成本高、變流器投資大，但省去了成本更高的已損壞的齒輪箱，因此總體投資成本更低。1.直驅(qū)永磁式風力發(fā)電機組

在直驅(qū)永磁式機組上增設一級行星齒輪傳動并適當增速，齒輪箱增速比較小。

此機組介于高傳動比齒輪箱型和直接驅(qū)動式之間，故稱為半直接驅(qū)動式。2.半直驅(qū)永磁式風力發(fā)電機組由于適當增速，定子磁極對數(shù)可適當降低，故可減小發(fā)電機尺寸和成本，行星齒輪副與發(fā)電機集成發(fā)電單元。

并網(wǎng)：經(jīng)過大功率整流器，將交流電整為直流電，再逆變?yōu)橥l率交流電并網(wǎng)。2.半直驅(qū)永磁式風力發(fā)電機組包括供電系統(tǒng)和各種用電設備。自用電系統(tǒng)自用電系統(tǒng)供電系統(tǒng)各種用電設備電源系統(tǒng)配電系統(tǒng)用于產(chǎn)生和調(diào)節(jié)電能用來分配和管理電能照明、通信、控制、加熱、冷卻用電氣設備電源系統(tǒng)電網(wǎng)電源系統(tǒng)備用電源系統(tǒng)

為了確保風電機組在電網(wǎng)斷電情況下能夠及時安全停機,配備了備用電源。一種是為控制系統(tǒng)及通信系統(tǒng)提供電源的備用不間斷電源(UPS)；另一種是為變槳系統(tǒng)提供電源的蓄電池。風電場升壓變電站站用電系統(tǒng)某風電場電氣主接線5.《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》

中國用于規(guī)定風力發(fā)電場接入電力系統(tǒng)的技術要求,規(guī)范風電場的接入及運行特性,保證并網(wǎng)風電場安全穩(wěn)定、可靠運行的技術標準。標準號GB/T19963-2011,于2012年6月1日起實施,是中國第一部關于風電場并網(wǎng)的國家標準?！讹L電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》

適用于通過110(66)kV及以上電壓等級線路與電力系統(tǒng)連接的新建或擴建風電場。對于通過其他電壓等級與電力系統(tǒng)連接的風電場,也可以參照執(zhí)行。適用范圍有功功率功率預測無功容量電壓控制電能質(zhì)量仿真模型和參數(shù)接入系統(tǒng)測試標準主要內(nèi)容風電場輸入到并網(wǎng)點的有功功率。風電場有功功率

基于維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,防止輸電線路過載,確保故障情況下系統(tǒng)穩(wěn)定的考慮,需要對風電場有功功率控制提出要求。要求包括:①控制有功功率變化②在電網(wǎng)特殊情況下限制風電場的輸出功率控制風電場有功輸出的方式包括：調(diào)節(jié)風電機組的有功功率輸出水平切除風電機組切除整個風電場。對風電場未來某一確定時段內(nèi)發(fā)出的有功功率的預先推測。風電場功率預測

風電場應配置風電功率預測系統(tǒng),系統(tǒng)具有0~72h短期風電功率預測以及15min~4h超短期風電功率預測功能。

風電場每15min自動向電力系統(tǒng)調(diào)度機構滾動上報未來15min~4h的風電場發(fā)電功率預測曲線,預測值的時間分辨率為15min。15min~4h超短期風電功率預測

風電場每天按照電力系統(tǒng)調(diào)度機構規(guī)定的時間上報次日0~24時風電場發(fā)電功率預測曲線,預測值的時間分辨率為15min。0~72h短期風電功率預測風電場內(nèi)無功電源吸收或者發(fā)出無功功率的能力。風電場無功容量

風電場的無功容量應按照分(電壓)層和分(電)區(qū)基本平衡的原則進行配置,并滿足檢修備用要求。風電場的無功容量配置需求與風電場容量規(guī)模及所接入電網(wǎng)的強度有密切關系,對不同