第二章风力发电机组的选型与部件运输

风力发电机组安装·运行·维护第二章风力发电机组的选型与部件运输•2.1风力发电机组的选型•2.2风力发电机组部件的运输2.1.1风力发电机组选型的意义2.1.2风力发电机组选型的原则2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素2.1风力发电机组的选型1、风力发电机组的价格是决定风力发电场投资多少的决定性因素。2、风力发电机组选型的好坏不仅影响风力发电场投资的多少，还影响投产后的发电量和运行成本，最终影响上网电价。因此，在风力发电项目固定资产投资中，风力发电机组的选型具有总要意义。2.1.1风力发电机组选型的意义风力发电特点：1、风力发电的输出受风力发电场的风速分布影响；2、风力发电虽然运行费用较低、建设工期短，但建场的一次性投资大；3、风力发电项目需要较长的资本回收期，投资风险大。风力发电设备选型同时决定了建场投资和发电量，风机选型就是要在这两者之间选择一个最佳配合，这就是风力发电机组与风力发电场的优化匹配。2.1.1风力发电机组选型的意义二、风力发电机组选型的原则1、性能价格比最优以最低的价格购买到性能、质量最好的风力发电机组产品。2、发电成本最小为指标考虑了发电机投入和产出的效益在一些特殊情况下，如果风力发电机组的发电量间的相差不大，则风力发电机组选型时发电成本最小原则就可转化为容量系数最大原则。2.1.2风力发电机组选型的原则（一）与风能资源有关的因素（二）与风力发电机组类型有关的因素（三）风力发电机组单机容量大小的影响（四）风力发电机组的低电压穿越能力（五）经济因素2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素（一）与风能资源有关的因素1、与风力发电机组额定风速的关系风力发电设备选型的一个重要技术指标就是确定其额定风速。理论推荐值：陆地上额定风速为12-13m/s，海上额定风速：15-16m/s不同风力发电机组的出力差别主要集中在额定风速以下的区间，因此对额定风速的确定直接关系到风力发电机组的出力指标风力发电机组的额定风速与风力发电场的年平均风速越接近，则风力发电机组的满载发电率越高。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素2、与风力发电机组的极限风速的关系风力发电设备选型的另一个重要技术指标就是确定其极限风速，它主要关系到风力发电机组的安全性。若风力发电场的极限风速超过风力发电机组的极限风速，则风力发电机组可能被破坏。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素2003年9月2日超强台风“杜鹃”对风电场造成的破坏2006年8月10日超强台风“桑美”对风电场造成的破坏2006年8月10日超强台风“桑美”对风电场造成的破坏2、与风力发电机组的极限风速的关系（1）保证风力发电机组在风力发电场的极限风速下不会破坏，机组的结构强度和刚度都必须按极限风速的要求进行设计。（2）若盲目追求安全性，不恰当地选择极限风速过高的风力发电机组产品，则会毫无意义地增加投资。在考虑极限风速时，安全性和投资是相互矛盾的，因此必须综合考虑当地历史气象数据并结合风场综合考虑。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素3、与风力发电机组的切出风速的关系切出风速——风力发电机组并网发电的最大风速，超出此风速机组将切出电网。由额定风速到切出风速之间风力发电机组处于满功率发电状态，选择切出风速高的产品有利于多发电。切出风速高的产品在额定风速到切出风速的控制增加需要增加投入，投资者必须根据风力发电场的风能资源特点综合考虑利弊得失。一般情况下，若发电场在切出风速前的一段风速出现概率大于50%，则选择切出风速高的产品较好。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素（二）与风力发电机组类型有关的因素1、定桨距与变桨距（轮毂与叶片的连接方式）2、被动失速与主动失速（输出功率控制方式）3、恒速恒频与变速恒频（风电机组运行方式）2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素1、定桨距与变桨距定桨距风电机组——叶片安装好以后不能转动，靠叶片的失速来调节功率的输出，额定风速较高。优点：（1）机械结构简单，易于制造；（2）控制原理简单，易于实施；（3）故障率较低。缺点：（1）额定风速高，风轮转换效率低；（2）转速恒定，机电转换效率低；（3）叶片复杂，重量大，制造较难，不宜作大容量风机。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素1、定桨距与变桨距变桨距风电机组——三个叶片可以根据风速大小转动，使风对叶片的攻角始终保持最佳角度，提高了风轮转换效率。变桨距技术主要解决了风能转换效率低的问题。优点：（1）提高了风能转换效率,更充分利用风能；（2）叶片相对简单，重量轻，利于造大型风机。缺点：（1）变桨机构复杂，控制系统也较复杂；（2）出现故障的可能性增加。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素定桨距风电机组1、适合于在野外缺少维护的环境下工作；2、适用于中小功率风电系统，通常不大于1000kW；3、强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。变桨距风电机组1、适用于大功率发电场合，通常大于1000kW；2、减小发电机电磁转矩脉动和机械承受的应力，减轻机械强度要求，又称“弹性”风力发电；3、在强风来时倾角控制器才工作，对倾角控制的响应速度大大降低、动作次数显著减少、机构寿命得以延长。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素定桨距与变桨距（轮毂与叶片的连接方式）结论：国内现在MW级以上风力发电机基本采用变桨距连接方式。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素2、被动失速与主动失速被动失速——无变桨轴承，叶片无法变桨。通过叶片的气动设计，在大风速下，叶片气动性能变差，确保机组在不同风速下，功率仍可以在一个稳定的范围内。定桨距风力发电机组即采用被动失速原理。主动失速——叶片通过变桨轴承连接到轮毂，可以根据风速的大小调整当前桨矩角，保证风力机稳定运行在额定转速和转矩下，确保输出功率的稳定。变桨距风力发电机组即采用主动失速原理。主动失速调节型——结合了被动失速和主动失速的优点，桨叶采用具有失速特性的气动设计，调节系统采用变桨距调节。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素主动失速调节型调节方法：1、启动阶段：变桨距系统控制发电机转速，使发电机转速保持在同步转速附近；2、低风速：调节发电机反向转矩使转速跟随风速变化，保证获得最大风能；3、额定风速：变桨距与变速共同调节，保证发电机功率输出的稳定性。4、较强风速以上：变桨距系统顺桨，控制发电机转速，保证发力发电机组安全性。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素被动失速与主动失速（输出功率控制方式）结论：两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。变速变桨距机型（主动失速）比定速定桨距机型（被动失速）更具优越性，它不仅能在低风速时能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；也能在高风速时根据风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。从目前市场情况看，采用变桨距调节方式（主动失速）的风电机组居多。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素3、恒速恒频与变速恒频恒速恒频——叶片转速恒定，输出频率与电网同步。优点:控制简单，可靠性好。缺点:由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力发电机组经常工作在风能利用系数较低的点上，风能得不到充分利用。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素变速恒频——将风轮的转速是可变的，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。优点：机—电转换效率高。缺点：1、电机结构较为复杂；2、风轮转速和电机控制较难。结论：变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极永磁同步发电机。变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳，从而最大限度的利用风能，提高风力发电机组的运行效率，因此利用较多。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素（二）与风力发电机组类型有关的因素现在国内采用最多的是：变桨变速风电机组变桨变速风电机组——将变桨和变速恒频技术同时应用于风电机组，使其风能转换效率和机电转换效率都同时得到提高。变桨变速风电机组的优缺点优点：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。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素（三）风力发电机组单机容量大小的影响随着单机容量的增加或减少，单位千瓦的造价都会有一定程度的增加。单机容量大的机组的风轮直径、塔架高度、设备重量都会增加，导致机组成本增加。单机容量小的风力发电机组研发时间早，技术成熟0.62.5单机容量/MW2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素（四）风力发电机组的低电压穿越能力定义：低电压穿越LVRT(LowVoltageRideThrough)是指当电网故障或扰动引起的风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。风力发电机组的低电压穿越能力是风力发电机组选型的一个重要指标。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素低电压穿越的必要性电网发障出现电压跌落时，一般采取切除风电机组的方法来处理：1、风电装机比例较低时，允许风电场在电网发生故障及扰动时切除，不会引起严重后果。2、风电装机比例较高时，在高风速期间，大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化，甚至可能引起大面积的停电，带来频率的稳定问题。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素风力发电在世界范围内得到了迅猛的发展，风力发电系统对电网的影响也越来越受到关注。目前，风力发电技术领先的国家已相继定量的给出了风力发电系统的低电压穿越的要求。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素丹麦——双重电压降落特性是并网要求的一部分。要求：1、单相短路100ms后间隔1s再发生一次新的100ms电压降落时要求也不发生切机。2、两相短路100ms后间隔300ms再发生一次新的100ms短路时不发生切机。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素德国——低电压穿越要求要点：1、仅当电网电压在时间或数值上处于图示曲线下方时，风机才允许解列；在曲线以上区域，风机应保持并网，等待电网恢复。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素德国——低电压穿越要求要点：2、有功输出在故障切除后立即恢复并且每秒钟至少增加额定功率的20%。阴影区域中，有功功率每秒钟可以增加额定功率的5%。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素德国——低电压穿越要求要点：3、当电压位于图中阴影区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑，帮助电网恢复。当电压跌落到15%～45%时，要求风机一直提供无功支持，并应能保持并网至少625ms，在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网运行。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素中国低电压穿越要求1、风电场并网点电压在发生跌落后的3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场的风电机组保持并网运行。2、风电场内的风电机组具有在并网点电压至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素风力发电机组的低电压穿越能力因为关系到电网的安全运行，所以电网公司专门制定了风力发电机组的低电压穿越能力并网标准，以提高风力发电机组并网门槛的办法来保障电网的安全。因此低电压穿越能力是衡量风力发电机组并网性能的重要指标。定桨距恒速恒频机组：低电压穿越能力很差变桨距双馈变速恒频机组：低电压穿越能力居中变桨距直驱变速恒频机组：低电压穿越能力较好2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素（五）经济因素风力发电机组选型的主要经济指标是上网电价、固定资产投资和设备的利用率。1、风力发电机组的有效运行时间因自然条件限制，风力发电机的容量系数始终小于1，所以在选型过程中应力求在同样风资源情况下，选用发电量最大的机型。只有当风力发电场的平均风速等于风力发电机组的额定风速是，风力发电机组的有效利用时间才能比较长，机组的利用率才会比较高。2.1.3影响风力发电机组选型的主要因素2、上网电量上网电量即风力发电机组的出力问题。一个风力发电场采用统一机型