第32卷第18期电网技术V ol. 32 No.18 2008年9月Power System Technology Sep. 2008 文章编号：1000-3673（2008）18-0087-05 中图分类号：TM614 文献标志码：A 学科代码：470·4024
国外特大型风力发电机组技术综述
施跃文，高辉，陈钟
（国华能源投资有限公司，北京市东城区 100007）
A Summary on Technical Features of Overseas Multi-MW Wind Turbines
SHI Yue-wen，GAO Hui，CHEN Zhong
（Guohua Energy Investment Co., Ltd.，Dongcheng District，Beijng 100007，China）
ABSTRACT: The technology of Multi-MW wind turbines not only incarnates the current technical level in such fields as electrical machinery manufacturing, material engineering, power electronics, automatic control, fluid mechanics, geology and meteorology, but also leads the development trend of design and manufacturing of wind turbines in the future. Through introducing the technical features of six kinds of overseas Multi-MW wind turbines, new technologies applied in the design and manufacturing of key components and parts of wind turbines, such as generator, gearbox, blade and tower and so on, are analysed; the development trend of wind turbine technology is summarized; the advantages and disadvantages of various types of wind turbines are compared to offer reference for the research and development of wind turbines and their components and parts in China.
KEY WORDS: wind turbine；multi-MW；design and manufacturing；development trend
摘要：特大型风力发电机组技术不仅体现了当代电机制造、材料工程、电力电子、自动控制、流体力学和地质气象等领域的科技水平，而且引领着未来风力发电机组设计制造技术的发展方向。文章通过介绍国外6种不同类型特大型风力发电机组的技术特点，分析了设计制造机组关键零部件(如发电机、齿轮箱、叶片和塔筒等)所采用的新技术，总结了风力发电机组技术的发展趋势，比较了不同类型风力发电机组的优缺点，以期为我国风力发电设备及其零部件的研发工作提供参考。
关键词：风力发电机组；特大型；设计制造；发展趋势
0 引言
在过去的10年里，全球风电市场高速发展，新增装机容量和总装机容量的年均增长率都在28%左右，如表1所示[1]。截至2007年底，全球风电总装机容量达到了94GW，年发电量超过200TWh，
表1全球风电装机容量(1998—2007年)
Tab. 1 Worldwide wind power installed capacity
(1998—2007)
年度
新增装机
容量/GW
新增装机容量
增长率/%
总装机
容量/GW
总装机容量
增长率/% 1998 2.520 — 10.200 —
1999 3.440 36.51 13.600 33.33 2000 3.760 9.30 17.400 27.94 2001 6.500 72.87 23.900 37.36 2002 7.270 11.85 31.100 30.13 2003 8.133 11.87 39.431 26.79 2004 8.207 0.91 47.620 20.77 2005 11.531 40.50 59.091 24.09 2006 15.318 32.84 74.141 25.47 2007 20.076 31.06 94.123 26.95 平均— 27.52 — 28.09 约占全球总发电量的1.3%，仅2007年新增装机容
量就达20GW以上。
在风电装机容量快速增长的同时，风电技术也
取得了长足进步，特别是风力发电机组(以下简称风机)本身，由20世纪90年代的定桨距、恒速技术，
发展到今天被广泛应用的变桨距、变速技术，而且
单机容量不断刷新记录。海上风电技术逐渐成熟，
全球海上风电装机容量已经超过1GW，有力地促
进了特大型风机(单机容量大于或等于3MW)的研发。风电设备制造企业一方面努力扩大产能，批量
化生产现有产品，满足陆地风电市场需求；另一方
面纷纷推出特大型风机，为未来海上风电市场竞争
做准备。降低风电成本、提高可靠性是风机设计遵
循的原则，为了实现这一目标，特大型风机设计中
采用了更多的创新技术。下面分别介绍几家国外风
电设备制造企业所生产的特大型风机技术特点。
1 Enercon E-126 (6-7MW)型风机
德国Enercon公司具有20多年的风机制造经
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验，从1991年开始生产直驱式风机，现已在全球安装了12000多台风机，总容量13.70GW。2007年Enercon在德国风机市场份额高达50.3%。
Enercon公司开发的E-126是目前世界上最大的风机[2]，2007年底第一台样机在德国投入运行，转轮直径127 m，额定功率6MW，可升级到7MW。为了便于运输，采用两段式叶片，靠近叶根的较短部分由金属制成，外延部分由玻璃钢增强纤维制成。轮毂高度135 m，采用预制混凝土塔筒，由35节组成，壁厚为45 cm，塔筒底部直径为14.5 m。各节塔筒预先在工厂浇注成形，然后运至现场进行装配。底部8节塔筒中每节等分为3段圆环，中部22节塔筒中每节分为两段半圆环，顶部5节塔筒中每节为整体圆环，最顶节塔筒由钢板制成。在现场把各节塔筒吊装起来，采用多重钢缆结合成塔架的环壁，从塔底延伸到塔顶，用浇铸的方法进行永久固定。另外，机舱罩和导流罩由铝合金板制成，优点是可减少火灾风险，便于现场装配和散热。
Enercon公司采用“蛋型”机舱和高效的叶片翼型。2003年，Enercon公司开发了新型叶片翼型，分别安装在E-30(300kW)和E-66(1500kW)风机上。经实测，风机整体风能利用系数C p最大值为0.53，如果考虑5%左右的电气系统损失，那么叶片的实际气动效率高达56%[3]，仅比贝兹常数(最大理论气动效率)低3%~4%。通过改进叶根形状、缩小叶片截面、增加叶径长度，可使叶片与机舱有机地结合在一起，有助于气流均匀地流过机舱；在叶尖还安装了“小翼”，可有效地抑制扰流和旋涡的生成，从而提高发电量和减少噪声。此外，叶片法兰直径大，采用双列螺栓与轮毂相连的方式，以提高强度。
与Enercon公司生产的其他型号风机一脉相承，E-126传动系统也采用直驱技术，没有齿轮箱，主轴直接与无刷励磁同步发电机(低速)相连，2个主轴承分别为双列圆锥和单列圆柱滚子轴承，采用全容量变流器。
2 Repower 5M (5MW)型风机
德国Repower公司成立于2001年，由Jacobs 能源、BWU和pro+pro能源系统3家公司合并而成，曾向多家公司转让风机制造技术，包括我国风机制造企业(金风科技、东方汽轮机厂和运达公司)。2007年印度Suzlon公司以12.2亿欧元收购其大部分股份。
5M风机由Repower与丹麦LM公司、希腊可再生能源中心(Centre for Renewable Energy Sources，CRES)以及德国海上风能技术公司(Offshore Wind Technologie GmbH，OWT)共同合作设计生产，主要针对未来海上风电市场。现在已经有2台5M风机在苏格兰东北海域的Beatrice风电场投入运行，并向2km外的石油钻井平台供电。Beatrice海域的水深为45m，这是海上风机首次安装在如此深度。为此，风机基础采用了四脚桁架结构，每一脚用于固定的钢桩被打入海床39m之下。为减少海上吊装的工作量，首先在码头将塔筒直立地组装在支架上，接下来吊装机舱和风轮到位，然后通过特制的吊臂将风机整体平移到吊装船，运输到预先完成的四脚架基础旁边，最后，再把风机整体提升，安放在基础上[4-5]。
5M风机的转轮直径为126m，额定功率为5MW，是最大的双馈电机式变桨变速风机[3]。传动系统基于传统布局，采用了3级齿轮箱结构(传动比为97)和6极双馈式异步发电机。除此之外，传动系统的设计也处处体现了创新的理念。冗余设计概念在5M风机中得到了充分体现，如采用更多传感器，有助于运行人员更全面地掌握风机运行数据；结合法兰的模块化传动系统在一个模块出现故障时，风机在减少出力的情况下可以继续保持运行(最大3MV A)，提高了整体可靠性。另外，主轴采用双轴承设计，活动轴承可比传统的球面滚子轴承更加有效地防止主轴震动和错位，配合另一个滚子轴承防止外载荷对齿轮箱的冲击，延长齿轮箱的使用寿命。其他独特设计包括：机舱内吊车吨位提高，可以完成95%以上的运行维护工作，包括齿轮箱的更换等；机舱顶部设有直升飞机平台；机舱内配置全套维护工具；全自动火情报警和消防措施等。5M 的另一特点是具有全自动润滑系统，能够保持叶片、主轴承、齿轮箱、偏航及发电机轴承、偏航及高速轴刹车等设备处于良好工作状态。
5M叶片体现了LM公司的最新制造技术。雷击电流分流器被设计成条形，增加了接收器捕捉雷电的能力，同时减小了对叶片空气动力性能的影响。缩短叶片根部的螺距可以增加其连接的坚固性。同时，更多的夹层结构设计和碳纤维复合材料的使用降低了叶片重量。LM公司因此产品而荣获丹麦行业协会颁发的“2007年产品奖”。
截至2007年底，Repower共安装了10台5M 风机，现正在开发6M风机(额定功率6MW)，计划在2008年底之前推出[2]。
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3 Multibrid M5000 (5MW)型风机
2005年初，德国Multibrid公司安装了第一台M5000风机，转轮直径116m，额定功率5MW[3]。2007年，法国最大供电企业Areva出资收购了Multibrid公司。
M5000由德国工程咨询公司Aerodyn设计，采用半直驱技术。该设计综合了传统3级齿轮箱结构和直驱式技术的优点，即取消主轴，采用1级齿轮箱连接低转速永磁同步发电机，并通过集成化设计大大降低了机舱重量和尺寸，其主要技术特性为：1）采用1级齿轮箱(传动比为1:9.92)和水冷式永磁同步发电机(最大转速为147rad/m，出口电压3kV)。与5M风机相比，大大简化了传动系统结构，尺寸仅为5M的1/10。
2）备用的数据采集设备减少了因其故障而导致的系统停机；传感器系统可提供维护预警。
3）良好的机舱密闭设计和空气过滤器使风机能够承受恶劣气候条件(如盐雾和潮湿空气侵蚀)的影响，适应于海上环境条件。
4）紧凑型设计使M5000风机相比于同级别特大型风机具有较轻的机舱和轮毂重量，便于运输和安装。M5000的机舱总重量(包括轮毂和叶片)约为310t，而Repower 5M的重量为420t，Enercon E-126的重量则达到530t。当然，紧凑型设计同时也带来了部件维修的困难。
5）采用碳纤维结构的叶片，降低重量。
6）四象限的全容量变流器改善了电能质量，功率因数调节范围为0.9(感性)~?0.9(容性)。
2007年，Aerodyn又推出了超级紧凑型设计(super compact design，SCD)概念，其结构与M5000相似，但所采用的两级行星齿轮箱和中速发电机相互独立。齿轮箱和发电机的外径完全相同，并且由同心法兰连接，这样减小了轴线不重合的风险。主轴承由法兰盘直接连接在齿轮箱的输入轴端。
4 Gamesa G128 (4.5MW)型风机
西班牙Gamesa公司的最大股东Iberdrola是全球最大的再生能源开发企业，1994年通过“市场换技术”，与丹麦Vestas公司合资成立了Gamesa Eólica，随后Vestas向Gamesa Eólica转让了850kW 和2000kW风机制造技术，但在2003年Vestas全部转让了其所持有的Gamesa Eólica股份。因此，两家风机技术基本一样，均采用双馈电机式变桨变速技术。截至2007年底，Gamesa生产风机的容量超过14GW。
Gamesa计划2008年安装G128-4.5MW样机，即转轮直径为128 m，比当今世界最大风机还长1m，其主要特点如下[2]：
1）“紧凑”传动系统，对主轴、2个主轴承和2级行星齿轮箱进行集成化设计，减少了所用部件。
2）多变量控制系统，减少叶片振动和载荷。
3）2段式叶片，与现有2MW风机采用相同的运输工具，对道路要求也相同。
4）混合式塔筒(混凝土+金属结构)，减少投资。
5）内置吊车，便于安装和拆卸部件。
6）全容量变流器，由6个并联的770kW变流器——绝缘栅场效应晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)组成。如果一个变流器故障，仅损失1/6的发电量，从而提高可靠性。
7）小风时，仅开启少量变流器，并可以在接近单个变流器额定功率的范围内运行；其他变流器关闭，从而提高了效率。
通过分析上述技术特点发现，G128-4.5MW的技术路线很可能不同于Gamesa现有产品，而采用中速同步发电机，即属于基于Gamesa传统机舱布局的“半直驱式”风机。
5 Vestas V90 (3.0MW)型风机
丹麦Vestas风能集团公司是世界上最大的风电设备制造公司，截至2007年底，在全球63个国家共安装35000台风机，总容量28GW。产品的主要技术特点是变桨距(OptiTip?)和采用双馈异步电机实现变速运行(OptiSpeed?)。
V90-3.0MW采用双馈电机式变桨变速技术，但为了降低重量，Vestas开发了多项创新技术[3]。与Vestas传统机舱布局相比，取消了主轴，轮毂通过大轴承装配至齿轮箱(传动比1:104.5)，对大轴承与齿轮箱进行集成化设计，减少机座尺寸，采用水冷式发电机(4极绕线式异步发电机，带滑环)。通过上述措施，V90-3.0MW风机的机舱重量和尺寸与V80-2.0MW相当，但发电性能却提高了50%。为了减轻重量，方便运输，使用高强度钢板(型号为S355 J2G3/NL)来制造塔筒。内饰件不是通过焊接方式，而是采用磁铁固定在塔筒上，从而增加塔筒的疲劳强度。总之，重量轻是Vestas风机的显著特点，例如，V90-3.0MW机舱重量为70t，叶轮(含叶片和轮毂)重量为41t，80m塔筒重量为160t，比同级别其他机型轻得多。
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导流罩和机舱罩采用流线型设计，以减少塔架和基础所承受的载荷。在叶片承载结构中使用碳纤维材料，提高强度，减轻重量。叶片还采用新翼型来提高气动效率。在控制策略方面，当塔筒或传动系统出现大幅度振动时，可以通过调节叶轮或发电机转速来增加阻尼，消除振动。另外，把干式变压器安装在机舱内，可节省塔筒内电缆的重量和成本。截至2007年底，近600台V90-3.0MW风机投入运行，其中96台安装在海上。
6 Clipper Liberty系列2.5MW风机
美国Clipper公司成立于2001年，产品以Liberty系列2.5MW风机为主，有3种不同转轮直径(89、93、99m)可供选择，分别为IEC I、II和III 类风机。目前正在研发7.5MW机型[6]。
Clipper Liberty系列风机的最大特点就是采用了分布式多发电机传动装置以及双螺旋分布式设计的齿轮箱(两级变速)，与常用的3级行星齿轮箱设计相比，减轻了驱动轴的运转压力[7]。通过分散载荷强度的多路式设计，将主轴的扭矩通过4个高速输出轴承传递给四台永磁同步发电机(每台发电机额定功率为656kW)，4个IGBT变流器（总容量为2525kW）安装在塔筒底部。这种四发电机系统摒除了大型直驱式风机体积大而重，不宜制造、运输和安装的缺点，并且1台发电机故障时其他3台仍能正常运行，提高了可靠性和发电量。此外，该风机还安装了2个主轴承来吸收轴向载荷，解决了轴向运动和联结部件的薄弱问题，以保护风机免受损坏，从而延长寿命。减小组件尺寸和减轻部件重量的思想贯穿于Clipper风机设计的整个过程，例如，Liberty系列风机在发电机制造工艺中，减少了铜材料在线圈中的应用，整体重量明显低于其他同级别机型。据介绍，此种风机的吊装可使用与1.5MW风机同级别的设备，而且维护便利，不需移动齿轮箱就可以更换高速输出轴承，单台发电机的更换也无需大型吊装设备。
7 特大型风机技术发展方向
7.1 单机容量不断增大
1980年，商业化风机的单机容量仅为30kW，叶轮直径为15m，而目前世界上最大风机的单机容量达到了6MW，叶轮直径为127m。在过去的20多年里，随着风机技术的快速发展，单机容量增加了200倍，叶轮直径也增加了近10倍。据报道，国外已经开始设计开发8~10MW的风机。从目前的发展来看，风机设备的大型化还没有出现技术限制，即单机容量将继续增大。在1990至2004年间，风机叶轮直径平均每年增加5 m，如果继续保持这种速度，到2020年叶轮直径将达到200m，相应的单机容量将达到15MW。
7.2 传动系统设计不断创新
传动系统结构的发展演变是风机技术进步的集中体现。传统风机的传动设计为叶片连接的主轴通过3级变速的齿轮箱与异步发电机相连，丹麦风机制造企业最先采用该设计，因此被冠以“丹麦型”，并从20世纪80年代到90年代中后期一直在风机制造中占据绝对主导地位。随着风机单机容量的增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生。但是，多极发电机因绕组布置空间的要求导致重量和体积大幅增加。为此，采用折中理念的半直驱布局在大型风机设计中得到了应用。半直驱式风机大规模推广应用的主要障碍是价格昂贵，但通过集成化设计及规模化生产，其竞争力将越来越强[8]。目前，在特大型风机的设计制造上依然以传统的丹麦型传动技术为主，但更多地应用创新技术。例如，沿袭丹麦型传动系统设计的5M风机采用了空心传动轴，目的就是减少整个传动系统的重量。从中长期来看，直驱式和半直驱式传动系统将逐步在特大型风机中占有更大比例。另外，在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来特大型风机的发展趋势。
7.3 叶片技术不断改进
对于2MW以下风机，通常通过增加塔筒高度和叶片长度来提高发电量，但对于特大型风机，这2项措施可能会大大增加运输和吊装难度以及成本。为此，开发高效叶片越来越受到风机制造企业和叶片生产企业的重视。新型高效叶片的气动特性在设计中不断得到优化，使得扰流受到抑制，发电量得到提高，并且改善了其降噪特性。另外，特大型风机叶片长，运输困难，分段式叶片是一个很好的解决方案，但难点是如何解决两段叶片接合处的刚性断裂问题，遗憾的是Enercon和Gamesa都没有介绍具体的接合技术。
碳纤维复合材料(carbon fibre reinforced composites，CFRP)因具有密度小、强度高、刚性稳定、耐温耐蚀等特性，越来越多地被应用于大型叶片的制造中。目前CFRP制造成本是玻璃纤维复合
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材料的10倍以上，但是随着生产工艺的改进和规模化生产的发展，该成本有进一步下降的趋势。越来越多的夹层结构(sandwich structure)被应用到叶片设计中[9]，这种设计的应用使得叶片的坚固性、疲劳特性以及防腐性等均得到提高。
由于海上风电场不受噪声和视觉影响的限制，在海上风机设计中“两叶片”风机越来越受到关注，其优点显而易见，如减少了叶片数量和轮毂设计的复杂性，并且安装方便，有利于减少台风等破坏性风速对风机的影响[8]。但从可靠性角度出发，采用传统“跷跷板”结构的两叶片风机的运行记录并不令人满意，因此，只有解决可靠性问题才会大规模应用“两叶片”设计。
7.4 永磁同步发电机的更多应用
永磁同步发电机不从电网吸收无功，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。在大功率变流装置技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风机越来越多地采用永磁同步发电机。目前，正在研制直驱式风机专用的新型永磁同步发电机[10]，其主要特点是直径小、重量轻(为现有产品重量的20%~30%)，采用非金属定子。
通常，同步发电机与全容量变流器结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性。与双馈式风机(通常变流器容量为1/3的风机额定功率)相比，全容量变流器可以更容易实现低电压维持运行(low voltage fault ride through)等功能[11]，满足电网对风电并网日益严格的要求。
7.5 混合型塔筒不断完善
虽然特大型风机多为海上环境设计，但是也不排除安装在具有良好风力资源而土地稀缺的陆地上。如果塔筒底部直径超过4m，则造价高、运输困难，因此80m以上高度被认为是钢制塔筒的极限高度。为此，特大型风机在陆地安装时多采用混合型塔筒。除了前面介绍的E-126所采用的混合型塔筒，还有其他形式的独具匠心的设计，例如荷兰Mecal公司专利技术的混合塔筒采用长10~15m，宽3~4m，厚度为25~35cm的预制混凝土板拼接而成，并通过钢缆上下贯通加固，同时对钢缆加以防腐保护。这种方法的优点是安装速度快，通常可以在一周内完成，而不像先前美国通用电气公司(General Electric，GE)在西班牙安装的混合型塔筒，仅混凝土施工就花费了6个星期[12]。总的来看，混合型塔筒的造价仍然较高，仅在钢制塔筒极限高度以上才具有经济性。
8 结论
目前，特大型风机设计中仍以丹麦型为主导，但制造材料更加多样化，工艺水平在不断提高，设计思想也不断推陈出新，直驱型和半直驱型风机正在日益发展壮大。随着风机技术的进步，更多边缘科学技术的融合，市场上将会出现更大单机容量的风机，并且其可靠性和经济性都会有大幅度提高。参考文献
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收稿日期：2008-06-30。
作者简介：
施跃文(1957—)，男，本科，高级工程师，现
任国华能源投资有限公司总工程师，长期从事电力
(含风电)技术管理工作；
高辉(1966—)，男，硕士，高级工程师，长期从
事风电技术管理工作，E-mail：gaohui1966@https://www.doczj.com/doc/d98800060.html,；
陈钟(1971—)，男，硕士，高级经济师，长期
从事风电项目开发与管理工作。
（责任编辑王金芝）施跃文
风电场发电流程概述 中电投盐湖东风电一场总容量为49.5MW，风电场安装33台单机容量为1500kW的风电机组，机组出口电压0.62kV，配套选用33台箱式变压器进行升压，风电机组与箱式变的接线方式采用一机一变的单元接线方式。箱式变采用容量为1600kVA的油浸式双绕组无励磁调压升压箱式变压器。风电场采用2回35kV架空线路输送电能。 风机主要构成：风力发电机组由风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架、变频器和基础等组成。 输变电设备构成：箱式变压器、集电(架空)线路、高压配电装置、主变构成。 流程：机组通过风力推动叶轮旋转，再通过传动系统增速来达到发电机的转速后来驱动发电机发电，有效的将风能转化成电能，并通过变频器与箱式变压器相连，及并网发电。发电后电能通过集电线路、高压配电装置汇集到主变低压侧，经过主变升压后并入电网。
Freqcon变流器采用二极管整流+BOOST DC/DC变换+逆变的AC-DC-AC电力变换形式。整个电路可分为两个部分：整流和逆变。通过二极管整流将发电机发出的不稳定的交流电（1.5MW电机转速0～17.3rpm，电机电压0～720Vac,电压频率0～12.7Hz）变换成直流电；再通过逆变单元，把直流电逆变成与电网电压、频率、相位相匹配的交流电送入电网逆。下面分别简单介绍主电路各部分的功能： 1电机侧功率补偿电容 由于Freqcon变流器采用被动整流模块，对于发电机而言变流器系统可以近似为一个RCD非线性负载。电机侧补偿电容的功能是为了提高对非线性负载虚功的补偿，从而使发
电机端功率因数近似为1（即发电机电压与电流同相位），从而提高系统利用率。 2二极管整流 Freqcon采用两套三相全桥不可控整流方式，将发电机发出的电压和频率不稳定的交流电变换成直流电，与全桥并联的电容起到平波的作用。由于采用的是二极管整流，能量无法双向流动，因此Freqcon变流器不能实现电机的反向拖动。二极管整流后电压与发电机转速及功率有关。 3斩波升压 风电系统中，变流器发电机侧电路的主要功能是从发电机最大可能的拉取功率，注入直流母线。这里涉及的控制问题主要有两个：控制升压电流为给定直流量，以保证发电机运行的稳定性；设定Boost电流参考，保证风力发电机工作在最大功率点附近（或按照设定功率曲线运行）。 在我们的系统中，设定Boost电流参考，保证系统工作按照设定功率曲线运行的功能由主控GH策略完成。主控根据GH策略计算得到的发电机所需扭矩×发电机转速/二极管整流后电压，即得到Boost电流设定，并通过通讯电缆将设定指令传递给变流器。 控制升压电流为给定直流量，保证发电机运行的稳定性则由这里的斩波升压电路实现。Freqcon变流器采用了boost直流升压斩波电路，斩波升压输出侧直接与网侧逆变
第35卷第16期中国电机工程学报V ol.35 No.16 Aug. 20, 2015 4184 2015年8月20日Proceedings of the CSEE ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.16.022 文章编号：0258-8013 (2015) 16-4184-14 中图分类号：TM 315 故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述 年珩，程鹏，贺益康 (浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027) Review on Operation Techniques for DFIG-based Wind Energy Conversion Systems Under Network Faults NIAN Heng, CHENG Peng, HE Yikang (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: Recently, grid-connected operations of doubly fed induction generators (DFIG) based wind energy conversion systems (WECS) under fault grids, especially the conditions of voltage dips and swells, negative sequence disturbances and harmonic distortions, have been the hot spot issues. From the viewpoint of grid codes and reliable operations, focused on the uninterrupted operation, the network support and the friendly connection, the key operation techniques of DFIG system were discussed under severe faults for a short time and light ones for a long time. Besides, the current investigation situation on the DFIG system was introduced, and then, the research tendency of DFIG system control considering the grid faults and disturbances was presented. KEY WORDS: doubly fed induction generator (DFIG); fault grid; abrupt voltage changes; negative sequence voltage disturbance; harmonic distortion; grid code 摘要：近年来，双馈感应风力发电系统在故障电网特别是电压骤变、负序扰动、谐波畸变下的运行控制技术，已成为风力发电系统中的研究热点。该文从各国风电并网规范、风机高效并网运行角度出发，列举了双馈风电机组在不脱网运行技术、电网支撑能力和友好并网技术等领域的关注焦点，探讨了电网短时严重故障和长期轻微故障中双馈风电机组运行的关键问题与核心技术，比较了现有双馈风电系统的控制方案，并预测了其发展趋势，给出了潜在的研究方向。 关键词：双馈感应风力发电机；故障电网；电压骤变；负序扰动；谐波畸变；并网规范 0 引言 随着风力发电技术及风电装备制造水平的快速发展，风能已经成为最具规模化应用前景和商业化开发潜力的可再生能源。根据我国于2012年发 基金项目：国家自然科学基金项目(51277159)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277159).布的《可再生能源“十二五”规划》的总体目标，到2015年，各类可再生能源在能源消费中的比重要达到9.5%以上，其中累计并网运行风电容量达1亿kW，海上风电为500万kW[1]。因此，促进风电产业科学发展、实现风电场的合理布局已成为我国保障能源安全和优化能源结构的重要抉择。然而，受限于可再生能源开发密集区与用电负荷中心区域的逆向分布特点，导致了处于电网末端大型风电场的电能需通过高压远距离输电走廊才能送达负荷中心[2]，这种风电能量的大规模集中输送方式易造成风电机组并网运行安全故障。近年来，甘肃玉门风电场、宁夏贺兰山风电场等大规模风电场脱网事故，暴露了大型风电场的集中接入方式给电力系统安全、稳定、高效运行带来的冲击与挑战[3-4]。 为提升电网对风电的接纳能力、规范风电机组并网运行方式，世界各国纷纷制定出台了相应的风电并网接入导则，对风电机组运行的安全性、稳定性提出了严格要求[5-8]，主要体现在以下方面：1）风电系统应能有效抵御电压骤变、负序扰动、谐波畸变等各类短时及长期电网故障；2）风电机组应为电网提供必要的电压、频率支持，增强电网稳定性。我国立足于本国电网结构、可再生能源配比等实际情况，在广泛征求风电设备制造商、风电场运营商等各方面意见的基础上，于2012年颁布实施了《风电场接入电力系统技术规定》，要求风电机组在20%的机端电压条件下实现不脱网连续运行至少625ms，同时能承受长期2%的电压不平衡度、短时4%的电压不平衡度以及4%的并网电压谐波畸变率，并为故障电网提供无功电流支持[5]。可以预见，在不久的将来，风电机组将由原来单纯自身保护的受端系统，逐渐转变为含有辅助服务功
截至2013年底，国内约30家大型风电机组整机制造企业已向国内外风电市场提供了合格的大型风电机组整机产品。2013年在我国风电场建设中，国产风电机组的市场占有率达到94%，大幅超过外资企业。其中，在国内新增总装机占比中，金风科技的份额最大，占23.31%；联合动力第二，占9.25%；广东明阳第三，占7.99%。通过对我国大型风电机组发展情况的分析，归纳出我国大型风电机组技术主要呈现如下特点。 1 水平轴风电机组是主流 水平轴风电机组的应用已近100年。由于水平轴风电机组的风轮具有风能转换效率高、传动轴较短、控制和制动技术成熟、制造成本较低、并网技术可靠等优点，近年来大型并网水平轴风电机组得到快速发展，使大型双馈式和直驱永磁式等水平轴风电机组成为国内大型风电场建设所需的主流机型，并在国内风电场建设中占到100%的市场份额。 2 垂直轴风电机组有所发展 大型垂直轴风电机组因具有全风向对风、变速装置及发电机可置于风轮下方或地面等优点。近年来相关研究和开发也在不断进行并取得一定进展，单机试验示范正在进行，在美国已有大型垂直轴风电机组在风电场运行，但在我国还无垂直轴风电机组产品在风电场成功应用的先例。 3 风电机组单机容量持续增大 近年来，国内风电市场中风电机组的单机容 我国大型风电机组技术发展情况 中国农业机械化科学研究院 ■ 沈德昌 量持续增大，2012年新安装机组的平均单机容量达1.65 MW ， 2013年为1.73 MW 。2013年我国风电场安装的最大风电机组为6 MW 。 随着单机容量不断增大和利用效率的提高，国内主流机型已从2005年的750～850 kW 增加到2014年的1.5～2.5 MW 。 近年来，海上风电场的开发进一步加快了大容量风电机组的发展。我国华锐风电的3 MW 海上风电机组已在海上风电场批量应用。3.6、4、5、5.5、6和6.5 MW 的海上风电机组已陆续下线或投入试运行。目前，华锐、金风、联合动力、湖南湘电、重庆海装、东方汽轮机、广东明阳和太原重工等公司都已研制出5～6.5 MW 的大容量海上风电机组产品。 4 变桨变速功率调节技术得到全面应用 由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳、安全高效等优点，近年在大型风电机组上得到广泛应用。结合变桨距技术的应用及电力电子技术的发展，大多数风电机组制造厂商采用了变速恒频技术，并开发出变桨变速风电机组，在风能转换效率上有了进一步完善和提高。从2012年起，国内定桨距并网风电机组已停止生产，在全国安装的风电机组全部采用了变桨变速恒频技术。2 MW 以上的风电机组大多采用3个独立的电控调桨机构，通过3组变速电机和减速箱对桨叶分别进行闭环控制。 5 双馈异步发电技术仍占主导地位 外资企业如丹麦V estas 公司、西班牙Gamesa 收稿日期：2014-11-27 通信作者：沈德昌 ，男，研究员，中国农业机械化科学研究院。shendc06@https://www.doczj.com/doc/d98800060.html,
探析储能技术在风力发电系统中的运用 随着社会的不断进步，用电需求也在不断增加。在经过多年发展之后，我国目前已经在电力领域取得了国际领先的优势，能够为公众提供更加安全稳定的电能。在经过几十年的技术积累之后，风力发电已经逐渐呈现在公众面前，能够以更低的成本发出更加高质量的电能，极大的减小对环境的破坏。风电属于清洁可再生能源，在实际应用中可以结合储能技术发挥出更大的作用。文章将对储能技术的原理以及特点进行说明，并且阐述储能技术在风力发电中的应用前景。 标签：储能技术；风力发电；应用 Abstract：With the continuous progress of society，the demand for electricity is also increasing. After years of development，China has made a leading international advantage in the field of electric power，and can provide more safe and stable electricity for the public. After decades of technology accumulation，wind power generation has been gradually presented to the public，which can generate higher quality electricity at a lower cost and greatly reduce the damage to the environment. Wind power is a kind of clean and renewable energy，which can be combined with energy storage technology to play a greater role in practical applications. The paper will explain the principle and characteristics of energy storage technology，and describe the application prospect of energy storage technology in wind power generation. Keywords：energy storage technology；wind power generation；application 随着我国对环境的保护不断重视，国家对新能源的研究投入也越来越大，并且提出了新能源振兴计划，其中风力发电因其污染小、可再生性强等特点尤其被大家关注。风力发电涉及到多方面的专业技术，要将储能技术引入到风力发电系统中，以此来更好的提高电能的质量。当前风力发电已经获得了一些应用，并且正朝着提高风电场输出功率的方向发展，预计在2020年左右，风力发电将会在我国总体发电容量中占有较大的份额。 1 储能技术的分类和特性 1.1 飞轮储能系统 飞轮储能的主要原理是利用电动機带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。目前通过超导磁悬浮技术能够有效降低损耗，采用复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。飞轮储能系统中需要使用到许多性能优秀的材料技术以及电力电子变流技术，在实际应用中能量转化过程有所消耗，最终使得整个飞轮储能系统的转化效率一般在90%左右。这种储能系统具有无污染、充放电次数无限以及维修便利的优势，已经得到了很多应用。在后来的研究中发现，在飞轮储能系统中使用积木
华北区域风力发电机组并网安全性评价标准 (试行) 国家电力监管委员会华北监管局 二○○八年十月
目录 一、华北区域风力发电机组并网安全性评价标准(试行)说明 (1) 二、必备项目 (4) 三、评分项目 (8) 1、电气一次设备 (8) 1.1、发电机组 (8) 1.3、主变压器和高压并联电抗器 (8) 1.4、外绝缘和构架 (9) 1.5、过电压保护和接地 (10) 1.6、高压电器设备 (10) 1.7、场（站）用配电系统 (12) 1.8、防误操作技术措施 (13) 2、二次设备 (14) 2.1、并网继电保护及安全自动装置 (14) 2.2、调度自动化 (16) 2.3、通信 (19) 2.4、直流系统 (22) 2.5、二次系统安全防护 (23) 2.6、风力发电机组控制系统 (23) 3、调度运行 (25) 4、安全生产管理 (26)
华北区域风力发电机组并网安全性评价标准(试行)说明 一、根据电监会《发电机组并网安全性评价管理办法》要求，风力发电机组并网安全性评价主要内容包括：风力发电机组的电气一次、二次设备、调度运行和安全生产管理。其中电气一次设备包括：发电机组、变压器和高压并联电抗器、电容器（包括无功动态补偿装置）、外绝缘和构架、过电压保护和接地、高压电器设备、站用配电系统和防误操作技术措施。电气二次设备包括：继电保护及安全自动装置、调度自动化、通信、直流操作系统、二次系统安全防护及风力发电机组控制系统。 二、根据对电网安全、稳定、可靠运行的影响程度，风力发电机组并网安全性评价内容分成“必备项目”和“评分项目”两部分。 “必备项目”是指那些如果不满足本评价标准的要求，则可能对电网的安全、稳定运行造成严重后果的项目。 “评分项目”是指除了必备项目之外，对电网安全稳定运行也会造成不良影响，应当满足本评价标准的其他项目。 三、本评价标准中，“必备项目”18条；“评分项目”包括四个评价单元，各单元应得分为：电气一次设备925分、二次设备1075分、调度运行100分、安全生产管理450分，共计2550分。
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 大型风力发电机组控制系统的安全保护功能(新编版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
大型风力发电机组控制系统的安全保护功 能(新编版) 1制动功能 制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，在硬件上主要由叶尖气动刹车和盘式高速刹车构成，由液压系统来支持工作。制动功能的设计一般按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控制器根据机组发生的故障种类判断，分别发出控制指令进行正常停机、安全停机以及紧急停机等处理，叶尖气动刹车和盘式高速刹车先后投入使用，达到保护机组安全运行的目的。 2独立安全链 系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑
设计，将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后，将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、看门狗、扭缆、24V电源失电、振动和紧急停机按钮动作。 3防雷保护 多数风机都安装在山谷的风口处或海岛的山顶上，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其控制系统最容易因雷电感应造成过电压损害，因此在600kW风力发电机组控制系统的设计中专门做了防雷处理。使用避雷器吸收雷电波时，各相避雷器的吸收差异容易被忽视，雷电的侵入波一般是同时加在各相上的，如果各相的吸收特性差异较大，在相间形成的突波会经过电源变压器对控制系统产生危害。因此，为了保障各相间平衡，我们在一级防雷的设计中使用了3个吸收容量相同的避雷器，二、三级防雷的处理方法与此类同。控制系统的主要防雷击保护：①主电路三相690V输入端（即供给偏航电机、液压泵等执行机构的前段）
12 用资源，建立统一的中小企业外部诚信信息发布平台；配合银行部门加大对中小企业进行信用评级，评价结果作为中小企业贷款时商业银行认可的信用标准和必备条件，以期降低融资成本，缩短放贷时间。 3.6 打造良好金融环境 营造“守信光荣、失信可耻”的道德氛围，大力宣传一批诚实守信的中小企业典型，同时强化公正执法环境，执法部门应加大对逃、赖、废金融债务行为的惩罚力度，为金融环境提供强大的法治保障。参考文献 [1] 白金花．中小企业融资渠道拓展探析[J]．中国高新技术企业，2010，（34）． [2] 宋德荣．我国中小企业融资问题研究[D]．中国海洋大学， 2010． [3] 姚益龙．中小企业融资问题研究[M]．北京：经济管理出 版社，2012． 作者简介：殷慧琴（1974-），女，江西吉水人，供职于江西省吉水县统计局。 （责任编辑：王书柏） 随着世界经济的不断发展和科学技术水平的不断提高，人类的生活水平也随之提高。经济发展、科学进步、人们生活水平的提高，都需要能源的大力支持，这也导致全球能源消耗的快速增长。根据相关数据显示，到2020年全球的能源消耗将再增长50%～100%。由此可以看出，能源的消耗造成的气体对地球的温室效应的影响也在不断扩大，为人类带来严重后果。 针对这一现象，人们也陷入了深思：如何才能建立一个可持续发展的社会环境？因此，节约能源也成为了各国关注的话题。人们逐步将眼光转向了清洁发电的方法。 在清洁发电的方法中，风力发电无论从技术层面，还是实际操作方面，都是最成熟的发电方法之一。相对于消耗煤炭和石油的老旧方式，风力发电既不消耗任何能源，又能减排二氧化碳等污染物，净化空气。同时，风力发电在新能源领域中，不仅可以调整电力工业结构，也是极具商业开发规模的发电方式。因此，许多国家已将风电发展作为国家可持续发展的重头戏。 1 风电发展历史与现状 第一台风力发电机的雏形形成于丹麦，虽然是电力方面的重大发展，但因技术的不完善、经济支 风力发电的发展现状与关键技术研究综述 王海峰 （广东电网公司湛江供电局，广东 湛江 524005） 摘要： 文章主要论述了国内外风电最新的发展现状和风力发电的关键技术最新研究进展，并对风电技术中的功率控制技术和风电功率预测做了重点论述。另外，在其中简要介绍了全球风电的发展概况、中国风能资源分布情况等相关内容。文章有助于对风电发展全面了解和深入掌握。关键词： 风力发电；风电技术；功率控制；风电功率预测中图分类号： TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）33-0012-03 2012年第33/36期（总第240/243期）NO.33/36.2012 （CumulativetyNO.240/243）
高等教育自学考试毕业设计（论文） 风力发电机设计题目 级机电一体化工程09专业班级 姓名高级工程师指导教师姓名、职称
所属助学单位 2011年 4月1 日 目录 1 绪论………………………………………………………………………………… 1 1.1 风力发电机简介 (1) 1.2 风力发电机的发展史简介 (1) 1.3 我国现阶段风电技术发展状况 (2) 1.4 我国现阶段风电技术发展前景和未来发展 (2) 2 风力发电机结构设计……………………………………………………………… 3 2.1 单一风力发电机组成 (3) 2.2 叶片数目 (3) 2.3 机舱 (4) 2.4 转子叶片 (5) 3 风力发电机的回转体结构设计和参数计算 (5) 3.1联轴器的型号及主要参数 (5) 3.2 初步估计回转体危险轴颈的大小 (5) 3.3 叶片扫描半径单元叶尖速比 (6) 4 风轮桨叶的结构设计……………………………………………………………… 6 4.1桨叶轴复位斜板设计 (6) 4.2托架的基本结构设计 (6) 5 风力发电机的其他元件的设计 (6) 5.1 刹车装置的设计 (6) 6 风力发电机在设计中的3个关键技术问题 (7) 6.1空气动力学问题 (7) 6.2结构动力学问题 (7) 6.3控制技术问题 (7)
7 风力发电机的分类………………………………………………………………… 7 8 风力发电机的选取标准 (8) 9 风力发电机对风能以及其它的技术要求………………………………………… 8 9.1风力发电机对风能技术要求 (8) 9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统 (9) 9.3风力电动机技术之间的能量转换 (10) 10 风力发电机在现实中的使用范例 (10) 结论 (12) 致谢 (13) 参考文献 (14) 摘要 随着世界工业化进程不断加快，能源消耗不断增加，全球工业有害物质排放量与日俱增，造成了能源短缺和恶性疾病的多发，致使能源和环境成为当今世界两大问题。因此，风力发电的研究显得尤为重要。 我国风电场内无功补偿的方式是在风电场汇集站内装设集中无功补偿装置，这造成风电场无功补偿的投资很大。文章结合实例，通过对不同发电量下风电场的无功损耗和电压波动情况进行计算，提出利用风力发电机的无功功率可基本实现风电场的无功平衡，风电场母线电压的变化是无功补偿设备选型的依据，对于发电量变化引起的母线电压变化不超出电网要求的风电场，应利用风力发电机的无功功率减小汇集站内无功补偿装置的容量，降低无功补偿的投资。 关键词：风力发电、风电场、无功补偿、电压波动
海上风力发电技术综述 1概况风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。欧美海上风电场已处于大规模开发的前夕。我国东部沿海水深50 m以的海域面积辽阔，而且距离电力负荷中心（沿海经济发达电力紧缺区）很近，随着海上风电场技术的发展成熟，风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。 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，综合来看，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。 海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风机的单机容量和每个风电场机组的台数。铺设150MW海上风电场用的海底电缆与100MW的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前海上风电场的最佳规模为120～150MW。在海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础16%、电气接入系统19%、其他14%。丹麦电力公司对海上风电场发电成本的研究表明，用国际能源局（IEA）标准方法，按目前的技术水平和20年设计寿命计算，估测的发电成本是0.36丹麦克朗（人民币0.42元或0.05美元）/kWh。如果寿命按25年计算，还可减少9%。 海上风电场的开发主要集中在欧美地区，其发展大致可分为5个不同时期： ①1977～1988年，欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究；② 1990～1998年，进行欧洲级海上风电场研究，并开始实施第1批示计划；③ 1991～1998 年，开发中型海上风电场；④ 1999～2005年，开发大型海上风电场和研制大型风力机；⑤ 2005年以后，开发大型风力机海上风电场。 2海上风环境 一般说来海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10km的海上风速比岸上高25%以上。 2 1 风速剖面图海面的粗糙度要较陆地小的多，因此风速在海平面随高度变化增加很快，通常在安装风机所关注的高度上，风速变化梯度已经很小了。因此通过增加塔高的方法增加风能的捕获在某种程度上不如陆地有效。由于海上风边界层低，所以海面上塔高可以降低。陆地与海上风速剖面比较如图1所示。
1．总体设计 一、气动布局方案 包括对各类构形、型式和气动布局方案的比较和选择、模型吹风，性能及其他气动特性的初步计算，确定整机和各部件（系统）主要参数，各部件相对位置等。最后，绘制整机三面图，并提交有关的分析计算报告。 二、整机总体布置方案 包括整机各部件、各系统、附件和设备等布置。此时要求考虑布置得合理、协调、紧凑，保证正常工作和便于维护等要求，并考虑有效合理的重心位置。最后绘制整机总体布置图，并编写有关报告和说明书。 三、整机总体结构方案 包括对整机结构承力件的布置，传力路线的分析，主要承力构件的承力型式分析，设计分离面和对接型式的选择，和各种结构材料的选择等。整机总体结构方案可结合总体布置一起进行，并在整机总体布置图上加以反映，也可绘制一些附加的图纸。需要有相应的报告和技术说明。 四、各部件和系统的方案 应包括对各部件和系统的要求、组成、原理分析、结构型式、参数及附件的选择等工作。最后，应绘制有关部件的理论图和有关系统的原理图，并编写有关的报告和技术说明。五、整机重量计算、重量分配和重心定位 包括整机总重量的确定、各部分重量的确定、重心和惯量计算等工作。最后应提交有关重量和重心等计算报告，并绘制重心定位图。 六、配套附件 整机配套附件和备件等设备的选择和确定，新材料和新工艺的选择，对新研制的部件要确定技术要求和协作关系。最后提交协作及采购清单等有关文件。总体设计阶段将解决全局性的重大问题，必须精心和慎重地进行，要尽可能充分利用已有的经验，以求总体设计阶段中的重大决策建立在可靠的理论分析和试验基础上，避免以后出现不应有重大反复。阶段的结果是应给出风力发电机组整机三面图，整机总体布置图，重心定位图，整机重量和重心计算报告，性能计算报告，初步的外负载计算报告，整机结构承力初步分析报告，各部件和系统的初步技术要求，部件理论图，系统原理图，新工艺、新材料等协作要求和采购清单等，以及其他有关经济性和使用性能等应有明确文件。 2．总体参数 在风轮气动设计前必须先确定下列总体参数。 一、风轮叶片数B 一般风轮叶片数取决于风轮的尖速比λ。目前用于风力发电一般属于高速风力发电机组，即λ＝4-7 左右，叶片数一般取2—3。用于风力提水的风力机一般属于低速风力机，叶片数较多。叶片数多的风力机在低尖速比运行时有较低的风能利用系数，即有较大的转矩，而且起动风速亦低，因此适用于提水。而叶片数少的风力发电机组的高尖速比运行时有较高的风能利用系数，且起动风速较高。另外，叶片数目确定应与实度一起考虑，既要考虑风能
储能技术在风力发电系统中的应用综述 根据新能源振兴规划，预计到2020年我国风力装机容量将达到1.5亿kW，将超过电力总装机容量的10%。从电网运行的现实及大规模开发风电的长远利益考虑，提高风电场输出功率的可控性，是目前风力发电技术的重要发展方向。将储能技术引入风力发电系统能有效地抑制风电功率波动、平滑输出电压、提高电能质量，保证风力发电并网运行。 1、储能技术的分类 储能技术分为电磁储能、物理储能、电化学储能和热储能等4类，如图1所示。 超导储能 电磁储能 超级电容器储能 抽水储能 物理储能压缩空气储能 储能技术飞轮储能 氢储能 电化学储能液流电池铅酸电池 电池锂离子电池 热储能钠硫电池 图1. 储能技术的分类 1.1 超导储能技术 超导储能系统(SMES)利用超导体制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，需要时再将储存的能量送回电网。 超导储能技术的优点是：○1、储能密度高约（108J/m3）且能长时间无损耗的储能，而蓄电池储能重复次数一般在千次以下；○2、能量的释放速度快，功率输送时无需能源形式的转换，响应速度快（ms 级），转换效率高（>96%），比容量（1~10kWh/kg）和比功率
（104~105kW/kg）大；○3、超导储能线圈的储能量与功率调节系统的容量，可独立的在大范围内选取。可调节电网电压、频率、有功和无功功率，实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿；○4、超导储能装置使用寿命长；○5、超导储能装置可不受地点限制，且维护简单、污染小。 与其他储能技术相比，超导储能仍很昂贵，除了超导体本身的费用外，维持系统低温导致的维修频率提高以及产生的费用也相当可观。 1.2 超级电容器储能技术 超级电容器（Supercapacitor）是一种新兴的储能元件，功率密度大、储能效率高、安装简易，能够适应不同的环境而无需维护，可以单独储能，可以与其它储能装置混合储能。超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用源，以提高供电的稳定性和可靠性，实现电能的平衡、稳定控制口。 1.3 抽水蓄能 抽水蓄能装置（Pumped Hydro Storage）是指在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放的能源储存方式。抽水蓄能是现在最成熟的储能技术，全球共有300 个超大抽水储能系统，虽然地理条件限制，绝大多数风电场不具备建抽水蓄能电站的条件，但是抽水储能仍是应用风电场的最好方案。 1.4 压缩空气储能(CAES) 压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电，满足系统调峰需要。 1.5 飞轮储能系统 飞轮储能单元是一种基于机电能量转换的储能装置，其基本工作原理是：飞轮储能(FESS)是一种机械储能方式，飞轮被放置在真空中，其基本原理是“充电”时将电能转换成飞轮运动的动能，并长期蓄存
IEC61400-1第三版本2005-08 风机-第一分项：设计要求 1.术语和定义 1.1声的基准风速acoustic reference wind speed 标准状态下（指在10m高处，粗糙长度等于0.05m时），8m/s的风速。它为计算风力发电机组视在声功率级提供统一的根据。注：测声参考风速以m/s表示。 1.2年平均annual average 数量和持续时间足够充分的一组测试数据的平均值，用来估计均值大小。用于估计年平均的测试时间跨度应是一整年，以便消除如季节性等非稳定因素对均值的影响。 V annual average wind speed 1.3年平均风速 ave 基于年平均定义的平均风速。 1.4年发电量annual energy production 利用功率曲线和在轮毂高度处不同风速频率分布估算得到的一台风力发电机组一年时间内生产的全部电能。假设利用率为100%。 1.5视在声功率级apparent sound power level 在测声参考风速下，被测风力机风轮中心向下风向传播的大小为1pW点辐射源的A—计权声级功率级。注：视在声功率级通常以分贝表示。 1.6自动重合闸周期auto-reclosing cycle 电路发生故障后，断路器跳闸，在自动控制的作用下，断路器自动合闸，线路重新连接到电路。这过程在约0.01秒到几秒钟内即可完成。 1.7可利用率（风机）availability 在某一期间内，除去风力发电机组因维修或故障未工作的时数后余下的小时数与这一期间内总小时数的比值，用百分比表示。 1.8锁定（风机）blocking 利用机械销或其它装置，而不是通常的机械制动盘，防止风轮轴或偏航机构运动，一旦锁定发生后，就不能被意外释放。 1.9制动器（风机）brake 指用于转轴的减速或者停止转轴运转的装置。注：刹车装置利用气动，机械或电动原理来控制。 1.10严重故障（风机）catastrophic failure 零件或部件严重损坏，导致主要功能丧失，安全受到威胁。 1.11特征值characteristic value 在给定概率下不能达到的值（如超越概率，超越概率指出现的值大于或等于给定值的概率）。
摘要 自然风的速度和方向是随机变化的，风能具有不确定特点，如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术的一个重要课题。迄今为止，已提出了多种改善风力品质的方法，例如采用变转速控制技术，可以利用风轮的转动惯量平滑输出功率。由于变转速风力发电组采用的是电力电子装置，当它将电能输出输送给电网时，会产生变化的电力协波，并使功率因素恶化。 风能利用发展中的关键技术问题风能技术是一项涉及多个学科的综合技术。而且，风力机具有不同于通常机械系统的特性：动力源是具有很强随机性和不连续性的自然风，叶片经常运行在失速工况，传动系统的动力输入异常不规则，疲劳负载高于通常旋转机械几十倍。 本文通过对风力发电机的总体设计，叶片、轮毂机构的设计，水平回转机构的设计，齿轮箱系统的设计，以达到利用风能发电的目的，有效利用风能资源，减少对不可再生资源的消耗，降低对环境的污染。 关键词：风能；风力发电机；叶片；轮毂；齿轮箱
Abstract Natural wind speed and direction of change is random, wind characteristics of uncertainty, how to make wind turbine output power stability, wind power technology is an important subject. So far, have raised a variety of ways to improve the quality of the wind, such as the use of variable speed control technology, can make use of wind round the moment of inertia smooth power output. Because variable speed wind power group using a power electronic devices, when it will transfer to the output of electric power grids, will change in the wave's power, and power factor deterioration. Use of wind energy in the development of key technical issues involved in wind energy technology is one of a number of integrated technical disciplines. Moreover, the wind turbine is usually different from the mechanical system characteristics: a strong power source is not random and continuity of the natural wind, the leaves often run in the stall condition, the power transmission system very irregular importation, fatigue load than Rotating Machinery usually several times. Based on the wind turbine design, leaves, the wheel design, level of rotating the design, gear box system design, use of wind power to achieve the objective of effective use of wind energy resources, reduce non-renewable resources Consumption, reduce the environmental pollution. Key words: wind power；wind power generators；blade；wheel；Gearbox
风力发电系统中储能技术的研究 发表时间：2018-09-17T15:37:22.667Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：张亚云[导读] 摘要：在这个阶段，随着社会经济的不断发展，资源短缺问题越来越严重，新能源的发展已成为人们关注的焦点。 北京天润新能投资有限公司西北分公司新疆乌鲁木齐 830000 摘要：在这个阶段，随着社会经济的不断发展，资源短缺问题越来越严重，新能源的发展已成为人们关注的焦点。因此，很多国家都很早就开始探索新能源，取得了很好的效果。在风力发电方面，风电高度随机，风电来源缺乏稳定性。这是使用风力发电的瓶颈问题。为了解决风力不稳定问题，必须采用储能技术来提高风力发电的稳定性和可靠性。 关键词：风力发电、储能技术、研究 引言：风力发电是将风能作为大规模清洁能源的最有效方式，它不仅可以改善能源结构，而且可以减少对环境的污染，因此，在日益突出的环境问题上，风电技术也得到了迅速发展。随着发展，大型和大容量风电场已在全球范围内投入生产，对于风力发电系统，储能技术的重要作用主要体现在以下几个方面：一是提高风电系统的稳定性，解决风能资源稳定性差的问题；其次，风力发电系统的稳定运行可以保证整个电网系统的稳定性，确保电力输出的稳定性，可以提供大规模的能源支持。最后，储能技术还可以确保电力系统中存储足够的电力，为人们提供持续，稳定的电力支持。 1储能技术的分类 储能技术主要包括四大类：电磁储能，物理储能，电化学储能和热能储存，电磁能量存储包括超导能量存储和超级电容器能量存储。物理储能包括抽水蓄能，压缩空气储能和飞轮储能，电化学储能包括储氢，液流电池。 1.1 电磁储能。超导储能技术主要是利用超导体制成的线圈来储存电网励磁产生的磁场，并将储存的能量在正确的时间送回电网。超导储能技术具有能量储存密度高，长期无损储能，能够快速释放能量，能够在大范围内独立选择，使用寿命长的特点，超导储能装置不受位置限制维护简单，污染低。当然，超导储能技术的缺点在于其成本高昂，超级电容储能技术是一种新型的储能装置。具有功率密度大，储能效果好，安装方便等特点，它是免维护的，可以单独使用或与其他储能装置组合使用。 1.2 物理储能。抽水蓄能主要用于在电力负荷低负荷期将水从下水库泵送至上池水库，将电能转化为重力势能，并在电网高峰负荷期间释放能量。到目前为止，抽水蓄能技术已被应用于最为成熟，是风电场储能方案的最佳应用。压缩空气储能主要利用电力系统负荷低时的剩余电量来驱动空压机，将空气压入大容量封闭的地下溶洞，并将压缩空气转化为压力势能储存在储气室。飞轮储能系统属于机械能方法。它主要将电能转换成飞轮在“充电”期间的动能并存储。当需要电力时，飞轮的动能转化为电能。储能方式不适合风电场。但是，它可以快速抑制风力发电的快速波动，因此可以与其他储能系统结合使用。 1.3 电化学储能。电化学储能技术包括氢燃料电池，全钒液流电池，铅酸电池，锂离子电池和钠硫电池。当风能无法充分利用时，氢燃料电池将这些多余的能量转化为氢气用于储存。氢燃料电池将燃料的化学能直接转换成电能，全钒液流电池是液流电池发展的主流。该技术可以达到兆瓦级水平，因此主要用于大型风电场。铅酸蓄电池在储能技术上更加成熟，历史悠久。产品主要密封，免维护，储能容量可达20MW。与其他储能技术相比，铅酸蓄电池的制造成本更低，可靠性更高，能量密度适中，是电力系统中应用最广泛的蓄电池。锂离子电池是磷酸铁锂电池发展的主流，其成本较低，且环境小，因此风电的应用前景广阔。钠液流电池是当前报告的大容量蓄电池，具有良好的发展前景。 2风力发电的储能技术的研究现状 2.1低电压穿透能力在风电系统中的提高。风电技术中低压普及的发展一直是关键因素，对于系统稳定系统而言，这也是风力发电技术发展中的重要挑战之一。从两个级别的风力涡轮机和风力农场工作是一种改善低电压穿透的方法，有两种方法可以提高风机工作水平低压的渗透率：首先，改进控制方法，其优点是不需要添加其他附加设备，因此该方案实施起来更简单；缺点是电网故障引起的暂态能量不平衡，改进后的方案不能从根本上解决瞬时能量不平衡问题，难以达到预期的效果。其次，添加硬件设备。优点是有很多方法来实现这种方法；缺点是附加成本会显着增加。增加硬件设备是风电场故障穿越能力的有效方法。 2.2平衡抑制风力发电产生功率的波动。风电出力波动是电网稳定，电能质量和经济动员的根本原因之一，因此，在使风力发电系统发挥作用的情况下，需要将不确定风速的变化对风力发电系统的输出的影响抑制为最小限度，并且控制风力发电的输出的功率的变化通过合理引入ESS并制定相应的控制策略。为了达到上述目的。通过大量的研究，可以看出，对于风电的波动，ESS可以用来稳定风电机组和风电场的风电波动。从其独立的角度来看，超级电容器与风力发电系统中的独立DC并行使用。在母线上，为抑制风电机组功率的波动，采用模糊理论对现象进行调节和控制。通过实验验证，风力发电系统中风力涡轮机的预测可能在很大程度上干扰了拟议策略的实际控制结果。风力发电系统中的大型风电场的单个单元受到塔阴影效应和尾流效应的影响。预测风力发电机的输出量非常困难，实际实施起来非常困难。因此，在风电场层面，在上述中，在用于存储能量的装置中，选择并联连接的方法以连接到DC总线，同时，该方法通过测试和检验是可行的。 3储能技术在风力发电系统中的应用 3.1储能设备的接入。储能技术在风力发电系统中的应用，可以提高整个系统的稳定性，降低电力公司的投资成本，为公司带来更大的经济效益，为此，我们必须积极开发和应用有效的储能技术。如果要采用储能技术，首先要连接储能设备，使储能设备成为风电系统的重要组成部分。在获取之前，要充分了解当地风资源的特点，必须明确电力公司自身的情况和条件，根据实际需要选择不同的储能装置，以预留多余的风资源，提高稳定性的电力系统，风资源不足时投入使用，实现电能的稳定输出。 对于风力发电系统的储能技术，可根据结构形式的差异对储能技术进行合理分类。具体而言，根据不同的储能结构，储能技术可分为分布式和集中式两种。首先，分布式储能设备安装在风力涡轮机的位置，每台发电机安装储能设备以确保稳定供电。虽然这种方法能够有效提高供电质量和水平，但也存在一些不可避免的缺陷：但是，使用这种技术会增加能源的能量，必须使用先进的转换器和储能装置来满足需求，许多电力公司在这方面不具备条件，这也限制了这项技术的进一步推广。 3.2分布式储能技术的应用。在风力发电系统中，存在直流环节，如果您想使用分布式储能技术，则需要连接直流母线和电容。如果风力不够，可以使用储能设备补充直流母线和直流侧变速器的功率，然后通过变流器传输到电网，从而提高系统的稳定性。如果风电上升，剩余的能源也可以送到直流侧，这些电能可以传输到储能装置，充分利用电能资源。