变速恒频风力发电关键技术研究

发表时间：2018-06-07T10:41:35.750Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：李琳[导读] 摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。

（大唐新能源黑龙江公司 150038）摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。

关键词：变速恒频；风力发电；技术研究前言：根据我国目前生态建设和可持续发展的需要，大力开发可再生能源已经成为了当下应用能源的新型趋势，而风能正是符合这一需求的可再生绿色能源。风力发电技术早在上个世纪就开始进行研究和应用，但是在一定程度上机组性能尚不完善，关键技术的研发未有突破，导致了风能利用率较低。在近些年逐步发展的变速恒频风力发电技术在一定程度上可以对此改善，在技术研究上也有了新突破。

1.风力发电的技术分析 1.1恒速恒频风力发电机组分析

恒速恒频风力发电机组是一种运行后叶轮不能根据风速的变化而发生变化的，是由电网频率决定的风轮转速和电能频率在运行时基本保持不变的风电机组。主要发展于上世纪八十年代和九十年代之间，曾经被我国广泛应用于风力发电，并在此期间不断被研究者优化的一种风力发电形式。恒速恒频风力发电机组最开始的容量只有几十千瓦级，逐步发展为兆瓦级，并且有着一系列优点，例如：性能稳定、操作简便等，但仍属于非智能操作系统。

在恒速恒频风力发电机组中，由两种较为常用的控制方式：主动失速控制和定桨距失速控制。其中，主动失速控制是应用于大容量机组的一种控制方式，这种控制方式可以使机组具有稳定的输出功率，也会有部分机组采用定桨距失速控制，但是，该方式的输出功率不稳定还会造成一定程度上的齿轮箱磨损。

在恒速恒频风力发电系统中，由于外界风速变化无常，但风力发电机本身的转速不会改变，就会造成数据的不准确，风机效率低下等状况。在风力发电中，要提高风力发电系统的发电效率是首要任务，在整个过程中捕获最大风能是要点，所以发电系统一直在向着目标改进发展。随着科学技术的发展，在风力发电方面也有了明显的突破，正如近年来慢慢发展并强大的变速恒频风力发电系统。

1.2变速恒频与恒速恒频的对比分析

变速恒频风力发电机组是当今的主流风力发电机组，是二十世纪末期发展起来的一种高效的风力发电方式。与恒速恒频风力发电机组相比，变速恒频风力发电机组有明显的优势。变速恒频风电机组可以应对不同风速大小，在不同风速下进行自身调节，最大化捕捉风能，提高风能的利用率。恒速恒频发电机组在遇到较大风力时，自身产生的较大电流会使自身结构遭到损害。变速恒频风力发电机组本身可以根据外界风速的变化进行自身调节，减少因力的相互作用而导致装置内部结构遭到破坏的现象，从而大大延长了机组的使用寿命。不仅如此，变速恒频风力发电机组主要是通过对内部转子交流励磁电流幅值、频率以及相位的控制，实现在变速下对于频率的恒定控制，，这种控制方式还可以达到对输出功率的控制，使装置运行更加灵活，以便于整个机组的运作。

2.变速恒频风力发电的关键技术分析 2.1变速恒频风力发电工作原理

在变速恒频风力发电机组中，主要的三个部，分是风力机、发电机和辅助构件。变速恒频风力发电的基本工作原理是风力机构件中的叶轮吸收风能，在风能的作用下发生转动，使之转化为机械能，而后，叶轮的转动带动齿轮箱工作，产生机械能，再将产生的机械能通过发电机转化为电能，并经过一定转化输入电网，再由电网对各个用户进行传输。

目前的变速风力发电系统完全实现了机械自动化，属于智能运作系统，不需要人工调节，可以根据风速风力进行自身调节，适应外界变化。对于变速恒频发电机组而言，在额定风速以上运行时，可以使叶轮上的载荷控制在安全值内，并且，有效的调节风电机组吸收的能量。风力机的叶轮由于质量较大，具有较大的惯性，在变桨控制产生作用时，叶轮不会及时发生变化，通常情况下会滞后一定时间才能有所表现，这一情况很容易使功率有大幅度的波动。所以，在额定风速上运行时，需要用发电机转矩来进行快速的调节，来保证输出稳定的能量。当机组处于额定风速以下时，可以通过提高对发电机转矩的控制，使机组变速运行，以达到提高能量转换率的目的。

2.2变速恒频发电系统

交流励磁双馈发电系统：这种发电系统内部的主要结构有叶轮、齿轮箱、发电机、四象限变频器、交流励磁控制器、检测装置以及风力发电控制器等，其内部还存在滑环和电刷。馈电方式为装置内部转子绕组通过交流—交流的方式或是交流—直流—交流方式的变频器提供相关数据可以调节的电源，定子绕组接电网。交流励磁控制器还可以通过对于转子变频器输出的电压、幅值、相位以及频率的控制来调节转矩和定子的无功功率。在装置中，变频器提供给转子低频旋转磁场，且满足公式：ω1=ωs±ωr。其中ω1代表定子磁场同步转速，ωs代表整个磁场旋转速度，ωr代表转子机械旋转速度。

无刷双馈发电系统：这种电力系统的深入研究始于上世纪七十年代末，在此期间的几十年中，主要由美国Wisconsin大学、Ohio州立大学等高等院校对无刷双馈发电系统进行深入研究。其内部结构主要有电网、功率绕组、控制绕组、变频器、无刷电机、风力机等。在其内部定子上，一般有两套三相对称绕组，一个为主绕组，一个为副绕组。一般由工频交流电源直接为主绕组供电，如果副绕组短路，系统能够在异步运行方式下运作。无刷双馈发电系统内部的转子一般分为磁阻转子和笼形转子两类，其中，磁阻转子以ALA型较为常见，笼形以笼形短路绕组转子较为常见。

在风力发电系统的研究中表明，无电刷和滑环的发电转子在应用中更为稳定耐用，可靠性强。并且，发现在所有的发电系统研究中双馈型有刷及无刷的变速恒频控制在性能上都较为优越，较为常用，可以在此结论的基础上进一步对于双馈型变速恒频空间展开研究，进一步发展我国变速恒频风力发电的应用。

3.结语

定距桨变距桨与风力发电机组

桨距螺旋桨的桨叶都与旋转平面有一个倾角。假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为浆距。显然，桨叶的角度越大，浆距也越大，角度与旋转平面角度为0，浆距也为0。这个“距”，就是桨叶旋转形成的螺旋的螺距。桨距指的是直升机的旋翼或固定翼的螺旋桨旋转一周360 度，向上或向前行走的距离（理论上的）。就好比一个螺丝钉，您拧一圈后，能够拧入的长度。桨距越大前进的距离就越大，反之越小！然而要测量实际桨距的大小是比较困难的，所以一般固定翼飞机使用桨距不变的螺旋桨上都会标明其直径和桨距的大小（单位以英寸居多），以便于和合适的发动机配套使用。绝大多数的固定桨距的直升机桨一般是专为某一级别的飞机定制的，所以只标明直径。可变桨距直升机可以非常容易的通过测量桨叶的攻角（迎风角度）大小来体现桨距的大小，和变化幅度。 l 定桨距失速调节型风力发电机组定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速69 ，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/ 小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶县有较高的气动效率，提高发电机的运行效率。失速调节型的优点是失速调节简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。其缺点是叶片重晏大（与变桨距风机叶片比较），桨叶、轮载、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。 2 变桨距调节型风力发电机组变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45”，当转速达到一定时，再调节到0“，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用 OptitiP 技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，优化输出功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的较为轻巧。桨距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 3 主动失速调节型风力发电机组

变速恒频双馈风力发电机的主要优点和基本原理

变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究变速恒频发电技术变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。

变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真

变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真刘军,何玉林,李俊,黄文 (重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030) 摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。 0 引言风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。 1 基本的变速变桨距控制策略如图1所示,在转速转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时改变相同的角度[7 8] 。在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需对整个风电机组额定点进行重新选取。图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system 从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风 82 第35卷第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011

变桨距风力发电机组的运行状态

变桨距风力发电机组的运行状态从空气动力学角度考虑。当风速过高时，只有通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的角度，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，才能使功率输出保持稳定。同时，风力机在启动过程中也需要通过变距来获得足够的启动转矩。变桨距风力发电机组根据边距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。 1）启动状态变距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直接到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始启动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整节距角，进行所谓的速度控制。为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨距系统可以在一定时间内保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。虽然在主电路中也采用了软并网技术，但由于并网过程的时间短，冲击小，可以选用容量较小的晶闸管。为了使控制过程比较简单，早期的变桨距风力发电机在转速达到发电机同步转速前对桨叶节距并不加以控制。在这种情况下，桨叶节距只是按所设定的变桨距速度，将节距角向0°方向打开，直到发电机转速上升到同步转速附近，变桨距系统才开始投入工作。转速控制的给定值是恒定的，即同步转速。转速反馈信号与给定值进行比较。当转速超过同步转速时，桨叶节距就迎风面积小的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。当转速在同步转速附近保持一定时间后发电机即并入电网。 2）欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态下运行。与转速控制道理相同，在早期的变桨距风力发电机组中，对欠功率状态不加控制。这时的变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动性能。 3）额定功率状态当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入

风电发展的关键技术研究

风电发展的关键技术研究风电行业的兴起是全球能源与资源紧张的必然趋势，同时也是全球对清洁能源的迫切需求，风电作为清洁能源之一受到了各国政府的重视和发展。文章从四个方面讲述了风电发展的关键和核心技术：叶片技术、齿轮技术、轴承技术与控制技术。标签：风电；关键技术；机电；控制我国的常规资源比较缺乏，而风能资源比较丰富，从对环境污染更小的角度来看，风电是无污染能源，清洁能源。到2020年国内用电需求将达到4亿千瓦的用电量，庞大的用电需求对于国内发展风电来说将是个巨大的契机。政府的规划到2020年风电将会超过水电，成为第二大电力资源。目前世界市场上风电机主要的调节技术有：定桨距调节风电机技术、变桨距调节风电机技术、主动定桨距调节技术、变速恒频四种。目前，我国仅掌握定桨距失速调节型风电机技术，这类风电机的容量可以扩大到750kW，另外三种技术均没有涉及。我国与西方发达国家的风能利用方面还有比较大的差距，尤其核心控制模块还需要从国外进口，从风能的利用率方面还比较低，并网技术方面还有不小的差距。我国风电机技术开发仍处于较低水平。 1 风力发电机叶片应该满足的基本要求风力发电机的叶片是叶轮的核心部件。叶片的设计涉及到多学科的知识，机械学，空气动力学，材料学疲劳特性学等等。风力发电机组效率的高低取决于叶片的形状。叶片主要几何参数有：风轮的直径，风轮的扫掠面积，风轮的偏角以及叶尖速比等等。叶片形状合理的设计与叶片片数的合理选择将会对发电机组的效率和降低噪音起到关键的作用。叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期不停的运转，致使对叶片的要求需要很严格：密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验；叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负载稳定性好，不得在失控的情况下离心力的作用下拉断并飞出，亦不得在风压的作用下折断，也不得在飞车转速以下范围内产生引起整个风力发电机组的强烈共振；叶片的材料必须保证表面光滑以减小风阻，粗糙的表面亦会被风“撕裂”；不得产生强烈的电磁波干扰和光反射；不允许产生过大噪声；耐腐蚀、耐紫外线照射和耐雷击性能好；成本较低，维护费用低。 2 风力发电机用轴承主要类型及工况条件存在于风机轴承开发研制中的主要技术难点是实现轴承长寿命所需要的密封结构和润滑脂、特殊的滚道加工方法和热处理技术、特殊保持架的设计和加工

风力发电的发展现状与关键技术综述

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）

变速恒频风力发电机组的无功功率极限

变速恒频风力发电机组的无功功率极限申洪，王伟胜，戴慧珠（中国电力科学研究院，北京100085）摘要：根据变速恒频风电机组的工作原理，建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，该模型考虑了风力机、双馈电机及其转速控制的稳态特性。在此模型的基础上，提出了计算变速恒频风电机组无功功率极限的方法，并对一变速恒频风电机组进行了计算分析，验证了所提方法的可行性。关键词：变速恒频风电机；双馈电机；无功功率极限 1 引言近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以高于20%的速度增长。截止到2002年底，全世界风力发电装机容量约为31128MW，其中我国风电装机容量达468.42MW。目前，兆瓦级风力发电机组已逐渐取代600kW级的机组，成为国际上风力发电机市场的主力机型，风电机组正向着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展和完善。虽然变速恒频风电机组与固定转速的风电机组相比在性能上有较大改善，但由于风速变化的随机性，变速恒频风电机组的并网运行对电力系统而言仍然是一种波动的冲击功率，因而必须对这种风电机组的并网运行特性进行研究。变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机，文献[1]~[3]对它的稳态模型进行了研究，建立了基于与定子磁场同步旋转的dq坐标系的数学模型。因为双馈发电机的转速和定子侧的无功功率都可以调节，所以转速控制规律和无功功率控制规律对变速恒频风电机组的稳态特性也有很大的影响。文献[1]、[2]介绍了转速控制和无功功率控制的基本思想，其中转速控制的目标是使风力机的功率系数最优，而无功功率控制则根据其接入的电力系统的实际运行方式可以设定为功率因数恒定或端电压恒定两种控制方式。风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，而无功功率则取决于风电机组的无功控制方案。一般风电场位于偏远地区，电网结构薄弱，当无功功率控制的设定值达到风电机组的无功功率极限时，一方面转子绕组发热将导致风电机组停机，另一方面由于不能向系统中提供或吸收足够的无功功率，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。因而研究变速恒频风电机组的无功功率极限是很有必要的。文献[4]对此问题进行了一定的研究，但它只讨论了发电机定子绕组中有功功率和无功功率的稳态运行域问题，并没有解决整个风电机组注入系统的有功功率和无功功率的稳态运行域问题。另外，该文献没有考虑转速控制规律的影响。

变速恒频风力发电技术研究

变速恒频风力发电技术研究目录摘要 ............................................................................ I Abstract ........................................................................ II 第一章绪论 . (1) 1.1风力发电研究的背景和意义及现状 (1) 1.2 风力发电系统组成及原理 (2) 1.2.1 风力机工作原理 (2) 1.2.2 风电系统 (3) 1.3 风力发电技术 (4) 1.3.1 定桨距失速调节型风力发电机组 (4) 1.3.2 变桨距调节型风力发电机组 (5) 1.3.3 主动失速调节型风力发电机组 (5) 1.3.4 变速恒频风力发电机组 (5) 1.4变速恒频风力发电技术 (6) 1.4.1 恒速恒频风力发电技术 (6) 1.4.2 变速恒频风力发电技术 (6) 第二章变速恒频风力发电电机及其系统 (10) 2.1变速恒频风力发电机组的运行原理 (10) 2.2 笼型异步发电机变速恒频风力发电系统 (12) 2.3 永磁发电机变速恒频风力发电系统 (13) 2.4 交流励磁双馈型变速恒频发电系统 (13) 2.5无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统 (14) 2.6磁场调制型变速恒频风力发电系统 (15) 第三章变速恒频双馈电机风力发电控制策略 (16) 3.1变速恒频双馈电机风力发电控制策略 (16) 3.2 双馈电机存在的主要问题 (16) 3.3 双馈电机的控制策略综述 (17) 3.3.1 双馈电机标量控制 (17) 3.3.2 双馈电机直接转矩控制 (18) 3.3.3 双馈电机转子磁场定向控制 (19) 3.4变速恒频双馈电机风力发电功率控制 (20) 3.5双馈电机风电场的无功功率控制技术 (22) 3.6风力发电机组的并网控制技术 (22) 3.7结论 (23) 结论 (24) 致谢 (25) 参考文献 (26)

风力发电机组变桨距

随着国家新能源发展战略的提出和实施，我国风电产业进入跨越式发展的阶段。本文从分析我国风力发电的现状出发，在总结分析风力发电技术发展的基础上，对我国风电发展过程中存在的主要问题进行了探讨分析，提出了相关建议。关键词：风力发电；现状；技术发展能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利用，已受到世界各国的高度重视。风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展风电这一清洁能源已成为世界各国的战略选择。我国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。近年来我国风电产业及技术水平发展迅猛，但同时也暴露出一些问题。总结我国风电现状及其技术发展，对进一步推动风电产业及技术的健康可持续发展具有重要的参考价值。 1我国风力发电的现状 2005年2月，我国国家立法机关通过了《可再生能源法》，明确指出风能、太阳能、水能、生物质能及海洋能等为可再生能源，确立了可再生能源开发利用在能源发展中的优先地位。2009年12月，我国政府向世界承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%，把应对气和变化纳入经济社会发展规划，大力发展包括风电在内的可再生能源与核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。随着新能源产业成为国家战略新兴产业规划的出台，风电产业迅猛发展，有望成为我国国民经济增长的一个新亮点。我国自上世纪80年代中期引进55kW容量等级的风电机投入商业化运行开始，经过二十几年的发展，我国的风电市场已经获得了长足的发展。到2009年底，我国风电总装机容量达到2601万kW，位居世界第二，2009年新增装机容量1300万kW，占世界新增装机容量的36%，居世界首位[1,2]。可以看出，我国风电产业正步入一个跨越式发展的阶段，预计2010年我国累计装机容量有望突破4000万kW。从技术发展上来说，我国风电企业经过“引进技术—消化吸收—自主创新”的三步策略也日益发展壮大。随着国内5WM容量等级风电产品的相继下线，以及国内兆瓦级机组在风电市场的普及，标志我国已具备兆瓦级风机的自主研发能力。同时，我国风电装备制造业的产业集中度进一步提高，国产机组的国内市场份额逐年提高。目前我国风电机组整机制造业和关键零部件配套企业已能已能基本满足国内风电发展需求，但是像变流器、主轴轴承等一些技术要求较高的部件仍需大量进口。因此，我国风电装备制造业必须增强技术上的自主创新，加强风电核心技术攻关，尤其是加强风电关键设备和技术的攻关。 2风力发电的技术发展风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。目前在风能发电领域，研究难点和热点主要集中在风电机组大型化、风力发电机组的先进控制策略和优化技术等方面。 2.1风力发电机组机型及容量的发展现代风力发电技术面临的挑战及发展趋势主要在于如何进一步提高效率、提高可靠性和降低成本。作为提高风能利用率和发电效率的有效途径，风力发电机单机容量不断向大型化发展。从20世纪80年代中期的55kW容量等级的风电机组投入商业化运行开始，至1990年达到250kW，1997年突破1MW，1999年即

变速恒频风力发电关键技术研究

变速恒频风力发电关键技术研究发表时间：2018-06-07T10:41:35.750Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：李琳[导读] 摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。（大唐新能源黑龙江公司 150038）摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。关键词：变速恒频；风力发电；技术研究前言：根据我国目前生态建设和可持续发展的需要，大力开发可再生能源已经成为了当下应用能源的新型趋势，而风能正是符合这一需求的可再生绿色能源。风力发电技术早在上个世纪就开始进行研究和应用，但是在一定程度上机组性能尚不完善，关键技术的研发未有突破，导致了风能利用率较低。在近些年逐步发展的变速恒频风力发电技术在一定程度上可以对此改善，在技术研究上也有了新突破。 1.风力发电的技术分析 1.1恒速恒频风力发电机组分析恒速恒频风力发电机组是一种运行后叶轮不能根据风速的变化而发生变化的，是由电网频率决定的风轮转速和电能频率在运行时基本保持不变的风电机组。主要发展于上世纪八十年代和九十年代之间，曾经被我国广泛应用于风力发电，并在此期间不断被研究者优化的一种风力发电形式。恒速恒频风力发电机组最开始的容量只有几十千瓦级，逐步发展为兆瓦级，并且有着一系列优点，例如：性能稳定、操作简便等，但仍属于非智能操作系统。在恒速恒频风力发电机组中，由两种较为常用的控制方式：主动失速控制和定桨距失速控制。其中，主动失速控制是应用于大容量机组的一种控制方式，这种控制方式可以使机组具有稳定的输出功率，也会有部分机组采用定桨距失速控制，但是，该方式的输出功率不稳定还会造成一定程度上的齿轮箱磨损。在恒速恒频风力发电系统中，由于外界风速变化无常，但风力发电机本身的转速不会改变，就会造成数据的不准确，风机效率低下等状况。在风力发电中，要提高风力发电系统的发电效率是首要任务，在整个过程中捕获最大风能是要点，所以发电系统一直在向着目标改进发展。随着科学技术的发展，在风力发电方面也有了明显的突破，正如近年来慢慢发展并强大的变速恒频风力发电系统。 1.2变速恒频与恒速恒频的对比分析变速恒频风力发电机组是当今的主流风力发电机组，是二十世纪末期发展起来的一种高效的风力发电方式。与恒速恒频风力发电机组相比，变速恒频风力发电机组有明显的优势。变速恒频风电机组可以应对不同风速大小，在不同风速下进行自身调节，最大化捕捉风能，提高风能的利用率。恒速恒频发电机组在遇到较大风力时，自身产生的较大电流会使自身结构遭到损害。变速恒频风力发电机组本身可以根据外界风速的变化进行自身调节，减少因力的相互作用而导致装置内部结构遭到破坏的现象，从而大大延长了机组的使用寿命。不仅如此，变速恒频风力发电机组主要是通过对内部转子交流励磁电流幅值、频率以及相位的控制，实现在变速下对于频率的恒定控制，，这种控制方式还可以达到对输出功率的控制，使装置运行更加灵活，以便于整个机组的运作。 2.变速恒频风力发电的关键技术分析 2.1变速恒频风力发电工作原理在变速恒频风力发电机组中，主要的三个部，分是风力机、发电机和辅助构件。变速恒频风力发电的基本工作原理是风力机构件中的叶轮吸收风能，在风能的作用下发生转动，使之转化为机械能，而后，叶轮的转动带动齿轮箱工作，产生机械能，再将产生的机械能通过发电机转化为电能，并经过一定转化输入电网，再由电网对各个用户进行传输。目前的变速风力发电系统完全实现了机械自动化，属于智能运作系统，不需要人工调节，可以根据风速风力进行自身调节，适应外界变化。对于变速恒频发电机组而言，在额定风速以上运行时，可以使叶轮上的载荷控制在安全值内，并且，有效的调节风电机组吸收的能量。风力机的叶轮由于质量较大，具有较大的惯性，在变桨控制产生作用时，叶轮不会及时发生变化，通常情况下会滞后一定时间才能有所表现，这一情况很容易使功率有大幅度的波动。所以，在额定风速上运行时，需要用发电机转矩来进行快速的调节，来保证输出稳定的能量。当机组处于额定风速以下时，可以通过提高对发电机转矩的控制，使机组变速运行，以达到提高能量转换率的目的。 2.2变速恒频发电系统交流励磁双馈发电系统：这种发电系统内部的主要结构有叶轮、齿轮箱、发电机、四象限变频器、交流励磁控制器、检测装置以及风力发电控制器等，其内部还存在滑环和电刷。馈电方式为装置内部转子绕组通过交流—交流的方式或是交流—直流—交流方式的变频器提供相关数据可以调节的电源，定子绕组接电网。交流励磁控制器还可以通过对于转子变频器输出的电压、幅值、相位以及频率的控制来调节转矩和定子的无功功率。在装置中，变频器提供给转子低频旋转磁场，且满足公式：ω1=ωs±ωr。其中ω1代表定子磁场同步转速，ωs代表整个磁场旋转速度，ωr代表转子机械旋转速度。无刷双馈发电系统：这种电力系统的深入研究始于上世纪七十年代末，在此期间的几十年中，主要由美国Wisconsin大学、Ohio州立大学等高等院校对无刷双馈发电系统进行深入研究。其内部结构主要有电网、功率绕组、控制绕组、变频器、无刷电机、风力机等。在其内部定子上，一般有两套三相对称绕组，一个为主绕组，一个为副绕组。一般由工频交流电源直接为主绕组供电，如果副绕组短路，系统能够在异步运行方式下运作。无刷双馈发电系统内部的转子一般分为磁阻转子和笼形转子两类，其中，磁阻转子以ALA型较为常见，笼形以笼形短路绕组转子较为常见。在风力发电系统的研究中表明，无电刷和滑环的发电转子在应用中更为稳定耐用，可靠性强。并且，发现在所有的发电系统研究中双馈型有刷及无刷的变速恒频控制在性能上都较为优越，较为常用，可以在此结论的基础上进一步对于双馈型变速恒频空间展开研究，进一步发展我国变速恒频风力发电的应用。 3.结语

海上风力发电基础形式及关键技术探析

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6c1243480.html, 海上风力发电基础形式及关键技术探析作者：莫非来源：《科技信息·上旬刊》2017年第07期摘要：风力发电作为一种全新的能源产生方式，因为其资源丰富不会受到土地条件的限制，在多个国家逐渐兴起。我国拥有很长的海岸线，就更应该利用好这一部分资源，扩大对海上风力发电的研究。因此，本文通过海上风力发电基础型式的了解，探讨其关键技术，希望可以解决我国在能源方面面临的问题。关键词：海上风力发电；基础型式；漂浮；技术因为风能本身的可再生性、清洁性，再加上大规模应用技术的成熟，使得风力发电成为除开核能之外，技术最为成熟，且最具发展前景的一种发电方式。一、海上风力发电基础形式（一）桩基础结构目前，单桩基础结构是风力发电基础中应用最多的结构。其固定方式是选择液压撞击法，利用撞锤直接将钢管夯入海床，或者是在海床安装钻孔而形成。这一种基础的直径为3-6m，且壁厚为直径的1%。钢管需要插入海床的实际深度则是根据海床土壤本身的强度来定，按照测土所给予的压力传递其荷载。一般来说，单桩基础勇于浅水或者是水深为20-25m的中水水域，并且需要海床土质良好。多桩基础属于将多个桩基直接打入土内的一种形式，可以选择斜向与竖直打入两种方式。多桩基础可以有效的抵抗海水动力与海上波浪，能够满足中等水深和深水水域的要求。按照海水流动、水深不同等外部因素所造成的荷载与风机系统动力特点，就可以直接将多桩基础上部结构确定下来。多桩基础不需要准备海床，可以直接在任何水深与海床地质中使用，并且其建设简单，质量较小，但是成本高昂，在安装中需要使用专门的设备，且工作年限过后，拆卸移动都较为困难[1]。（二）导管架基础风基础结构会直接受到风轮机运转荷载与海洋环境荷载的影响，利用钢制材料导管架重量较轻，并且对于海床地质拥有极强的适应力，并且稳定性良好，所以适合在较深海域使用，目前在欧洲等海上的大型风电场中使用较多。导管架主要是基于框架形成结构的基础。主体的导管架基础结构包含：主筒体、主斜撑以及平台甲板等结构过渡段；可以分成先打桩导管架，后打桩导管架两种结构形式的基础主体，更进一步需要研究导管架由圆柱钢管所组成的三腿或者是四腿的基础，这一种基础在深水域采油中应用非常成熟，并逐渐运用到海上风力发电中来。（三）重力式基础

恒速恒频风力发电系统的数学模型

恒速恒频风力发电系统的数学模型为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型风轮机、传动机构和异步发电机的模型。本文以恒速恒频风力发电系统为研究对象，它主要由风力机和异步风力发电机等主要元件组成。我们着重于风电场与系统相互影响问题的研究，与之密切相关的环节，其数学模型将详细地描述。数学模型的建立为研究风电场的运行特性和风电场并网运行带来的稳定问题以及研究电力系统接入一定规模的风电场的可行性提供了基本的工具。 2.1 风电场及风力发电机组简介风力发电场是将多台并网风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，简称风电场。风力发电形式可分为“离网型”和“并网型”“离网型”有：(1)单机小型风力发电机；(2)并联的小型或大型孤立的风力发电系统；(3)与其它能源发电技术联合的发电技术，如风力／柴油发电机联合供电系统。“并网型”的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到儿百兆瓦，由于十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得大大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，也是近儿年来风电发展的主要趋势。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。风电场的发电设备为风力发电机组，发电机经过变压器升压与电力系统连接，如图2．1

图2-1风电场与电力系统连接图在风场内，风机与变电所之间的连接有两种方式：场地布置相对集中时用电缆直埋；场地布置相对分散时用架空lOkV 线路。一般有两种供电方式如图2-2：一是采用一台风机经一台箱式变电站就近升压；二是采用两台或多台风机经一台箱式变电站就近升压。 2.2 异步发电机的稳态数学模型为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型、风轮机、传动机构和异步发电机的模型。首先异步发电机与异步电动机在能量转换过程中各功率损耗之间的关系不同，如图2-11。步发电机的功率转换是将输入的机械功率己转换为输出电功率，它的特点在于其转子的转速比定子产生的旋转磁场的转速更高。自然风吹动风轮机叶片，将风能转化为机械能，由此获得的机械功率只扣除掉机械损耗Pm 。和附加损耗mc P 后即为传递到异步发电机转子可转换的机械功率mec P 。在等效电路中对应可变电阻(1-s)／s(s<0)上的电功率，扣除转子铜耗1cu P 和铁心损耗fe P ，得到输入定子绕阻的电磁功率me P ，再扣除定子铜耗1cu P ,即得到注入电网的电功率Pe 。上述功率流向可表达为 ad me mec m P P P p ++= (2-1)

风力发电中的变速恒频技术综述

风力发电中的变速恒频技术综述 1引言风力发电技术是一种利用风能驱动风机浆叶。进而带动发电机组发电的能源技术。由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力物力财力来发展风力发电技术。第一次世界大战后，丹麦首开先河，制造了仿螺旋桨高速风力发电机组。随后美国、法国、前西德等国先后制造出了风力发电机组并投入运行。前西德在风机桨叶制造上首次使用了质地轻、强度高的复合材料。到20世纪60年代，由于石油廉价和内燃机的广泛运用，风力发电成本高的问题显得突出，和以内燃机为动力的发电技术相比失去竞争力，发展几近停止。但1973年全世界的石油危机以及燃料发电带来的环境污染问题，使得风力发电技术重新受到重视。风力发电又进入迅速发展阶段。先后有美国研制的1000kW大型风力发电机、前西德的3000kW大型风力发电机、英国加拿大的3800kW大型风力发电机投入运行，自动控制技术日益成熟，并形成了能并网运行的风力发电机群(见图1)。2002年，世界各国风电装机总量达到近40000MW，并且每年增长率达20％，发展势头强劲。我国现代风力发电技术始于20世纪70年代。2002年底，我国风力发电装机容量达473MW，遍布新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江等地[1]。图1风力发电机群最近世界风力发电技术的发展取得很大进步，主要表现为以下几点：（1）风力发电机单机容量稳步变大。现在单机容量已达到兆瓦级；（2）变桨距调节成为气动功率调节的主流方式。目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术；（3）变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统，风能利用更加有效；（4）无齿轮箱风力发电系统市场份额增长迅速。这主要是由于没有齿轮箱系统效率显著提高[2]。 2 风力发电机的气动功率调节方式气动功率调节是风力发电的关键技术之一。风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。功率调节方式主要有三种。（1）定桨距失速调节这种调节方式下，桨叶与轮毂刚性联接，桨距角度保持不变。随着风速增加，攻角增大，分离区形成大的涡流，流动失去翼型效应，上下翼面压力差减少，阻力增加，升力减少，造成失速，从而限制功率增加。整机结构简单、部件少、安全系数较高，但翼型结构复杂，制造困难，机组额定功率增加后，叶片加长，

变频技术在变速恒频风电系统的应用

变频技术在变速恒频风电系统的应用摘要：变速恒频异步风力发电技术特别是双馈异步发电技术在风力发电中得到了广泛的应用。本文在阐述变频技术在风力发电系统应用的基础上，对变速恒频异步风力发电系统的不同的拓扑结构和控制策略进行了分析，并介绍了变速恒频双馈异步风力发电技术的研究热点以及清能华福风电技术XX的产品QHVERT-DFIG-1500B型变流器。关键字：风力发电、变速恒频、变频技术一、引言中国的风能资源十分丰富，目前已经探明的风能储量约为3226GW，其中可利用风能约为253GW，主要分布在西北、华北和东北的草原和戈壁以及东部和东南沿海及岛屿上。根据统计，截至到2006年底，中国大陆地区已建成并网型风电场91座，累计运行风力发电机组3311台，总容量达259.9万kW（以完成整机吊装作为统计依据）。已经建成并网发电的风场主要分布在XX、内蒙、XX、XX、XX等16个省区。根据电监会公布的数据，截至2006年底,中国发电装机容量达到62200万kW，风力发电占全国总装机容量的0.42%。截至到2006年底，全世界总风电装机容量已经达到7390.4万kW，其中德国总装机容量2062.2万kW，位居世界第一，中国2006年风电新增装机容量仅次于美国、德国、印度和西班牙，列第五位；总装机容量列世界第六位。因此，风力发电将成为我国最具大规模开发前景的新能源之一。风力发电系统主要有恒速恒频风力发电机系统和变速恒频风力发电机系统两大类。恒速恒频风力发电系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步

电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值继而保证发电机端输出电压的频率和幅值的恒定，其运行X围比较窄，只能在一定风速下捕获风能，发电效率较低。变速恒频风力发电系统一般采用永磁同步电机或者双馈电机作为发电机，通过变桨距控制风轮使整个系统在很大的速度X围内按照最佳的效率运行，是目前风力发电技术的发展方向。对于风机来说，其调速X围一般在同步速的50%～150％之间，如果采用普通鼠笼异步电机系统或者永磁同步电机系统，变频器的容量要求与所拖动的发电机容量相当，这是非常不经济的。双馈异步风力发电系统定子和电网直接相连接，转子和功率变换器相连接，通过变换器的功率仅仅是转差功率，这是各种传动系统中效率比较高的，该结构适合于调速X围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。本文将从变速恒频异步风力系统的拓扑结构及其控制技术两个方面对变频技术在风力发电中的应用进行综述，以反映变频技术在风力发电中的发展情况。二、变速恒频异步风力发电系统拓扑。采用绕线异步电机作为发电机并对其转子电流进行控制，是变速恒频异步风力发电系统的主要实现形式之一。主要的拓扑结构包括交流励磁控制，转子斩波调阻以及由上述两种拓扑结构结合发展而来的混合结构。 1.交流励磁结构交流励磁控制通过变频装置向转子提供三相滑差频率的电流进行励磁，这种方式的变频装置通常使用交交变频器，矩阵变换器或交直交变频

海上风力发电及其关键技术分析

海上风力发电及其关键技术分析发表时间：2019-04-17T10:00:32.630Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第35期作者：张旭明 [导读] 由于人类社会生产和生活方式的发展，电能是使用技术最为成熟和应用最为广泛的能源。因此对天然能源最有效的利用方式是将这些能源首先转化为电能，将电力能源供应给个人或者企业用户之后，再根据具体使用需要将其转变成动能、热能以及光能等形式张旭明中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司广东广州 510663 摘要：由于人类社会生产和生活方式的发展，电能是使用技术最为成熟和应用最为广泛的能源。因此对天然能源最有效的利用方式是将这些能源首先转化为电能，将电力能源供应给个人或者企业用户之后，再根据具体使用需要将其转变成动能、热能以及光能等形式。因此能量的转换技术是现代人类社会生产和生活中应用的最关键的技术之一，而发电技术是其中影响最深远的一种。关键词：海上风力发电；关键技术；分析 1导言我国风力资源储量十分丰富。近年来，我国陆地风电产业发展十分迅速，但是存在建设用地、电网条件以及环保等问题，极大地制约了陆地风电的发展。同时，我国的海岸线较长，风能资源十分丰富。有关调查表明，海上的风速要比陆地高出20%以上，单位面积可增加70%以上的发电量。因此，研究分析海上风力发电及其关键技术具有重要的现实意义。 2海上风力发电技术概述与传统能源的开采利用相比，扑捉和利用海上风力资源面临空前的技术难题。这些技术问题涵盖了能量转换设备的设计研发、发电设备的安装施工、海上风力发电电能的传输和供电网络的建设以及海上风力电场的运维管理等方面。因此尽管早在二十世纪的七十年代就有人提出了利用海上风力发电的设想，但是全面的科学研究和实践应用到上个世纪末才真正的全面展开。这由于与陆地风力发电技术的研究相比，海上风力发电面临的复杂施工地质环境缺乏成熟和可借鉴的工程技术做为基础，针对海水的波浪冲击、海冰影响、海水腐蚀以及海上风力和风向变化也没有系统的荷载计算和分析标准。另一方面因为特殊的工程环境和施工、运输以及运维技术需要等因素，造成海上风力发电场建设缺少足够的成熟经验做为参考，导致建设海上风力发电场的投资规模和回报率具有很多不确定性，因而海上风力发的商用推广近十年才随着相关技术的日渐成熟真正展开。 3海上风电与陆上风电的对比及其技术难点 3.1海上风电与陆上风电的对比（1）随着高度的变化，海上风速呈现下降趋势，因此在海上实现风力发电可以有效利用塔架，降低海上风湍流的强度，使主导风向处于稳定状态，有效避免风力发电机组因疲劳负荷出现故障，延长风力发电机组的使用寿命。一般情况下，它将会比在陆地的使用寿命高2.5～3倍。（2）由于海面上障碍物较少且海平面粗糙度较低，相对而言风速的大小和方向都不会产生较大变化，风况好于陆地。（3）通常情况下，海上的风速要比陆地上高25%，且不会受到噪音影响。因此，基于相同发电设备的基础上，在海上风力发电要比陆地上增加25%以上的发电量。 3.2海上风电的技术难点（1）在海面上，风力发电设备需要面临大风和海浪的冲击。在进行风电机组安装和建设过程中，它的支撑结构（塔架、基础和连接等）的施工质量要求较高，不仅需要能够应对各种恶劣的海上气候环境，还需要具有较高的防腐蚀性能。（2）很多风力资源分布在5～50km的海岸，这些区域大多水深超过50m，给海上风力发电场的施工带来了巨大影响。一般情况下，常采用贯穿桩结构进行基础的海底固定，如重力基础、多脚架基础等，但是这些建设成本都较高。 4海上风力发电基础形式及其关键技术原理简析 4.1海上风力发电基础设计分类概述设置在海上的风力发电的主要设备需要有具有一定承重能力和稳定性的基础，才能够稳定可靠的捕捉和转化海上的风能，因此基础的设计主要需要考虑其承重能力和在复杂的海上环境与风电设备运转带来的荷载下工作的稳定性。根据基础与海床之间的相对关系，目前的设计基本可以分为固定式和悬浮式两种。其中悬浮式的基础设计是针对海水深度大于五十米的情况，参照海上石油天然气开采平台的建设技术而研究的，目前还没有具体的实践应用。而因海床工程地质条件和海水深度的不同，固定式基础的具体结构又分为多种形式。 4.2重力式基础原理及其技术要点重力式的海上风力发电基础设计是在传统的船坞和码头工程技术的基础上，根据风电设备的运行和安装需要改进而成，因此基础的设计、预制、运输和安装技术都比较成熟。其原理是利用基础自身材料的和所承载的风电设备的重力，实现整个发电设施在海床上的稳定运行，因此在具体的技术参数的设计中的关键是计算风电设施的运转和环境带来的荷载[3]。目前重力式基础的应用主要受到海床工程地质条件、海水深度和经济性的限制，首先由于重力式基础的稳定性要求海床天然结构比较坚实，并且在预制的基础沉入海底之前需要对海床进行预处理，而在我国很多近海海床存在软土层，导致预处理所需要耗费的成本比较可观；其次由于技术条件和经济性所限，目前重力式基础的使用仅限于海水深度小于10m的海域。 4.3桩基式基础技术原理及其应用在目前已经建成的海上风力发电场当中，桩式基础的应用占有最大的比例，尤其是其中的单桩式基础，是海上风电大国丹麦海上电场建设的主要基础形式。这一方面是因为这一设计形式的施工技术相对简单和经济，另一方面与丹麦沿海的海床工程地质条件有关。单桩式基础的材料采用大径空心柱形钢管，利用大功率的打桩设备直接嵌入海床，为了实现风电设施在海上的可靠稳定运行，单体式的钢管直径最大可达六米，能够适用的海水最大深度为30m。但是由于来自海水、海风和风机运行荷载的承载形式所限，这种风电设施基础形式对海床工程地质的要求相对较高，而且由于目前海上风力发电机组的单机容量越来越大，单桩的直径过大导致其经济性变差和面临施工技术瓶颈。因此在实践应用过程中又演化出了单立柱三桩、导管架式以及多桩承台式等多种桩基式基础，通过复杂的结构形式来增强基础的稳