【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 54 1260000 第三章 研究開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵 研究開發(fā)項(xiàng)目?jī)?nèi)容 根據(jù)國家發(fā)展改革委的長期產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，我國的風(fēng)電裝機(jī)容量規(guī)劃目標(biāo) :到 2020 年風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到 3000 萬千瓦，以及國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布公告 ,中國決定在 20xx 年到 20xx 年間 ,實(shí)施可再生能源和新能源高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng) ,重點(diǎn)包括五大領(lǐng)域。其中 ,風(fēng)力發(fā)電主要開展 兆瓦變速恒頻風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組和 兆瓦直接驅(qū)動(dòng)永磁式風(fēng)電機(jī)組。 20xx 年 5月 ,全國風(fēng)電建設(shè)前期會(huì)議召開 ,國家發(fā)展和改革委員會(huì)能源局決定 ,在 20xx 年建立起完備的風(fēng)力發(fā)電工業(yè)體系 ,風(fēng)電技術(shù)水平和裝備能力達(dá)到國際水平。我公司已與德國艾羅迪（ aerodyn）公司于 20xx 年 10 月 31 日在杭州簽暑了聯(lián)合開發(fā)研制 兆瓦變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組合同書。（附件：公司與德國艾羅迪（ aerodyn）公司聯(lián)合開發(fā)研制 兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)合同） 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步電機(jī)或者雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，通過變槳距控制風(fēng)輪使整個(gè)系統(tǒng)在很 大的速度范圍內(nèi)按照最佳的效率運(yùn)行，是目前 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 16 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于風(fēng)機(jī)來說，其調(diào)速范圍一般在同步速的 50%～150％之間，如果采用普通鼠籠異步電機(jī)系統(tǒng)或者永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，變頻器的容量要求與所拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)，這是非常不經(jīng)濟(jì)的。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子和電網(wǎng)直接相連接，轉(zhuǎn)子和功率變換器相連接，通過變換器（變頻器）的功率僅僅是轉(zhuǎn)差功率，這是各種傳動(dòng)系統(tǒng)中效率比較高的，該結(jié)構(gòu)適合于調(diào)速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其是大、中容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 近幾年來，公司在開發(fā)研制、生產(chǎn) S43/600KW、 S48/750KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的過程中，已鍛煉、培養(yǎng)一大批科技技術(shù)人員，已具備開發(fā)研制兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能力。我公司與德國艾羅迪（ aerodyn）公司聯(lián)合開發(fā)研制 兆瓦變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。按照德國質(zhì)量認(rèn)證機(jī)構(gòu)勞埃德有關(guān)風(fēng)力機(jī)規(guī)范和 DIN 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，通過開發(fā)、消化、吸收、國產(chǎn)比率達(dá)到 90%以上，技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先水平。 我公司 開發(fā)研制的 HY70/1500KW、 HY77/1500KW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向、變槳距變速調(diào)節(jié)，采用雙反饋異步發(fā)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)方案也是當(dāng)今世界上技術(shù)成熟、性能可靠的風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組設(shè)計(jì)方案之一。 研究開發(fā)內(nèi)容 開發(fā)研制 1500kW 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它包括繞線型雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大容量交直交 PWM 型雙向變流器，風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制器， 變槳距控制系統(tǒng)， 主傳動(dòng) 齒輪箱優(yōu)化設(shè)計(jì)，葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)及選型 。 1） 額定電壓：三相定轉(zhuǎn)子電壓 690V，頻率 50Hz； 2） 雙饋異步發(fā)電機(jī)：三相，定子Δ接 /轉(zhuǎn)子 Y 接，定子額定電壓 690V， 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 17 額定功率 1500kW，定子側(cè)功率因數(shù)為 1，轉(zhuǎn)子額定電壓 690V，額定電流 400A； 3） 大容量交 直 交雙向變流器：三相輸 入 /輸出額定電壓 690V，輸出額定電流 400A，容量 500Kw，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為 1； 4） 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：變速范圍 100020xxrpm，效率95%，發(fā)電量額定值 1500kW；基于雙 DSP 的全數(shù)字化控制；標(biāo)準(zhǔn)通訊接口；具有故障檢測(cè)和保護(hù)功能，可靠運(yùn)行。 5） 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制器：常規(guī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，偏航控制，變槳控制，功率因數(shù)控制，自動(dòng)軟并網(wǎng)和軟解列控制；自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制；隨機(jī)風(fēng)速下的電功率平滑控制；基于 DSP 的全數(shù)字化控制；標(biāo)準(zhǔn)通訊接口；具有過流、過壓、過溫等故障檢測(cè)與保護(hù)功 能和顯示功能；符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。 （ 6） 風(fēng)電機(jī)組防雷保護(hù)技術(shù)研究，避雷裝置的設(shè)計(jì)符合 IEC 的規(guī)定，有內(nèi)外避雷保護(hù)。 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)涉及空氣動(dòng)力、機(jī)械、電力、電子、材料等各學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)，我公司與德國艾羅迪（ aerodyn）公司負(fù)責(zé)把握總體設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)零部件供應(yīng)商提出零部件的規(guī)格型號(hào)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求。主要零部件有：雙反饋異步發(fā)電機(jī)、齒輪箱、葉片、變頻器、變槳距控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)（該電控系統(tǒng)由本公司生產(chǎn)制造）、偏航軸承、主軸軸承、偏航減速器、偏航剎車制動(dòng)器、高速閘制動(dòng)器、偏航減速器、 液壓裝置、潤滑 系統(tǒng)、 減振器離合器等。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu) ﹡ 風(fēng)機(jī)主軸、齒輪箱、機(jī)械剎車由求墨鑄鐵殼體連成一體，結(jié)構(gòu)緊湊，發(fā)電機(jī)與齒輪箱之間采用萬向聯(lián)軸器及安全離合器連接。這樣既可使裝配簡(jiǎn)單又可在異 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 18 常情況下通過扭矩的限制保護(hù)整個(gè)放置系統(tǒng)。 ﹡ 風(fēng)機(jī)帶有自動(dòng)偏航系統(tǒng)，可根據(jù)風(fēng)向標(biāo)自動(dòng)確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方向，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)信號(hào)，通過減速的驅(qū)動(dòng)機(jī)艙自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。偏航系統(tǒng)在工作時(shí)帶有阻尼控制，并采用較優(yōu)化偏航速度的設(shè)計(jì)，使機(jī)組偏航旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。 ﹡ 風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，采用了柔性剎車技術(shù)，在保 證安全停機(jī)的前題下，制動(dòng)過程平穩(wěn)。 ﹡ 雙饋 異步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)帶有一定的安全裕量的較寬的高效率范圍，以防止瞬時(shí)沖擊載荷在低風(fēng)速輕載荷時(shí)依然能保持較高的效率。 ﹡ 在機(jī)組設(shè)計(jì)中考慮到復(fù)雜氣候條件下運(yùn)行，齒輪箱采用加強(qiáng)型設(shè)計(jì)，以抵抗氣動(dòng)載荷的沖擊。系統(tǒng)設(shè)置了齒輪潤滑油加熱裝置，外接強(qiáng)迫油冷卻裝置、發(fā)電機(jī)加熱除濕、散熱系統(tǒng)等。 ﹡ 風(fēng)機(jī)的機(jī)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了人性化的設(shè)計(jì)方案，非常方便運(yùn)行人員檢查維修， 并且還設(shè)計(jì)了電動(dòng)提升裝置，方便工具及備件的提升。 ﹡ 電控系統(tǒng)由就地控制和遠(yuǎn)方遙控兩部份組成，就地控制設(shè)計(jì)有軟件并網(wǎng)裝 置， 其軟并網(wǎng)裝置可將電流限定在額定功率點(diǎn)達(dá)到 以上。遠(yuǎn)方控制帶有全面的 信息系統(tǒng)的報(bào)表打印、數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 ﹡ 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 由計(jì)算機(jī)控制，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理、自動(dòng)運(yùn)行并可遠(yuǎn)程監(jiān)控。安 全系統(tǒng)獨(dú)立于控制系統(tǒng)，包括相互獨(dú)立、失效保護(hù)的葉片順漿空氣制動(dòng)剎車和兩 組機(jī)械剎車。 ﹡ 風(fēng)力機(jī)采用 PLC 控制模塊、控制柜有七大控制系統(tǒng)、軟并網(wǎng)控制、偏 航系統(tǒng)控制、制動(dòng)與安全保護(hù)控制、運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)控制、 變槳控制、功率因 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 19 數(shù)控制、 就地監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 ﹡ 中央控制 PC 機(jī)作上位機(jī)，將多 臺(tái)下位機(jī)控制系統(tǒng)（中心控制器）進(jìn)行組網(wǎng)， 通過專用的通信裝置和接口電路與 PC機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電組的運(yùn)行狀態(tài)、 運(yùn)行數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)存放、記錄故障情況，統(tǒng)計(jì)打印報(bào)表，也可以進(jìn)行偏航、復(fù) 位、啟動(dòng)、停機(jī)等操作?？刂葡到y(tǒng)選用 PLC、其主要優(yōu)點(diǎn)：可靠性高、通用性好、 功能強(qiáng)、設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短，使用方便，體積小，重量輕，便于安裝。編 程簡(jiǎn)單，編程器使用簡(jiǎn)便。 ﹡ 機(jī)型適應(yīng)于強(qiáng)烈陣風(fēng)、湍流風(fēng)，高溫、低溫等各種環(huán)境條件與沙漠、沿海地 區(qū)等，具有可靠性高，維修量低、容易保養(yǎng)等狀態(tài)，達(dá)到國際先進(jìn)水平。 主 要的關(guān)鍵技術(shù) 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)涉及空氣動(dòng)力、機(jī)械、電力、電子、材料等各學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)主要的關(guān)鍵技術(shù)有： （ 1）整機(jī)的載荷與總體設(shè)計(jì)，控制技術(shù)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。 主要在于通過載荷計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低機(jī)組的重量，改進(jìn)齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高其可靠性， 風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)， 優(yōu)化控制策略提高機(jī)組的偏航性能，優(yōu)化 變槳距控制系統(tǒng)最大限度的 捕 捉風(fēng)能提高發(fā)電量。 （ 2） 研制適用于 1500kW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的大容量交 直 交電壓型（或電流型）雙向變流器，實(shí)現(xiàn)此類產(chǎn)品國產(chǎn)機(jī)；研制基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制軟件和 PWM整流 /逆變控制軟件，適用 1500kW 以上級(jí)大型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。 （ 3）研制實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的軟并網(wǎng) /軟解列、自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制、隨機(jī)風(fēng)速下的電功率平滑控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障保護(hù)等系統(tǒng)控制策略，為機(jī)組的高效、可靠運(yùn)行提供保證。 軟并網(wǎng)和軟解列是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 20 要部分。一般的，當(dāng)電網(wǎng)容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多時(shí)候，可以不考慮發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的沖擊電流，鑒于目前并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平，所以必須要限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和解列時(shí)候的沖擊電流，做到對(duì)電網(wǎng)無沖擊或者沖擊最小。 并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上，在運(yùn)行過程中， 各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，跌落甚至短路故障會(huì)影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，可能造成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械損壞或熱損壞，所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行控制策略的研究是目前研究開發(fā)的重點(diǎn)。 （ 4） 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)控制器： 電控系統(tǒng)由就地控制和遠(yuǎn)方遙控兩部份組成，就地控制設(shè)計(jì)有軟件并網(wǎng)裝置，其軟并網(wǎng)裝置可將電流限定在額定功率點(diǎn)達(dá)到 以上。遠(yuǎn)方控制帶有全面的信息系統(tǒng)的報(bào)表打印、數(shù)據(jù)分析等多項(xiàng)功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān) 控，就地控制和遠(yuǎn)方監(jiān)控具有界面顯示功能。 常規(guī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，偏航控制，變槳控制，功率因數(shù)控制，自動(dòng)軟并網(wǎng)和軟解列控制；自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制；隨機(jī)風(fēng)速下的電功率平滑控制；基于 DSP 的全數(shù)字化控制；標(biāo)準(zhǔn)通訊接口；具有過流、過壓、過溫等故障檢測(cè)與保護(hù)功能和顯示功能；符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。 （ 5）風(fēng)機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)功率性能和發(fā)電量產(chǎn)生決定性的影響。因此， 葉片的載荷計(jì)算、氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（具體體現(xiàn)在葉片的形狀、扭轉(zhuǎn)和縱深設(shè)計(jì)上）、性能計(jì)算和氣彈穩(wěn)定性計(jì)算等。根據(jù)葉輪的各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)采用各種不同的計(jì)算方法并 設(shè)計(jì)出具有最佳使用性能的葉片。 （ 6） 變槳距控制系統(tǒng)：變槳距控制系統(tǒng)主要調(diào)整風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上漿葉的角度，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定的功率和安全的風(fēng)速下可靠的運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)包括伺服驅(qū) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 21 動(dòng)器、電機(jī)以及所需的其它元器件，諸如限位開關(guān)、傳感器、配電柜等。它通過滑環(huán)耦合器與電網(wǎng)及風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)連接。該系統(tǒng)全數(shù)字化、基于 IGBT 功率元件系列化，標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品；通訊與遠(yuǎn)程控制采用標(biāo)準(zhǔn) RS 接口或現(xiàn)場(chǎng)總線；伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)可選用異步電機(jī)或直流電機(jī)； 關(guān)鍵是硬件電路和控制軟件的開發(fā)。 附圖 :典型兩種 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙結(jié)構(gòu)圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 22 第四章 技術(shù)選型 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 23 技術(shù)選型 額定功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 ,三葉片、上風(fēng)向、水平軸、變槳、變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組。 主要技術(shù)數(shù)據(jù) : ◆ 額定功率 HY77/ 1500KW ◆ 切入風(fēng)速 3m/s ◆ 切出風(fēng)速 20m/s ◆ 最大抗風(fēng) （ 3秒） ◆ 額定風(fēng)速 13m/s ◆ 風(fēng) 場(chǎng)類型 Ⅲ 類 ◆ 葉片數(shù)量 3 ◆ 葉輪直徑 77m ◆ 葉片類型 玻璃纖維增強(qiáng)樹脂 ,殼層結(jié)構(gòu) ◆ 葉輪轉(zhuǎn)速 1020rpm ◆ 輪轂高度 70m ◆ 功率控制 變槳控制 ◆ 齒輪箱 一級(jí)行星二級(jí)平行齒輪 額定功率 1500KW ◆ 發(fā)電機(jī) 四極三相 異步雙反饋發(fā)電機(jī)（繞線式） 額定功率 1500KW 額定頻率 50 Hz 額定電壓 690 V 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)研制及國產(chǎn)化項(xiàng)目可行性研究報(bào) 告 24 ◆ 工作環(huán)境 常溫型： 15℃至 +40℃，（運(yùn)行溫度） 25℃至 +50℃ （生存溫度） 低溫型： 30℃至 +40℃，（運(yùn)行溫度） 40℃至 +50℃ （生存溫度） 沿海型： 沿海高溫型風(fēng)機(jī)：三防（防鹽霧、防濕熱、 防霉菌） 風(fēng)沙型： 草原沙漠地區(qū)風(fēng)機(jī)：主要防沙塵暴 ◆ 變頻器： IGBT 脈寬調(diào)節(jié)變頻器 定電壓： 三相輸入 /輸出電壓 690VAc； 額定電流： 三相輸入 /輸出電流 400A； 容量： 480KW； ◆ 剎車系統(tǒng)： 每個(gè)葉片機(jī)電