海上机组与陆地机组的不同

1、XIhULANG UNIVERSITY（2012 2013学年第一学期）班级：电气10-3姓名：谭志杰学号：20102101040专业：电气工程及其自动化指导教师：王海云海上机组与陆地机组的不同随着全球节能减排的深入展开，各国对新能源开发利用的步伐也不断加快。 随着陆地风力发电技术的的日益成熟，陆地上的有限风能相继开发，人们又想到 了海上丰富风能资源，考虑建设海上风电场。海上风电场的风速高于陆地风电场 的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。综合上述两个因素， 海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。这样一股建设海上风电场的的热潮在 世界范围掀起，海上风力发电机的组成为业内关注的焦

2、点，它与陆地风力发电机 组的区别主要体现在地基建设的难度高，机组各部件载荷比陆地机组强度大，安 全设计采用特殊安全等级。从外部特征上表现在不同之处（1）、电网连接，国外好多海上风电场电网没 有直接并网，而是采用AC（交流输电线）方式并入该地区的输电系统。但有些风 电场如瑞典、挪威和德国的其联网方式采用直流方式，输电方式采用高压直流输 电。（2）、敷设海底电缆，海上风电场通过敷设海底电缆与主电网并联，为了降 低捕鱼工具、锚等对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋起来。如果底部 条件允许，可用水冲海床（使用高压喷水），然后使电缆置入海床而不是将电缆掘 进或投入海床，这样做的方法最好。（3）、联结

3、电压，对于120-150兆瓦容量的风 电场与3033千伏的电压等级相联时，每个风电场中，会有一个30150千伏变 电站的平台和相应的辅助设备。与大陆的联结采用150千伏电压等级。（4）、远程 监控，海上风电场远程监控要比陆地远程监控更重要一些，海上风电场的工作人 员难于跑到现场观测机组，采用远程智能监控更利于运行管理。（5）、定期检修， 在天气条件比较恶劣的情况下，维修人员很难接近风机，风机得不到正常检修和 维护，就会存在安全隐患。所以，确保海上风机高可靠性显得尤其重要。对于一 些偏远的海上风电场，应合理设计风机的定期检修程序。（6）、实验运行，为了 保证机组的可靠性，海上风力发电机组必须通过

4、实验运行，来验证机组的可靠性。从风力发电机组设计载荷工况看:陆上风力发电机组的设计规定载荷工况条 件分成几种情况，包括正常载荷工况、极端载荷工况、特殊载荷工况（停机和故 障状态）及运输载荷工况。发电（DLC1.11.9）：风力发电机处于运行状态，并 有电负载。设定设定的风力发电机组构形应考虑风轮不平衡的影响。在设计计算 中应考虑风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制此外，在运行载荷分析 中，应考虑实际运行同理论上最佳运行工况的偏差，如偏航角度误系统跟踪误差。 在计算中应假设各种情况的最不利组合，如风向改变与典型偏航角度误差组合 （DLCI . 8 ）与电气接头损坏组合（DLCI . 5 ）。

5、设计载荷情况（DLC1. 11 .2 ）包含由大气湍流引起的载荷要求DLC1 . 3和1 . 6 1 . 9规定了作为风 力发电机组寿命评定的可能临界事件的瞬态情况。在DLC1.4和1. 5中，考虑 了由于外部故障和电气接头损坏引起的瞬变事件。发电和产生故障（DLC2. 1 2.3）控制和保护系统的任何故障，或电气系统的内部故障（如发电机短路）， 对风力发电机组负载有明显影响，应假设它们在发电期间有可能发生。对于 DLC2 .1，控制系统出现的故障属正常事件。对于DLC2 . 2，保护系统或内部 电气系统出现的故障为罕见事件，如果某一故障没引起立刻停机和随后的负载可 导致结构产生明显疲劳损伤，

6、则应在DLC2. 3中定义这种工况持续的事件。启 动（DLC3 . l3 .3）这种设计工况包括从任一静止位置或空转状态，到发电 过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。正常关机（DLC4.1- 4.2）此 设计工况包括从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间对风力发电机组产 生载荷事件。应急关机（DLCS . l）由于应急关机引起的载荷。停机（静止或 空转）（DLC6.16 .2）停机后的风力机风轮可能处于静止或空转状态，采用 极端风况对其进行设计。如果某些零部件产生明显疲劳损伤（如由于空转叶片重 量引起的），还应考虑在每个适当风速下所预期的不发电小时数。电网损坏对停 机后的风力机影响.停

7、机和故障状态（DLC7 . 1）当电网或风力发电机故障引 起停机后的风力发电机组正常特性变化时，应要求对其进行分析，在停机工况中， 如果风力发电机组正常特性变化是由任一非电网损坏故障引起时，应作为工况考 核之列。故障状态应当同极端风速模型（EWM）及一年重复周期相组合。与陆上风电机组相同，海上风力发电机组也是正常载荷工况、极端载荷工况、 特殊载荷工况及运输载荷工况，所不同之处在于，在陆地风机载荷工况基础上多 加了海上特定的海波工况载荷。通过上述的分析对比：海上风力发电机的载荷工况受具体的外部条件和自身 运行条件的共同影响，当进行机组结构设计计算时，载荷工况通常包括正常的外 部条件和自身运行条件

8、的共同影响，正常的外部条件和故障条件的共同影响，极 端外部条件和自身运行条件的共同影响。外部条件和自身运行条件可以假设为能 够独立的统计给出，由于极端的外部条件和故障条件的共同影响很少出现，故在 设计时可忽略不计。设计时除重点考虑极端载荷工况E1.0、E1.1、E1.2、E2.0、 E2.1和S1.1飞1.4作设计计算输入外，还特别需要分析计算突减海波载荷对机组 整体性能的影响。如温度对载荷工况的影响，文献6规定安全系数yF选1.5， 可见特定的海波工况，与陆地相比有极大的不同。尤其是机组的疲劳载荷，设计 结构时应重点考虑，还应根据机组海波载荷变化引起的载荷突增和突减的情况， 进行计算对比和设

9、计对比，保证机组的可靠性及使用寿命基础上，寻求最优结构 设计。海上风机不同于陆上风机，它是在现有陆地风机基础上针对海上风资源环境 进行适应性“海洋化”发展起来的。为了承受海上的强风载荷、海水腐蚀和波浪 冲击等，海上风电机组的基础远比陆上的结构复杂，技术难度大、建设成本高。 海上机组与陆上机组最大的区别开发海上风电场对风电机组技术的挑战是既 要承受更强的风载荷，还要承受海浪带来的负荷，能抵抗海洋环境的盐雾腐蚀。 由于交通和吊装条件的限制，机组的维修要求应降低到最小程度，需要自备吊装 主要部件的起重设备，避免因维修而等待大型浮吊造成的损失。与陆上机组最大 的区别是基础结构，目前主要有以下几种：（1

10、）重力基础。已建丹麦海上风电场 的机组基础是在陆地上用混凝土制成的，然后运到海里指定位置安放，用砾石和 砂子堆在周围，靠重力固定风电机组似方法的新技术是用钢板制成圆筒型，底上 焊接平钢板，优点是质量轻，便于普通船运和与吊装风电机相同的设备在海里安 放，然后填充密度很大的橄榄石。（2）单桩基础。另一种新技术是相当于将风电 机的塔架延伸到水里，用钻孔或撞击的方式将塔架底部插入海床。瑞典果特兰岛 南部由5台丹麦风电机组组成的示范海上风电场，采用的就是这种单桩基础。（3） 三角架式基础。正在研究类似海上石油钻台的三角架式基础，用于较深的海上风 电场。丹麦能源局所属的海上风电机委员会进行的研究表明，采用

11、钢结构的基础 比混凝土的成本低约35%，尤其是水深超过10m,钢结构更经济。可以来用阴极 保护技术防止钢材料的腐蚀。海上风电机组基础由塔架和海底地基组成，按结构类型划分，目前在实践中 已经应用的有单桩结构、重力结构和多桩结构，还有处于研发阶段的悬浮式结构。 各种结构的优缺点有互补性，基础选型要综合考虑各项因素的影响，主要是水深、 土壤和海床条件、环境载荷、建设方法、安装和成本几个方面。目前，世界上的 海上风机多数采用重力混凝土和单桩钢结构基础设计方案。其中，应用最为广泛 的单桩钢结构是通过钻孔将直径35m的钢管植入海床下1530m深的位置。这种 基础的优点是不要求修建海底地基，而且制造相对简单

12、，但是安装相对困难且海 水较深时柔性大。重力式一般为钢或混凝土结构，依靠基础的重力抵抗倾覆力矩。 海床的清理准备工作对该结构很重要，由于对海浪的冲刷较敏感，只适用于水深 较浅、不适合钻孔的场址，运输安装也比较困难，对环境的影响较大。多桩式基 础结构曾用于试验机组，目前处于试运行阶段，还没有应用于商业化风电场。一 般为三脚架结构，主要采用小直径管状钢结构，通过填塞或成型连接，适合较深 的水域。缺点是船只难以接近，并增加了结冰的可能性。沉箱结构是靠重力将钢 箱结构插入海床，抽出箱内海水以产生压力，以用于海上平台安装的锚泊固定， 目前处于可行性研究阶段。漂浮式结构的好处是可选择的概念较多，成本与海底

13、 固定的方式接近，在建设和安装步骤上有较大的弹性，且容易移动或拆卸，并且 在挪威取得成功，但目前还处于试验阶段。在海上风电设备安装上，被广泛应用 的方案是起重式和锚泊系统，根据海水深度、起吊机的能力和驳船的载重量的不 同，具体技术方案的选择有所不同。在工程因素：修建、电力传输及其他 1.建设施工和维修技术难度较大， 建设成本高：海上风电场建设前期工作更为复杂，需要在海上竖立70米甚至100 米的测风塔，并对海底地形及其运动、工程地质等基本情况进行实地观测；海上 风电场需要考虑风和波浪的双重载荷，海上风电机组必须牢固地固定在海底，其 支撑结构（主要包括塔架、基础和连接等）要求更加坚固；海上气候环

14、境恶劣，天 气、海浪、潮汐等因素复杂多变，风电机组的吊装、项目建设施工以及运行维护 难度更大；所发电能需要铺设海底电线输送，建设和维护 工作需要使用专业只和设备。所以海上风电的建设成本较高，一般是 陆上风电的23倍。其中，风机基础投资大约为陆上的10倍。2.电力远距离输 送和并网相对困难。海上风电场一般距离电网较远，且海底敷设电缆施工难 度大，因此并网相对困难。3.海上风电不占用紧缺的土地资源，远离城镇及居民 生活区，对环境及景观负面影响小。海上风电机组受噪声制约小，转速一般比陆上高 10%，风机利用效率相应提高5%-6%。相比陆上费用，海上风电的地基和维护费用较高。占陆地风电68%的风机占

15、比下降到了33%，地基费用上升到了24%，是海上风机主要的费用之一。由于面临 很大的环境变数，海上风电的维护费用也达到了 23%。维护和地基两项费用直接 推高了海上风电的成本。国内风力发电工程造价平均为8000元人民币/千瓦，其 中，风力发电设备造价约5000元人民币/千瓦。海上风电的工程造价在2万元/千 瓦左右，是陆上风电的两倍多。海上风机：大机型，直驱是趋势。风机发展的主 要趋势是，单机容量逐步上升，风机机组结构多样化。海上风机成本较大，所以 对风机的单机容量要求更大以摊低成本。目前国内外风机主流机型单机容量为2-3WM。直驱由于稳定性高将获得越多亲睐。海上风况优于陆地，风流过粗糙的地表或

16、障碍物时，风速的大小和方向都会 变化，而海面粗糙度小，离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高约25%；海上风 湍流强度小，具有稳定的主导风向，机组承受的疲劳负荷较低，使得风机寿命 更长；风切变小因而塔架可以较短；在海上开发利用风能，受噪声、景观影响、鸟 类影响、电磁波干扰等问题的限制较少；海上风电场不占陆上土地，涉及土地征 用等问题，对于人口比较集中，陆地面积相对较小、濒临海洋的国家或地区 较适合发展海上风电海上风能的开发利用不会造成大气污染和生任何 有害物质，可减少温室效应气体的排放，环保价值可观。与陆上风电场相比，海 上风电场的优点主要是不占用土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风

17、电机组单机容量更大（35兆瓦），年利用小时数更高。但是，海上风电场建设 的技术难度也较大，建设成本一般是陆上风电场的23倍。2010年是中国海上风电的起步年，约占全球的5%。按照国家发改委能源研究 所等机构的研究，中国近海10米水深以内的海域风能资源约1亿千瓦，20米水深 以内的海域风能资源约3亿千瓦，30米水深以内的海域风能资源约4.9亿千瓦。我 国海上风电资源丰富，开发和利用的潜力巨大。目前我国的开发，还处在刚刚起 步阶段。金风科技，联合动力、上海电气、明阳和湘电都在不同的地区进行了海上风 电项目的实验。作为我国第二大风电整机企业的金风科技已于2007年在渤海湾中 海油的钻井平台试水了海上风机的所有工序。2009年11月18日金风科技投资30 亿元在江苏大丰经济开发区建设海上风电产业基地项目，并计划将其建设成为国 内最大、世界领先的海上风电装备制造基地。2010年生产2.5MW直驱永磁风电机 组 18台，共45MW，3MW 一台。发展海上风电将是大势所趋。但我国海上风电发展面临的严峻问题是：高成 本，低电价。虽然海上风电资源丰富，但是作为海洋永久构筑物工程，海上风电 场的建设要求比海上石油平台建设要求还要高。因为海上风机底座要求更加坚 固，从而