内容发布更新时间 : 2024/12/22 19:31:30星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

第 1 章 绪论

1.1 风能概述

1.1.1风能的特点及其发展

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴含量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大。从能源安全角度上看，我国发展改革委员会此前发布的数据表明，我国已成为世界上煤炭、钢铁、铁矿石、氧化铝、铜、水泥消耗最大的国家，是世界上能源消耗第二大国。我国2010年进口原油2.39亿吨，同比增长17%，我国石油对外依存度上升3个百分点，超过55%，成为仅次于美国的第二大石油进口国和消费国。从国际竞争力看，由于设备、管理、政策等滞后，我国的能源基础不具有国际竞争力[1]。从长远来看，我国目前的常规能源正在不断减少，必须开发和保证新的可再生能源供应，特别是开发和应用成本较低的清洁可再生资源——风能。

根据我国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW。另外，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。回顾2010年我国风力产业发展，风电产业依旧是最受人们关注的新能源产业，并已被列入国家战略新兴产业。全年新增装机1602.2万kW，累计装机4182.7万kW。在技术路径的选择上，直驱式风机与双馈式风机各有利弊。随着对风力发电机组可靠性要求的不断提高，直驱式风机设计正在不断增加。技术不断完善，运行的可靠性不断提高是风力发电行业的保障。另外，国家非常重视风电产业，国家陆续出台了一系列促进风电产业发展的法律、法规和产业政策，发展目标更加明确，思路更加清晰，前景非常广阔。风能可能是我国未来数年内最有发展潜力的可再生清洁能源之一。

1.1.2我国风力发电的现状及趋势

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把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风机叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风机技术，大约是3m/s的微风速度，便可以开始发电。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，风能清洁、环境效益好、装机规模灵活。但是，运行效率低、造价昂贵、技术有待改进，管理不够完善。

风力发电机组行业分析报告显示，2010年我国的风电累计装机容量达到2000万kW，2020年将达到1亿kW。目前国内风电整机制造业仅金风科技、华锐、东汽、上海电气4家企业的年产能就在800万kW以上，这意味着其他60多家风电企业的竞争将会更加激烈，而且这还不包括国际风电巨头。激烈的市场竞争，以及陆地上的装机容量等因素预示着风力发电面临着严峻的考验。风力发电机组能够在市场占有一席之地不仅仅是国家政策，公司文化使命，还有更重要的是产品质量，保证机组稳定的运行，尽可能多的发电，产品成本及其价格等各方面的因素。风力发电机的作用就是吸收最多的风能，而变桨系统是利用改变叶片的桨距角进而或得最大限度的风能。

1.2 风力发电机组结构及参数

金风兆瓦（例如金风1.5MW）系列机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动叶轮与发电机连接，无齿轮箱，永磁同步发电机并网的总体设计方案[2]。

1.2.1 基本结构

风机主要由叶片、变桨机构、轮毂、发电机转子、发电机定子、偏航驱动、测风系统、辅助提升机、顶舱控制柜、底座、塔筒、塔架等部分组成[3]。各部分的组成分布如图 1-1所示。从图中可以清楚的看到该风机采用了水平轴三叶片的设计方案，正面迎风变桨距调节功能，能够更好的吸收风能。其中，机组的电控系统包括偏航系统、变桨系统、变流系统、通讯系统四大系统。通过继电器等元件的吸合或断开来实现偏航对风、改变桨距角确保最优的吸收风能，实现了自动控制和远程监控。

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金风兆瓦风机采用发电机为六相绕组交流永磁同步发电机，结构简单紧凑，可靠性高，发电质量高。通过风速仪测出风力大小，风向标检测来风的方向，自动变速、变桨系统的控制完成良好的对准风向，从而获得更多风能。辅助提升机主要用来提升重物，比如检修时使用的液压扳手等。偏航驱动主要是偏航电机带动偏航轴承以及减速器等完成自动偏航对风作用。通过变流系统使得风机输出功率稳定，保证良好的并网特性，多方面保证了风机高效稳定运行。

1、叶片 2、变桨机构 3、轮毂 4、发电机转子 5、发电机定子6、偏航驱动

7、测风系统 8、辅助提升机 9、顶舱控制柜 10、底座 11、塔架

图 1-1 风机主要结构（1.5MW）

1.2.2 兆瓦机组电控系统组成

金风直驱1.5MW风力发电机组电控系统主要由变桨系统、变流系统、主控系统和监控系统等构成，如图1-2所示。变桨系统通过接收主控系统下达的任务，进行三个叶片同步调节到所需要的位置。在手动变桨时可以进行桨距角独立调节。另外，变桨系统是目前系统唯一的停车机制，通过将桨叶迅速顺至停机位置来完成刹车。变流器在风机系统中主要作用是把风能转换成适应电网的电能，反馈电网。另外，变流系统还能够实现低电压穿越功能，即在波动短时间能够正常

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运行，在一段时间内保证风机不脱网。主控制系统是机组可靠运行的核心，主要完成数据采集及输入、输出信号处理；逻辑功能判定；对外围执行机构发出控制指令；与机舱柜通讯，接收机舱信号，并根据实时情况进行判断发出偏航或液压站的工作信号；与三个独立的变桨柜通信，接收三个变桨柜的信号，并对变桨系统发送实时控制信号控制变桨动作；对变流系统进行实时的检测，根据不同的风况对变流系统输出扭矩要求，使风机的发电功率保持最佳；与中央监控系统通讯、传递信息。监控系统主要实现风机运行监控，包括风速的测量等，便于及时发现故障。

自动控制包括机组自动启动，变流器并网，主要零部件除湿加热，机舱自动跟踪风向，液压系统开停，散热器开停，机舱扭缆和自动解缆，电容补偿和电容滤波投切以及低于切入风速时自动停机。

图 1-2 金风直驱1.5MW电控系统组成

1.2.3 主要技术参数

风机的主要技术参数包括了兆瓦塔筒高度型号、额定功率、叶轮直径以及切入切出风速等。如表 1-1所示，金风1.5MW风力发电机组的切入风速是3m/s，当风速仪检测到风速在十分钟之内的平均风速大于或等于3m/s时，风机将启动。此时变桨系统将角度变到0°，使得风机能够吸收更多的风能，驱动风机做可能多的发电。

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表 1-1 1.5MW风机主要技术参数

名称 型号 额定功率 叶轮直径 轮毂中心高 切入风速 额定风速

切出风速（10min均值） 抗最大风速（3s均值）

运行温度范围 使用寿命

单位 kW m m m/s m/s m/s m/s ° C 年

参数

70/1500 ； 77/1500 ； 82/1500

1500 70 ； 77 ； 82

65、70、80、85（根据塔架高度）

3 11 25 59.5 -30 ～ +40

≥20

本文主要介绍电控系统中变桨系统。在金风兆瓦风机产品中主要有Vensys变桨系统和SSB变桨系统两种变桨系统。具体到实习的项目上两种控制系统都有使用，但是结合整个风机发展以及各自的优缺点，Vensys变桨系统更受业主的采取。其运行稳定可靠，占用空间位置较少，工作人员维护简单，技术较为成熟。Vensys变桨系统结构比较简单，但是功能强大，故障点比较少，外界环境因素对其影响不大。变桨系统中的内部安全链以及和其他元件构成的外部安全链是风机出现故障紧急停机的最后一道保护。另外，变桨系统完成桨距角的调节，在风向标正确检测对风的情况下，完成最大限度的吸收风能，达到在有限的风速下功率最大化。

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