风电机组结构及选型

第一节 风电机组结构 1外部条件 根据最大抗风能力和工作环境的恶劣程度，按强度变化的程度对 风电机组进行分级。根据IEC61400设计标准，共分为4级。一类风场I：参考风速为50m/s，年平均风速为10m/s，50年一遇极限风速为70m/s，一年一遇极限风速为52.5m/s；二类风场II：参考风速为42.5m/s，年平均风速为8.5m/s，50年一遇极限风速为59.5m/s，一年一遇极限风速为44.6m/s；三类风场III：参考风速为37.5m/s，年平均风速为7.5m/s，50年一遇极限风速为52.5m/s，一年一遇极限风速为39.4m/s；四类风场IV：低于三类风场风速，属低风速区，鲜有商业风电场开发。 对电网的要求：电压波动为额定值10%，频率波动为额定值5%。 2机械结构 2.1总体描述 整机是建立在钢结构底座上，该结构应具有很大的强韧度，底部由坚固底法兰组成，风电机组所有的主要部件都连接于其上。 发电机固定位置与机舱轴线偏离,以使得风电机组在满载运行时，整机质心与塔架和基础中心相一致。 偏航机构直接安装在机舱底部，机舱通过偏航轴承与偏航机构连接，并安装在塔架上，整个机舱底部对叶轮转子到塔架造成的动力负载和疲劳负荷有很强的吸收作用。 机舱座上覆盖有机舱罩，材料是玻璃钢，具有轻质高强的特点，有效地密封，以防止外界侵蚀，如雨、潮湿、盐雾、风砂等。产品生产采用多种工艺，包括：滚涂、轻质RTM、真空灌注等，机舱罩主体部分设置PVC泡沫夹层，以增加强度。内层设置消音海绵，以降低主机噪声。机舱上安装有散热器，用于齿轮箱和发电机的冷却；同时，在机舱内还安装有加热器，使得风电机组在冬季寒冷的环境下，机舱内保持在10以上的温度。 2.2载荷情况 - 启动：从任一静止位置或空转状态到发电过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 发电：风电机组处于运行状态，有电负荷。 - 正常关机：从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间，对风电机组产生的载荷。 - 紧急关机：突发事件（如故障、电网波动等），引起的停机。 - 停机：停机后的风电机组叶轮处于静止状态，采用极端风况对其进行设计。 - 运输/安装/维护：整体装配结构便于运输，安装、维护易于实施。 2.3叶片 叶片根部是一个法兰，与回转轴承连接，实现变桨过程。叶尖配有防雷电系统。2.4变桨轴承/机构 目前，国际上常见的有两种类型，一种是液压驱动联杆机构，推动轴承，实现变桨；一种是电机经减速驱动轴承，实现变桨；由于高压油的传递需要通过静止部件向旋转部件（轮毂）传递，难以很好地实现，易发生漏油；电信号的传递较易实现，兆瓦级风电机组多采用电机驱动变桨。 出于安全考虑，配置蓄电池，防止电网突然掉电或电信号突然中断，使得风电机组能够安全平稳地顺桨实现制动。 变桨机构组成：轴承，驱动装置（电机+减速器），蓄电池，逆变器，变桨速度16/秒左右。 2.5轮毂 轮毂为球铁件，直接安装在主轴上，叶根法兰有腰形空，用于在特定的风场调整叶片初始安装角。 2.6主轴/主轴承座/轴承 主轴的作用在于将转子叶片上的旋转力矩传到齿轮箱上，主轴与齿轮箱的连接大多采用胀紧式联轴器，这样可保证主轴与齿轮箱同心，在运行中免于维护。主轴上坚固的三点悬挂支撑，能够很好地吸收弯矩，降低齿轮箱输入轴的径向负载。 也有些风电机组采用双轴承的结构设计，目的在于减少由于风作用于叶片而引起的轴向推力，以及消除风电机组运行时齿轮箱低速轴侧的俯仰力矩，改善齿轮箱运行环境，避免近年来，世界范围出现的齿轮箱行星轮系轴断裂问题。两个主轴承选用双列向心推力滚子轴承，还可以吸收大部分的来自风轮的轴向推力，进而，降低齿轮箱输入轴的轴向负载。2.7齿轮箱 600kW以下风电机组多为平行轴结构，大于600kW的风电机组基本是采用行星轮结构或行星轮加平行轴结构。 齿轮箱体采用球铁铸造而成，齿轮箱的负荷及压力通过齿轮箱两侧的支撑传到塔架和基础，该支撑为强力橡胶结构，可以降低风电机组的噪音和震动。 在齿轮箱后部的高速轴上安装有刹车盘，其连接方式是采用胀紧式联轴器；液压制动器通过螺栓紧固在齿轮箱体上； 齿轮箱高速轴通过柔性连接与发电机轴连接。 2.8发电机系统 发电机通过四个橡胶减震器与机舱底盘连接，这种结构对于降低发电机噪音有很强的消减作用；柔性联轴器连接齿轮箱高速轴和发电机轴。 风电机组要求发电机在负荷相对较低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组运行的绝大多数时间都发生在较低风速下。 发电机系统组成：发电机、循环变流器、水循环装置（电机、水泵、水箱等）或空冷装置。 2.9偏航系统 偏航系统要求简单而坚固，机舱的偏航是由电动偏航齿轮自动执行的，它是根据风向仪提供的风向信号，由控制系统控制，通过驱、传动机构，实现风电机组叶轮与风向保持一致，最大效率地吸收风能。 偏航时间的长短，是由计算机控制的，一旦风向仪出现故障，自动偏航操作将中止，仅可以从控制柜或机舱顶部控制盒上人工方式操作偏航。 内齿型回转支承结构，所有部件都置于内部，不会受雨水、砂尘影响，服务和维护均可非常容易地进行，而不会受天气的影响。 偏航的控制：在风速低于3或3.5m/s下，自动偏航不会工作，风电机组将不会偏航到与风向一致。只有风速大于该值后，风电机组才自动扑捉风向，这样，可以避免不必要的偏航和电能消耗。 现代风电机组多采用阻尼型偏航系统，偏航刹车系统已经很少使用了。 2.10机械制动/液压系统 (高速轴) 制动系统为故障安全系统，要求动态液压保证风电机组制动为静态，当风电机组的控制器发送停机命令或供电系统掉落，制动器液压站会立即卸压，使风电机组停机。变桨变速型风电机组的制动系统包括叶片变桨制动和高速轴机械制动，叶片变桨制动是通过改变叶片功角，减少叶片升力，以达到降低叶片转速直至停机；高速轴机械制动是通过刹车片与刹车盘间磨擦力，实现停机。在正常停机状态，先启动叶片变桨制动，减速至一定转速或时间后，机械制动动作，停机。紧急停机状态下，叶片变桨制动和高速轴机械制动同时动作，确保风电机组在短时间内停机。 制动盘通过胀紧式联轴器与齿轮箱高速轴连接，制动器安装在齿轮箱的箱体或机舱底座上。 制动系统的刹车片一般带有温度传感器和磨损自动保护，分别提供刹车过热和刹车片磨损保护。 2.11 机舱底盘 机舱底盘用于支承塔架上所有的设备和附属部件，因而，要求有足够的强度和刚度。 风电机组底座是钢板焊接结构件或大型铸铁件，机舱壳体是采用玻璃钢制成，也有采用铁皮铆接形式。 2.12齿轮箱/发电机冷却系统 为保证齿轮箱和发电机在正常的工作范围内工作，防止发生过热，需要循环冷却装置。- 发电机水冷却系统：自发电机壳体水套，经水泵强制循环，通过蓄水箱后，返回发电机壳体水套。 冷却水：防冻液与蒸流水按一定比例混合，调整冰点应满 足当地最低气温的要求。 - 齿轮箱油冷却系统：齿轮箱油自箱体底部油嘴，经油泵强制循环，通过过滤器、热交器冷却后，返回齿轮箱。 - 保护系统：齿轮箱油系统中，在过滤器上设有压力继电器，如果齿轮箱齿轮或轴承损坏，则产生的金属铁削会在油循环过程中，堵塞过滤器，当压力超过设定值时，压力继电器动作，油便从旁路直接返回油箱，同时，电控系统报警，提醒运行人员停机检查。 2.13塔架 塔架是用钢板焊接成锥筒形，通过螺栓和法兰连接塔筒的各部分。 塔架是支撑机舱的结构部件，承受来自风电机组各部件的所有载荷，不仅要有一定的高度，使风电机组处于较为理想的位置上运转，而且还应有足够的强度和刚度，以保证在极端风况下，不会使风电机组倾倒。 3控制系统基本技术要求 3.1控制系统的功能 控制系统利用DSP微处理机，在正常运行状态下，主要通过对运行过程中模拟量和开关量的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障能或其它异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。 3.2控制系统的任务 控制系统主要任务就是能自动控制风电机组依照其特性运行，故障的自动检测并根据情况采取相应的措施。 根据风电机组的结构载荷状态、风况、变桨变速风电机组的特点及其它外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式。 - 待机状态： - 风轮自由转动，没有发电（风速为03m/s），刹车释放； - 发电状态： 发电状态：起动后，到额定风速前，刹车释放； 发电状态：额定风速到切出风速（风速1225 m/s），刹车释放； - 故障停机方式 故障停机方式划分为：可自启动故障和不可自启动故障。停机方式为正常刹车程序：即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后，起动机械刹车。 - 人工停机方式 这一方式下的刹车为正常刹车，即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后起动机械刹车。这一停机方式不能自启动，需要人工启动。 - 紧急停机方式 紧急停机方式适应于安全保护系统，安全保护系统包括：电网掉电、发电机超速、转子过速、机舱过振动、紧急按钮动作等。这种状态下风电机组叶片顺桨和机械刹车同时动作，这种状态需要人工进行恢复。 第二节 风电场机组的选型问题 1概述 风力发电机组是风电场的主要生产设备。对于一个风电场来说，风电机组选择的正确与否直接影响到风电场的经济效益，其重要性不言而喻。在经过选址、测风、风电场项目确定之后，首要的问题就是风电机组的选型。而风电机组的选型，一般要从风电机组的装机场地、安全等级、技术性能、经济效益等方面考虑问题。 由于风电场的情况千变万化，风电机组的选型要根据具体情况，不能一概而论，本文根据过去的工作经验，就一些考虑和分析问题的方法加以讨论，以供解决具体问题时参考。 2风电机组的技术及性能 2.1定桨距失速型风电机组 风力资源的特征可以用风速频率来描述，即每一个特定风速在全年出现的时间的概率分布。以风速为横轴，概率为纵轴，可划出分布曲线。分布曲线服从威布尔分布，见图1。 我国曾经大量使用的风力发电机组都是定桨距型的，叶片装上以后不能动，额定风速较高。这种风机的发电特性见图1。定桨距风机的优缺点如下： 优点：1. 机械结构简单，易于制造； 、控制原理简单，易于实施； 、因为简单，不易出故障。 缺点：、额定风速高，风轮转换效率低； 、转速恒定，机电转换效率低； 、叶片复杂，重量大，制造较难，不宜作大风机。2.2 变桨距型风电机组 变桨距技术主要解决了风能转换效率低的问题。变桨距技术就是将风机叶片做成可变桨距的，以使三个叶片随着风速的变化而同步变距，始终保持最佳角度，提高风轮转换效率。图2比较了变桨距和定桨距风机的功率曲线。变桨距风机的优缺点如下： 优点：.提高了风能转换效率, 更充分利用风能； .叶片相对简单，重量轻，利于造大型风机。 缺点：.调桨机构复杂，控制系统也较复杂； .因复杂而使出现故障的可能性增加；2.3 变速型风电机组 变速恒频技术解决机电转换效率低的问题。变速恒频技术就是将风机的转速做成可变的，并采用双馈式发电机，通过控制使发电机在任何转速下都始终工作在最佳状态，机电转换效率达到最高，输出功率最大，而频率不变。变速恒频风机的特性曲线见图3。 变桨变速风力发电机是将变桨和变速恒频技术同时应用于风力发电机，使其风能转换效率和机电转换效率都同时得到提高的风力发电机。其特性曲线如图4所示。变桨变速风力发电机的优缺点如下： 优点：发电效率高,超出定桨距风机10%以上。 缺点：机械、电气、控制部分都比较复杂。3. 机组选型应考虑的问题 一般情况下，选择设计合理、发电效率高、质量稳定的风电机组，同时结合考虑以下几点： 根据风况和安全要求，选择使用机型； 尽量选用较大机型，以减少风电机组的数量，从而减少土地面积的占用； 近量选择较高塔架，以尽可能的获取风能。但较高塔架的采用要受到经济性和安全性的制约； 尽量选用变桨变速机型，以提高风能利用效率。变桨变速机型与失速型机组相比可提高5-10 % 的发电量； 结合考虑风电机组的报价，选择性价比高的(单位千瓦年发电量/单位千瓦设备价) 高输出电压的风电机组。风电机组的输出电压有400伏、690伏几种，更大型、更先进的机组采用更高的输出电压。高电压输出能够降低线损，电缆造价从而降低风电成本； 特殊情况要求： 环境温度20，采用低温型风电机组；环境温度30，采用高温型风电机组； 沿海和海岛地区，需注重防腐和绝缘性能； 在冬季有低温和高湿度同时出现的地区如长江流域等，还需注意防止附冰； 北方风沙较大地区，注重防尘。 输和安装条件允许。在大型机组的运输、安装较为困难的地区，应考虑采用较小型的机组。 4风电机组的安全性要求 风电机组要承受环境和电对它的影响，这些影响主要体现在载荷、使用寿命和正常工作等几个方面。为保证一定的安全性和可靠性水平，在设计中要考虑到环境、电力和土壤参数等因素。 环境条件可进一步划分为风况和其他外部条件。电力的条件则可参照电网条件。土壤特性关系到风电机组的基础设计。对结构整体而言，风况是最基本的外部因素。其他环境条件对设计特性，诸如控制系统功能、耐久性、腐蚀等有影响。 风电机组等级取决于风速和湍流参数。表3规定了确定风电机组等级的基本参数。表3 各等级风电机组基本参数按照国标风力发电机组安全等级的要求，风电机组应设计成能安全承受由其等级决定的风况。风电机组适用的风速，决不允许超过以下参数的限值，以免产生安全隐患。 轮毂高度年平均风速 轮毂高度50年一遇10分钟平均最大风速 轮毂高度风能密度 风场紊流系数5风电机组塔高的确定 5.1 风电机组发电量的变化 风力发电机组的发电性能主要由其功率曲线(Power curve)来表征。这条曲线对应每一个风速数据，有一个发电功率输出。这个风速数据代表的是轮毂高处的风速数据。风电机组塔架高度的变化意味着轮毂高度的变化。以西班牙Gamesa公司G80风电机组为例，其塔架高度可以为67米，也可以为78米或者100米。由于在自然界中的风力存在着切变，越高的地方风力一般越大，平均风速越高。因此，选用塔架高的机组一般可以获得较高的年发电量。具体增加多少，每个风电场资源特点和布机情况不同而有所不同，要经过详细分析和计算才能作出判断。 5.2 风电机组整体造价的变化 毫无疑问，风电机组塔架的高度与塔架的重量和造价相关。这里要指出的是，风电机组的塔架的增高一般是通过在底部增加一节塔体来实现，这节塔体一般要求强度最大，因此直径较大，对于管状塔来说所要求的钢板也厚。这会大大增加塔架的造价，从而增加了机组的整体造价。还以西班牙Gamesa公司G80风电机组为例，其60米塔架重120吨，67米塔架重135吨，78米塔重190吨，100米塔重288 16 吨。按塔架现行造价1.4万元/吨计，三种塔架的造价分别为168万元，189万元，266万元和403.2万元，可见随着塔高的增加，塔重和造价迅速增加。