我国风力发电机组地基基础设计_百度文库
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我国风力发电机组地基基础设计
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对云南风力发电风机接地的探析与思考
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风力发电技术及其新型风机电控系统的应用
导读：目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。本文主要对风力发电控制系统基本架构与风力发电应用中的电控系统及其新型控制器选择和应用作分析说明。风力发电组　　&&&&&&& 1前言　　　　风能是非常重要并储量巨大的能源，安全、清洁、充裕，能提供源源不绝而稳定的能源。&十五&期间，能源技术领域中所设立的后续能源技术是作为发展重点的。后续能源包括核能、可再生能源、氢能、燃料电池等，覆盖了除矿物能源以外的几乎所有能源领域，其中风能、太阳能为主攻方向。目前，利用风力发电已成为风能利用的主要形式，受到世界各国的高度重视，而且发展速度最快。风能产业作为一个新兴的有前景的高新技术产业。2020年我国风电总装机容量要达到3000万kW的目标，为风能产业的发展提供了很大的空间。据统计，架设5公里电线及以后的电费投资，远远大于太阳能风力发电系统的一次性投资，足以让您一劳永逸。　　　　风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，用蓄电池蓄能，以保证无风时用电；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。而MW级风力发电技术早己开始研发。　　　　在架构上，风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的主要技术。　　　　应该说国内风电设备制造行业的迅猛发展，国内市场可供用户选择的风机类型越来越多，随之而来的是对风机稳定性和性能的关注。风机电控系统的快速、可靠性和稳定性很大程度上决定了一款风机的成功与否，所以它是风力发电应用技术中的核心部件。而电控系统的性能主要取决于所选方案和所采用的零部件。为此，本文主要对风力发电控制系统基本架构与风力发电应用中的电控系统及其新型控制器选择和应用作分析说明。　　　　2风力发电控制系统基本架构　　　　2.1系统构成　　　　图1为风力发电控制系统网络拓扑。从图1所知，风电机组电控系统是对风电机组自动启动、停机、平稳并网、双速切换、自动对风、数据检测和处理、故障记录及自动保护等就地控制功能。风电厂由三部分组成：就地控制部分、中央集控部分与通信部分。根据不同风机的应用通信部分分为两部分：风机与风机间或风机与控制中心的网络通信部分与风机内部控制通信部分。图1 风力发电控制系统网络拓扑图　　　　2.2网络结构及其系统主要部件与功能　　　　从图1可知，风电作为典型的分布式控制系统，采用光纤及工业交换机组成环形网络结构，要求网络设备可以在高粉尘、高寒、高热、强电磁环境中运行，实现宽带、可靠稳定的传输风机的各种参数。　　　　其系统主要部件与功能如下：　　　　⑴SCOM3024是专门针对电力系统高等级变电站设计的工业交换机。主要应用在220kV、500kV、700kV超高压变电站继电保护系统中。　　　　⑵S1COM3000系列：卡轨式，提供3个1000M端口，6个10/1000Base-TX接口，支持WEB管理，Telnet，SNMP，基于SNMP的网管，RMON、DT-ring2.0、RSTP、MSTF功耗小于56W，为本质安全型工业以太网交换机。　　　　⑶KIEN1005风机机头控制器，应用于风机内部的控制通信部分。　　　　⑷采用了SCOM3000、KIEN2032、KIEN6000部件，其应用为：风机与风机间或风机与控制（检测）中心的网络通信部分；其KIEN6000部件应用在控制中心，完成风场SICOM3000等工业交换机数据落地，同时启用三层功能，与上级网络隔离。　　　　2.3关于风电场的监控系统　　　　由于风电场单机容量小、数量多，为了确保各台风力机的安全运行，风电场设置有先进的计算机监控系统，该系统一般由地面监控（或称就地监控-LCS)（可从图1看出）和中央监控(CMCS遥控)两部分组成，其中就地监控主机可使用工控机（如ARK3382型），就地监控包括如下功能：　　　　⑴运行人员可以从就地控制盘前计算机屏幕上了解到各台风力机的运行状况，如：该风力机处风速、发电机电压、电流、功率因数、主轴转速、齿轮箱及轴承温度等等。　　　　⑵可以通过控制盘上的键盘，方便地修改风力机的保护定值，如过压保护整定范围，频率保护整定范围，风速极限值的修改等等。　　　　⑶该控制系统能根据自己所检测到的风速、风向情况自动发出开机寻找风向(即自动偏航)或停机的控制命令，同时还能进行自我诊断风力机是否存在故障、是否需要停机。该系统还能对电网进行检测，如发现电网电压、频率工作不正常则立即停机，待电网恢复正常后自动起动。　　　　⑷该控制系统具有先进的记录功能，能记录所有发生过的故障或不正常运行状态，并告诉运行人员发生故障的时间。该系统还能进行产量报告，能记录该风力机的月发电量，及累计发电量和运行小时数。　　　　中央控制系统设在控制室内，通过监视器可以了解到整个风场各台风力机的运行状况。中央控制系统除主机外，还有一套备用设备，可供主机故障时投入，可随时向人们提供所需的报告。　　　　3风电机组电控系统结构中的控制器应用　　　　3.1控制器是整个电控系统的核心　　　　其主要任务是控制风机根据风能的变化调整输出，以及风机在运行过程中的各种数据检测、系统保护、通讯等功能。整个控制系统的输入输出点数并不多，一般不多于300点。如对MW级风力发电机组控制系统的特点是点数不多(整个控制系统的输入输出点数并不多，一般不多于300点)以及数据计算量大，尤其是远程监控系统、故障检测及自复位功能的应用使控制器的数据计算量很大。由于同一时间不同优先级事件的存在，控制器必须按照事件的重要程度执行不同的扫描周期。　　　　这些特点要求控制器具备高速度、支持多优先级多任务程序结构、支持高级算法等功能。此外，为保证系统各控制器与变频设备之间通讯的可靠性及实时性，控制器还必须支持现场总线及远程监控使用的工业以太网通讯。　　　　3.2传统控制器的不足与问题的解决　　　　迄今为止，控制器解决方案由大量的微控制器和专有的总线系统组成。市场上常见的风力发电机控制器的开发能力已经达到极限。在控制器、厂房生产计划系统和远程数据传输系统等各种功能单元的状况下，实现其接口互嵌是非常困难的。另外，传统的控制器仅仅提供有限的资源，只能够提供有限的监控和诊断功能。这必将无法满足风力发电机和生产厂商不断增长的需求。用户十分期待拥有更好的分析和诊断设备。尤其在应用于风力电场时，电网公司对灵活的网络管理和快速的反映时间有着高要求。　　　　由于工控机提供的开发平台也是开放性的，它可以轻易地解决不断增长的、和外设相兼容的接口需求，是当今新型风电机组电控系统的理想选择。它能实现技术开发的首要目标，即达到提升发动机效能、减少载荷、增加操作便利性，从而减少成本、获取更多利润的目的。值此，以与嵌入式ARK3382无风扇工控机与KT98和KT97可编程控制器(PLC)为例作为风电机组电控系统的核心部件在风力发电中应用作介绍。　　　　4嵌入式无风扇工控机ARK3382型作为控制器在风力发电中的应用　　　　当今作为自动化系统（如SCADA系统）是以计算机为基础基于工业以太网的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。各种采集信号及控制信号通过工业以太网汇总到其中最前端的数据汇总处理机&&嵌入式无风扇工控机。　　　　4.1选择嵌入式无风扇工控机的原因　　　　嵌入式工控机产品旨在为用户的开发应用提供更快速、更方便、更简单的解放方案。嵌入式设计、坚固的外壳、强大的计算技术，这些都保证了系统的稳定性和灵活性。该系列产品能满足用户对于强固、紧凑的工业计算平台的需求以及能够用于各种应用的内置I/O。其主要技术特征为：　　　　⑴性能可靠　　　　①具有铝质外壳　　　　如ARK3382系列产品的铝质外壳和散热片设计使系统不仅具有高散热性，而且具有高抗腐蚀性。这使设备在户外环境下运行时具有高可靠性。　　　　②无风扇设计　　　　紧凑的嵌入式机箱没有任何风扇设备，如CPU风扇、系统风扇、电源风扇等。扩展MTBF设计极大减少了系统的维护需求。　　　　③优化的内部线缆设计　　　　对于一般嵌入式电扇而言，线缆用于连接接口与CPU板。内部线缆常常因线缆破损、连接不良或安装错误而导致系统故障。　　　　⑵结构坚固　　　　①高抗冲击性和高抗振性　　　　凭借其板载CPU、内存、内存和加固的接口，如ARK3382系列产品能够承载高达70G的冲击和7G的振动，并且符合MIL-STD-810F。此外，对于一些极易产生冲击与振动的环境，为了实现更好高抗冲击性和高抗振性，DRAM可以选择性被固定在某个位置。　　　　②超强散热设计　　　　嵌入式工控机有散热管和铝质散热片，能够支持-40℃～ 70℃的宽范围工作温度。　　　　⑶易于安装　　　　①尺寸紧凑、体积簿、重量轻，因此能够节省工作空间。　　　　②为了满足多种应用需求，嵌入式工控机支持多种安装方式，如导轨式安装、壁挂式安装及桌面安装等。　　　　概括此类嵌入式无风扇工控机的特征是小体积发挥大功用。以上也这就是为何嵌入式工控机成为更好选择的依据。由于嵌入式无风扇工控机是系列的产品，选择了研华ARK3382系列嵌入式工控机。　　　　4.2ARK3382嵌入式无风扇工控机为风力发电系统的前端&&电控系统的核心应用　　　　ARK3382可以提供4个以太网的接口，在前端可以汇集更多的数据，在网络方面可以采用链路聚合以及LANBvpass的网络技术（图2中黑色箭头所示），有效地提高了网络的传输效率和传输的可靠性。图2是ARK3382嵌入式无风扇工控机为风力发电系统的前端与网络技术应用示意框图。&图2 ARK3382嵌入式工控机为风力发电系统的前段与网络技术应用示意框图　　　　⑴ARK3382能够提供3个以上的网络接口　　　　有良好的兼容特性，可以和下游的设备组成有机的连接。主频必须1G以上，并且能够配合用户的程序稳定的运行。2个RS-232接口，一个USB接口。尺寸要求能够放在风机设备里面，重量轻。AT供电模式，直流供电，不能干扰其他的设备。　　　　由于设备要在风塔内运行，风塔内的环境比较严苛，要求温度-20℃～60℃，抗灰尘，无风扇设计，24小时不停机运行。要求带一个15监控屏，直流供电。　　　　⑵ARK3382适合无人监守工作站　　　　由于风扇是在恶劣环境下最容易出问题的故障点，ARK系列工控机的无风扇特性大大提高了机器的MTTF(平均无故障时间)。传导散热拥有良好的密封性，可以有效的隔绝灰尘腐蚀性气体对信号传导点的氧化作用而导致的宕机，减少维护费用，适合在电力监控点及DCS应用的高灰尘、温度变化比较大的无人职守场合使用。RK-3382使用的集成多网口allinone方案，不用再通过扩展方式，可以节省成本。　　　　4.3采用可编程控制器(如KT98和KT97)编程控制器风力发电系统的前端&&电控系统的核心应用　　　　该网络使用2台KT98分别作为机舱控制器和变桨控制器，1台KT97作为主控制器。他们的主要功能为：　　　　⑴机舱控制器。负责处理各传感器(含风速风向仪)、输入输出点的信号采集、双馈变频器给定计算以及与双馈变频器、变桨控制器、主控制器之间的数据通讯。　　　　⑵变桨控制器。处理变桨系统信号采集，负责进行变桨系统计算，生成变桨变频器，负责变桨变频器及机舱控制器、主控制器之间的数据通讯。　　　　⑶主控制器。负责与机舱控制器、变桨控制器之间进行以太网通讯，远程监控系统通讯以及塔筒底部的信号采集。　　　　3个控制器之间采用以太网通讯，保证了通讯速率。控制器与变频器之间采用CAN总线通讯，速率可达1MbVte/s。在保证速率的前提下，通讯可靠性也得到了提高。这样构成的控制结构具有分工明确、实时性强、稳定可靠的特点。KT98和KT97可编程控制器(PLC)为ABBAC3190系列。　　　　5风机并网逆变电源　　　　风机并网发电是将风力发电机所发出的交流电经过整流逆变成交流电并馈送电网。同太阳发电一样，风力发电是新能源发电走向可持续发展的必由之路。　　　　风机并网发电系统通过把风能转化为电能，直接通过风力发电并网逆变器，把电能并到电网上。图3为风机并网逆变电源方案示意图。近年来，大型并网风力发电机组引入我国，大量风电机组安装在风资源丰富地区组成风电场，接入地区电网供电。图3 风机并网逆变电源方案示意图　　　　下面仅以风力（或太阳能）发电专用正弦波逆变电源作简介。　　　　风力发电专用逆变电源是太阳能、风力发电系统的核心部件，本电源针对新能源发电系统的特点设计制造，主要应用于太阳能电站、风力发电站，风、光、油、蓄互补发电系统和户用太阳能供电系统。其工作原理见图4所示框图。图4 风力（或太阳能）发电专用正弦波你变电源原理框图　　　　其性能特点为：DSP芯片控制，智能功率模块组装，纯正弦波输出，输出稳压、稳频；具有过压、欠压、过载、短路、输入极性接反等各种保护功能，而逆变效率&85%，具有交流旁路功能，输入输出优异的EMI/EMC指标，可配备RS232/485接口，是高可靠性、高效率的正弦波逆变电源。　　　　6结语　　　　从以上分析可知，风机电控系统的核心部件&&控制器（嵌入式工控机）是用于风力机的监控和控制两个方面。该嵌入式工控机作为风力发电系统的前端，逐步取代由微控制器和专有的总线系统组成的传统控制器。由于它具有独特的优势，所以基于嵌入式工控机前端的风力发电控制系统是实现提升发电系统效能、减少成本、获取更多利润的有效途径。
(来源：电源网)
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特大型风力发电机组技术概述；施跃文高辉陈钟；（国华能源投资有限公司）；在过去十年里，全球风电市场高速发展，新增装机容量；年度；；；；；；平均新增装机容量(MW)；在风电装机容量快速增长的同时，风电技术也取得了长；1.EnerconE-126(6-
特大型风力发电机组技术概述施跃文
陈钟（国华能源投资有限公司） 在过去十年里，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，见表1。截至2007年底，全球风电总装机容量达到了9400万千瓦，年发电量超过2000亿千瓦时，约占全球总发电量的1.3%，仅2007年新增装机容量就高达2000万千瓦以上。 表1
全球风电装机容量（年）年度1998199920002001200220032004200520062007平均 新增装机容量(MW) 60 33
新增装机容量增长率%
36.51 9.30 72.87 11.85 11.87 0.91 40.50 32.84 31.06 27.52 总装机容量(MW)
总装机容量 增长率%
33.33 27.94 37.36 30.13 26.79 20.77 24.09 25.47 26.95 28.09 注：数据来自全球风能协会在风电装机容量快速增长的同时，风电技术也取得了长足的进步，特别是风力发电机组（以下简称风机）本身，由上世纪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，全球装机容量已经超过100万千瓦，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。降低度电成本，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。下面将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，旨在开阔视野，希望对我国风电设备和零部件的研发有所启迪。1. Enercon E-126 (6-7MW)德国Enercon公司具有20多年的风机制造经验，1991年开始生产直驱式风机，现已在全球安装了12,000多台风机，总容量1,370万千瓦。2007年Enercon在德国风机市场份额高达50.3％，占据半壁江山。Enercon开发的E-126是目前世界上最大的风机，2007年底第一台样机在德国投入运行，转轮直径127米，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米，采用预制混凝土塔筒，由35节组成，壁厚为45厘米，塔筒底部直径为14.5米。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，优点是减少火灾风险、便于现场装配和散热。Enercon采用了“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Cp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%，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，使叶片与机舱有机地结合在一起，这有助于气流均匀地流过机舱；在叶尖还安装了“小翼”，有效地抑制了扰流和旋涡的生成，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，以提高强度。与Enercon其他型号的风机一脉相承，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，两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)德国Repower公司成立于2001年，由Jacobs 能源、 BWU 和 pro + pro能源系统三家公司合并而成，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（CRES）以及德国海上风能技术公司（OWT）共同合作设计生产，主要针未来海上风电市场。现两台5M风机已经在苏格兰东北海域的Beatrice风电场投入运行，并向2公里外的石油钻井平台供电。Beatrice海域的水深为45米，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39米之下。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。5M风机的转轮直径为126米，额定功率为5MW，是最大的双馈电机式变桨变速风机。传动系统基于传统布局，采用了三级齿轮箱结构（传动比为97）和6极双馈式异步发电机，但是又处处体现了创新的设计理念。冗余设计概念在5M风机中得到充分体现，例如，采用更多传感器，有助于运行人员更全面掌握风机运行数据；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3MVA），提高整体可靠TM性。另外，主轴采用双轴承设计，活动轴承（CARB bearing）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；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的另一亮点是全自动润滑系统，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的影响。叶片根部的螺距缩短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。3. Multibrid M5000 (5MW)2005年初，德国Multibrid公司安装了第一台M5000风机，转轮直径116米，额定功率5MW。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，采用了半直驱技术。这一设计综合了传统三级齿轮箱结构和直驱式技术的优点，即取消主轴，采用一级齿轮箱连接低转速永磁同步发电机，并且通过集成化设计，大大降低了机舱重量和尺寸，其主要技术特性如下。 ?? 采用一级齿轮箱（传动比为1:9.92）和水冷式永磁同步发电机（最大转速为147rpm，出口电压3000V）。与5M风机相比，大大地简化了传动系统结构，尺寸仅为5M的十分之一。 ?? 备用的数据采集设备减少了因这些设备的故障而导致的系统停机；传感器系统可提供维护预警。?? 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。?? 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）大约310吨，而 Repower 5M为420吨，Enercon E-126则达到530吨。当然，紧凑型设计同时也带来部件维修的困难。 ?? 采用碳纤维结构的叶片，降低重量。?? 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SCD风机概念（超级紧凑型设计），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)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1400万千瓦。Gamesa计划2008年安装G128-4.5MW样机，即转轮直径为128米，比当今世界最大风机还长1米，其主要特点如下：?? “紧凑”传动系统：对主轴、两个主轴承和两级行星齿轮箱进行集成化设计，减少了所用部件。?? 多变量控制系统：减少叶片振动和载荷。?? 两段式叶片：与现有2MW风机采用相同的运输工具，对道路要求也相同。?? 混合式塔筒（混凝土＋金属结构），减少投资。?? 内置吊车，便于安装和拆卸部件。?? 全容量变流器：由6个并联的770kW变流器（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。?? 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，从而提高效率。通过对上述的技术特点进行分析，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)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35,000台风机，总容量2,800万千瓦。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。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（四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70吨，叶轮（含叶片和轮毂）重量41吨，80米塔筒重量160吨，比其他同级别机型轻得多。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)美国Clipper公司成立于2001年，产品以Liberty系列2.5MW风机为主，有三种不同转轮直径（89、93和99米）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。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），与常用的三级行星齿轮箱设计相比，减轻了驱动轴的运转压力。通过分散载荷强度的多路式设计，将主轴的扭矩通过四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），四个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发电机体积大而重，不宜制造、运输和安装的缺点，并且一台发电机故障时其他三台仍能正常运行，提高了可靠性和发电量。此外，该风机还安装了两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特大型风机不仅体现了当代电机制造技术、材料工业、电子控制系统、流体特性和地质气象等领域的科技水平，而且引领着未来风机设计制造的方向。通过上述不同型号风机的介绍以及了解其他厂家的技术发展动态，对特大型风机技术的主要发展方向，初步总结如下。 ?? 单机容量的不断增大1980年商业化风机的单机容量仅为30kW, 叶轮直径为15米，而目前世界最大风机的单机容量达到了6MW，叶轮直径为127米。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！从年间，风机叶轮直径平均每年增加5米，如果继续保持这种速度，到2020年叶轮直径将达到200米，相应的单机容量将达到15MW。?? 传动系统设计的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三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这一设计，因此被冠以‘丹麦型’，从上世纪八十年代年到九十年代中后期一直在风机制造中占据着绝对主导地位。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的大幅增加。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，但通过集成化设计以及规模化生产，其竞争力将越来越强。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，但是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。?? 叶片技术的不断改进对于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，这两项措施可能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，发电量提高，并且改善其降噪特性。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（CFRP，Carbon Fiber Reinforced Composites）因具有密度小，强度高，刚性稳定，耐温耐蚀等特性，越来越多地应用在大型叶片制造中。目前CFRP制造成本是玻璃纤维复合材料的10倍以上，但是随着生产工艺的改进和规模化生产有进一步下降趋势。越来越多的夹层结构（Sandwich Structure）被应用到叶片设计当中，而且有愈演愈烈的趋势。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，优点显而易见，减少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。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。?? 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包含各类专业文献、应用写作文书、高等教育、中学教育、各类资格考试、外语学习资料、幼儿教育、小学教育、72风力发电机设计等内容。　
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