大型风力发电机的技术发展.pdf

睁 电 气 时 空 ii -、 技 木 发 斌 大 型 风力 发 电机 的技 术 发 展 哈尔滨电机厂有限责任公司 张春晖 大型风 电设备的发展可分为 3个阶段 ：第 l代产品是 已 广泛应用的异步发电机 ， 除风轮机外 ， 它的机舱 内还装有齿轮 箱和变压器 ：第 2代产品是近年来大量推广应用的双馈式异 步发 电机 ， 转子采用变频式供电交流励磁 ， 定子 电枢输 出为恒 频( 工频) ， 它取消了齿轮箱 ， 但保留了变压器 ； 第 3代产品就是 2 0世纪末开发应用 的超高压永磁式风力发电机 。它不仅取消 了齿轮箱 ， 还取消 了变压器 ， 而且采用了高压直流输电技术 。 第 3代产品具有许多优点 ， 如减少组件 、 简化结构 、 降低成本 、 便于维护 、 延长寿命等， 但最大的经济效益还在于投资和成本 的大幅度降低。 这 种新 型 风 电机 组 已在瑞 典 N a s s u d d e n海 上风 电场 投 入 运行 2台 ， 单机容量 3 MW( 已完成 3 MW、 5 MW 的产 品设计 ) 。 风轮机 中心高 7 0 m，转轮直径 9 0 m， 3个 叶片 ，每 个叶片长 4 5 m， 由环氧玻璃钢制成。发电机转子为具有多极结构的大直 径 圆盘 式 永 磁 体 ， 直 径 6 m， 转 速 为 1 8 r rai n ， 为 了适 应海 上 运 行。 永磁体采用防腐材料。 机组可在 5 - 2 8 m s 的可变风速下运 行 风速达到额定值 1 3 m s 时发出额定功率 ， 此时风叶转向顺 流节距 ， 已限制输 出功率 。 保证设备的运行 寿命。与传统风电 机组相 比， 它的输 出功率可增加 2 0 以上， 而维护费用则减少 了 5 0 。 0 ： 球 ， 电开 发 问题 1 1 风 电发展 的 突 出特 点 全球 风 电发展 具 有 以下 特点 ： ( 1 ) 发展 速 度 很快 。风 力发 电是世界上发展最快 的新能源技术 ， 每年的增量高达 4 0 ， 风 能潜力相当可观。在最近 l 5年间全球风电容量增加了 l 5倍， 欧洲达到 2 0倍。 ( 2 ) 发展非常不均衡。 全球风电开发主要集中 在 5个 国家 ：德国排第 l ，发电量 占 3 5 2 ；西班牙第 2 ， 占 1 7 5 ： 美 国第 3 ， 占 1 4 - 3 ； 丹麦 第 4 ， 占 6 6 ； 印度第 5， 占 6 - 3 。这 5个国家风电量的总和 占全球的 8 0 以上。排第 6 9位的是意大利 、 荷兰 、 英国和 日本， 中国排在第 l 6位。( 3 ) 风 电设备的制造企业主要集 中在少数几个国家 ，其 中丹麦的产 品产量 占 3 8 ， 排第 l位 ； 德 国占 2 0 ， 排第 2位 ； 西 班牙 占 1 7 。 排第 3位 。( 4 ) 大容量的风电机组所占比重迅速增大 ， 单 机容量 1 5 MW 以上的产品在 2 0 0 0年 占 l l ， 而到 2 0 0 4年就 增加到 4 4 。( 5 ) 风电机组的尺寸和容量迅速增大。 在过去 2 0 电 硼 年里 ， 转轮直径从 1 5 m增加 到 1 2 4 m， 单机容量从 5 0 k W 增加 到 7 0 0 0 k W。( 6 ) 发展风电的决定因素是政策 、 政府支持， 德国、 丹麦和西班牙等 国家的经验证 明了这一点 ， 所以排在前面。 1 2几个 国 家的经验 教 训 ( 1 ) 荷兰 “ 荷兰风车” 世界 闻名 。 风能开发利用历史悠 久， 然而荷兰政府对风 电开发表现犹豫不决 ， 建设计划的确立 也 比较混 乱 。 ( 2 ) 英国属于岛国 ， 海 岸线漫长 ， 对开发海洋大型风 电 场 表现 积 极 开 发计 划 规 模 很 大 ， 在 建 1 0 0 0 MW 的风 电 场 ， 处于开 发高峰 期 。今后 几年 已确认 l 5个工 程项 目，共 达 7 2 0 0 MW， 约 占英国总发电量的 l 7 。 ( 3 ) 德国风能蕴藏量是欧洲最低 的国家， 由于政府的 支持， 发展很快 。 占据世界第 l位。 但 是海洋风电场 ， 即使是近 海也必须敷设海底电缆 ， 而且进出困难 ， 所以面临造价较高的 难 题 。 ( 4 ) 日本 风 电起 步较 晚 ， 只是 受 到石 油 危机 以后 才从 1 9 7 8年开始启动，而且历经波折。 日本风 电设备主要依靠进 E l ， 约 占9 0 ， 其中约有一半产 品来 自丹麦。日本普及风电的 最大课题是台风的破坏和雷电的击毁。 ( 5 ) 美 国风电发展不断升温 ， 风 电上网电价在 1 9 8 0 年为 8 0美分 k Wh。 到 2 0 0 4年降到 4 5美分 k Wh 。 ( 6 ) 丹麦世界风电设备产量最高 的国家， 它的产品约 占全球的 4 0 。 ( 7 ) 印度 风 电工业 原 来不 如 中国 ， 然 而 现在 已进入 世 界 5强。印度的 S U Z L O N公司是世界上第 5大风电设备制造 商 。 产品于 2 0 0 5年就出E l 美国 ， 近年又挤入中国占领市场 ， 在 天津基地构建风电设备制造厂。 ( 8 ) 中国风电事业几经波折。原国家计委实施 的“ 乘 风计划” 中所扶持的 2个合资公司未能达到预期 目的 ； 国家科 委“ 8 6 3项 目” 支持的“ 兆瓦级风电机组研制” 课题 ， 有 5个单位 承担 ， 其 中3个实力最强的却先后退 出。风电机组安装后发电 少 甚至不发电的案例并不罕见。近年国家下大决心， 大规模 开发风电， 规划 已经修改 ， 指标也已翻番。计划 2 0 1 0年风电装 机4 O 0万 k W 2 0 2 0年 2 0 0 0万 k W。风电设备造价将从现在的 8 0 0 0元 l 【 W 降低到 5 0 0 0元 k W，上网电价现在 比煤 电高出 0 1 3 加 1 4元kWh 。目前国产设备只能满足 2 0 市场需求 ， 大 栏H螅辑 肖霸晖 维普资讯 部分仍需进 口。 1 3 风 电价 格 最为 关键 发展风 电的关键指标是电价 ，必须努力促使风 电电价接 近于甚至低于水、 火电价才具有竞争力和发展前途。我国曾经 提出“ 上网电价最低的投标商为 中标人 ” 这种承诺 ， 虽然由于 可能发生的项 目亏损而被撤消 ，但却由此看出风电电价是至 关 重 要 的考 核 指标 。 国际大电网会议宣布的定子超高压 、转子永磁化大型风 电设备技术发展方向 最根本的特点是结构上的最大限度简 化和成本降低。 2 定 子采用超 高压 电缆 2 1圆形 电缆取代 矩 形铜 排 按照以前优化设计原则大型发电机 的定子铁心槽型为 矩形， 槽内的线圈或线棒也选择矩形截面 ， 以提高槽满率。然 而这种矩形截面导体的电场强度沿四周的分布是不等的 其 4 个角部高达 9 k V mm 而 4个 直边部分却 只有 3 k V mm， 这将 导致绝缘材料 的很大浪费。具有 圆形截面的电缆不存在这个 问题 ， 电场强度均匀分布 ， 从根本上消除 了角部场强集中 、 绝 缘厚度不均和不能减薄等问题 ，这项改进可使 电场强度 由原 来的 2 5 k V mm提高到 1 5 k V mm。这种圆形电缆采用工业化 大量 生产 的交联 聚 乙烯绝 缘 ，成本 较低 ，电压却 可高 达 5 0 0 k V。影 响 电 压选 择 因素 很 多 ， 如 电 网 的连 接 、 地方 调 度 细 则 、 单位表面最大风能输 出、 到 网站的距离 、 对环境的影 响等。 发电机的输 出电压提高到高压电网的水平，就无需再经过升 压变压器并网。用于发电机的圆形电缆还不需要金属外壳屏 蔽 虽然它们都采用同样材料和固体挤压绝缘工艺技术 ， 同属 于市场上流行的标准产品。 2 。 2 圆形 电缆 的结 构特 点 电缆绝缘 由内半导体层 ， 固体绝缘材料( 由交联聚乙烯构 成) ， 外半导体层构成。绝缘内部由单根导线分层绞扭 ， 其 中有 1根中心直线 以该直线为圆心在其周围布设每层圆周为 6、 1 2、 1 8 、 2 4、 3 0、 3 6根导线( 还有 4根单线 ， 形成 1层导线) ， 各层 导线 以相反方向捻扭。电缆最外层及外导体层处于接地 的零 电位 其优点是在绕组 内部不会 出现局部放 电和电晕放电， 感 应 出的电压是沿着绕组由零点逐步升至电网电压 ，沿绕 组长 度存在着不同的电场强度 经过计算 ， 把绕组 的第 1匝制作 的 细一点 对相继的线 匝采取逐步加厚绝缘的办法 ， 这就要求生 产出具有不同直径的电缆来制作绕组 ，同时也改善了铁心的 空间利用率。绕组电缆是整根的， 中间没有接头 。 3转 子 采 用 永磁 材 料 近年来永磁材料 的发展不断取得新的进步 ，从早期的铝 镍钴( AI N i C o ) ， 发展到 铁锶( F e S r ) 、 钐钴( S in C o ) 、 钕铁硼( N d F e B 1 N d F e B的单位体积能量高达 2 4 0 k J m 3 ， 是原来永磁材 料的 6倍。采用 S m C o永磁体制造的大型同步发 电机功率在 上世纪 9 0年代初就已经达到 1 MW。 、电 气 时 空 一 传统的发电机磁场 电流通过滑环时引起与 电流平方值成 正比的焦耳损耗， 采用永磁体磁场不存在此问题。由于损耗很 低 ， 发热很小 ， 也不需要冷却 。在设计过程中特别注意了磁路 的优化问题 ， 包括磁路的尺寸设计 ， 以避免永磁体的去磁。 4市 场 经 营 新 理 念 全球风 电已发展到一个新阶段。随着商业风电的发展， 制 造厂商要从过去提供单个的小型风电装置 发展到今天提供 成套系统 ， 不仅对各元件 ， 而且对整个系统都要负责 ， 直到终 端用户。要想占领风 电市场 ， 供货厂商必须了解和掌握全部生 产链， 论证从能源开始直到终端用户为止的专业知识和技能 合理安排从风能转换为电能再输送到用户的全过程。 新型的风电机组 ， 风轮与发电机转子直接联轴 取消了齿 轮箱。由于转速较低 ， 电流频率也很低 ， 只有 5 1 0 Hz ， 但是电 压很高 ， 而且首次采用 了高压直流输 电， 即将低频交流通过二 极管整流器转变为直流 输送到终端用户时 ， 再通过逆变器转 换为工频交流。包括高压直流输电成套装置在内的整个 系统 工程， 供货厂商都要负责 ， 这与以前的市场供货完全不同。与 常规发电机不同 ，超高压发电机的供货范围已扩大到包括主 机及控制和保护设备 ， 如励磁 、 继电保护 、 仪表及并 网设备 包 括将发 电机连接到电网的设备 如高压电缆 、 高压断路器和测 量变压器等。 5 结束语 ( 1 ) 当今世界风力发电发展面临的最大课题 ， 仍然是降低 成本和提高市场竞争力问题 。美国的风 电上网电价