15mw风力发电机组开发研制及国产化建设项目可行性研究报告(编辑修改稿)

15mw风力发电机组开发研制及国产化建设项目可行性研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

54 1260000 第三章 研究开发内容和技术关键 研究开发项目内容 根据国家发展改革委的长期产业规划，我国的风电装机容量规划目标 :到 2020 年风电装机容量达到 3000 万千瓦，以及国家发展和改革委员会发布公告 ,中国决定在 20xx 年到 20xx 年间 ,实施可再生能源和新能源高技术产业化专项 ,重点包括五大领域。 其中 ,风力发电主要开展 兆瓦变速恒频风力 发电机组和 兆瓦直接驱动永磁式风电机组。 20xx 年 5月 ,全国风电建设前期会议召开 ,国家发展和改革委员会能源局决定 ,在 20xx 年建立起完备的风力发电工业体系 ,风电技术水平和装备能力达到国际水平。 我公司已与德国艾罗迪（ aerodyn）公司于 20xx 年 10 月 31 日在杭州签暑了联合开发研制 兆瓦变速恒频风力发电机组合同书。 （附件：公司与德国艾罗迪（ aerodyn）公司联合开发研制 兆瓦风力发电机组开发合同） 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 大的速度范围内按照最佳的效率运行，是目前 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 16 风力发电技术的发展方向。 对于风机来说，其调速范围一般在同步速的 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（变频器）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，该结构适合于调速范围不宽的风力发电系统，尤其是大、中容量的风力发电系统。 近几年来，公司在开发研制、生产 S43/600KW、 S48/750KW 风力发电机组的过程中，已锻炼、培养一大批科技技术人员，已具备开发研制兆瓦级风力发电机组的能力。 我公司与德国艾罗迪（ aerodyn）公司联合开发研制 兆瓦变速恒频风力发电机组。 按照德国质量认证机构劳埃德有关风力机规范和 DIN 标准设计制造，通过开发、消化、吸收、国产比率达到 90%以上，技术水平达到国际领先水平。 我公司 开发研制的 HY70/1500KW、 HY77/1500KW 风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距变速调节，采用双反馈异步发电机组的总体设计方案也是当今世界上技术成熟、性能可靠的风力发 电机组设计方案之一。 研究开发内容 开发研制 1500kW 变速恒频双馈异步风力发电机组，它包括绕线型双馈异步风力发电机，大容量交直交 PWM 型双向变流器，风力机系统控制器， 变桨距控制系统， 主传动 齿轮箱优化设计，叶片优化设计及选型。 1） 额定电压：三相定转子电压 690V，频率 50Hz； 2） 双馈异步发电机：三相，定子Δ接 /转子 Y 接，定子额定电压 690V， 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 17 额定功率 1500kW，定子侧功率因数为 1，转子额定电压 690V，额定电流 400A； 3） 大容量交 直 交双向变流器：三相输 入 /输出额定电压 690V，输出额定电流 400A，容量 500Kw，网侧功率因数为 1； 4） 变速恒频双馈异步风力发电机系统：变速范围 100020xxrpm，效率95%，发电量额定值 1500kW；基于双 DSP 的全数字化控制；标准通讯接口；具有故障检测和保护功能，可靠运行。 5） 风力机系统控制器：常规的状态监测，偏航控制，变桨控制，功率因数控制，自动软并网和软解列控制；自动最大功率点跟踪控制；随机风速下的电功率平滑控制；基于 DSP 的全数字化控制；标准通讯接口；具有过流、过压、过温等故障检测与保护功 能和显示功能；符合工业现场运行要求。 （ 6） 风电机组防雷保护技术研究，避雷装置的设计符合 IEC 的规定，有内外避雷保护。 大型风力发电机技术设计涉及空气动力、机械、电力、电子、材料等各学科领域技术，我公司与德国艾罗迪（ aerodyn）公司负责把握总体设计技术，并对零部件供应商提出零部件的规格型号、技术标准和技术要求。 主要零部件有：双反馈异步发电机、齿轮箱、叶片、变频器、变桨距控制器、风力发电机组电控系统（该电控系统由本公司生产制造）、偏航轴承、主轴轴承、偏航减速器、偏航刹车制动器、高速闸制动器、偏航减速器、 液压装置、润滑 系统、 减振器离合器等。 产品结构 ﹡ 风机主轴、齿轮箱、机械刹车由求墨铸铁壳体连成一体，结构紧凑，发电机与齿轮箱之间采用万向联轴器及安全离合器连接。 这样既可使装配简单又可在异 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 18 常情况下通过扭矩的限制保护整个放置系统。 ﹡ 风机带有自动偏航系统，可根据风向标自动确定风力发电机的方向，当风向发生偏转时，控制系统根据风向标信号，通过减速的驱动机舱自动对准风向。 偏航系统在工作时带有阻尼控制，并采用较优化偏航速度的设计，使机组偏航旋转更加平稳。 ﹡ 风机的控制系统，采用了柔性刹车技术，在保 证安全停机的前题下，制动过程平稳。 ﹡ 双馈 异步发电机设计带有一定的安全裕量的较宽的高效率范围，以防止瞬时冲击载荷在低风速轻载荷时依然能保持较高的效率。 ﹡ 在机组设计中考虑到复杂气候条件下运行，齿轮箱采用加强型设计，以抵抗气动载荷的冲击。 系统设置了齿轮润滑油加热装置，外接强迫油冷却装置、发电机加热除湿、散热系统等。 ﹡ 风机的机舱结构设计采用了人性化的设计方案，非常方便运行人员检查维修， 并且还设计了电动提升装置，方便工具及备件的提升。 ﹡ 电控系统由就地控制和远方遥控两部份组成，就地控制设计有软件并网装 置， 其软并网装置可将电流限定在额定功率点达到 以上。 远方控制带有全面的 信息系统的报表打印、数据分析等多项功能，可以实现远程监控。 ﹡ 风力发电机 由计算机控制，数据自动采集处理、自动运行并可远程监控。 安 全系统独立于控制系统，包括相互独立、失效保护的叶片顺浆空气制动刹车和两 组机械刹车。 ﹡ 风力机采用 PLC 控制模块、控制柜有七大控制系统、软并网控制、偏 航系统控制、制动与安全保护控制、运行状态参数监测控制、 变桨控制、功率因 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 19 数控制、 就地监控和远程监控。 ﹡ 中央控制 PC 机作上位机，将多 台下位机控制系统（中心控制器）进行组网， 通过专用的通信装置和接口电路与 PC机进行通信，实时监测风电组的运行状态、 运行数据、累计数据存放、记录故障情况，统计打印报表，也可以进行偏航、复 位、启动、停机等操作。 控制系统选用 PLC、其主要优点：可靠性高、通用性好、 功能强、设计、施工和调试周期短，使用方便，体积小，重量轻，便于安装。 编 程简单，编程器使用简便。 ﹡ 机型适应于强烈阵风、湍流风，高温、低温等各种环境条件与沙漠、沿海地 区等，具有可靠性高，维修量低、容易保养等状态，达到国际先进水平。 主 要的关键技术 大型风力发电机技术设计涉及空气动力、机械、电力、电子、材料等各学科领域技术主要的关键技术有： （ 1）整机的载荷与总体设计，控制技术及关键部件的设计制造技术。 主要在于通过载荷计算优化设计，降低机组的重量，改进齿轮箱结构设计提高其可靠性， 风机叶片的空气动力学设计， 优化控制策略提高机组的偏航性能，优化 变桨距控制系统最大限度的 捕 捉风能提高发电量。 （ 2） 研制适用于 1500kW 双馈风力发电机系统的大容量交 直 交电压型（或电流型）双向变流器，实现此类产品国产机；研制基于定子磁场定向的矢量控制软件和 PWM整流 /逆变控制软件，适用 1500kW 以上级大型双馈风力发电机系统。 （ 3）研制实现双馈风力发电机系统的软并网 /软解列、自动最大功率点跟踪控制、随机风速下的电功率平滑控制、状态监测和故障保护等系统控制策略，为机组的高效、可靠运行提供保证。 软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 20 要部分。 一般的，当电网容量比发电机的容量大得多时候，可以不考虑发电机并网的冲击电流，鉴于目前并网运行的发电机组已经发展到兆瓦级水平，所以必须要限制发电机在并网和解列时候的冲击电流，做到对电网无冲击或者冲击最小。 并网型双馈风力 发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行过程中， 各种原因引起的电网电压波动，跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。 电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以三相电网电压突然跌落时的系统持续运行控制策略的研究是目前研究开发的重点。 （ 4） 风力机系统控制器： 电控系统由就地控制和远方遥控两部份组成，就地控制设计有软件并网装置，其软并网装置可将电流限定在额定功率点达到 以上。 远方控制带有全面的信息系统的报表打印、数据分析等多项功能，可以实现远程监 控，就地控制和远方监控具有界面显示功能。 常规的状态监测，偏航控制，变桨控制，功率因数控制，自动软并网和软解列控制；自动最大功率点跟踪控制；随机风速下的电功率平滑控制；基于 DSP 的全数字化控制；标准通讯接口；具有过流、过压、过温等故障检测与保护功能和显示功能；符合工业现场运行要求。 （ 5）风机叶片的空气动力学设计会对风机功率性能和发电量产生决定性的影响。 因此， 叶片的载荷计算、气动外形和结构设计（具体体现在叶片的形状、扭转和纵深设计上）、性能计算和气弹稳定性计算等。 根据叶轮的各种运转状态采用各种不同的计算方法并 设计出具有最佳使用性能的叶片。 （ 6） 变桨距控制系统：变桨距控制系统主要调整风力发电设备上浆叶的角度，使风力发电机组在额定的功率和安全的风速下可靠的运行。 整个系统包括伺服驱 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 21 动器、电机以及所需的其它元器件，诸如限位开关、传感器、配电柜等。 它通过滑环耦合器与电网及风力机控制系统连接。 该系统全数字化、基于 IGBT 功率元件系列化，标准化产品；通讯与远程控制采用标准 RS 接口或现场总线；伺服驱动电机可选用异步电机或直流电机； 关键是硬件电路和控制软件的开发。 附图 :典型两种 风力发电机组机舱结构图 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 22 第四章 技术选型 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 23 技术选型 额定功率 风力发电机组 ,三叶片、上风向、水平轴、变桨、变速恒频双馈发电机组。 主要技术数据 : ◆ 额定功率 HY77/ 1500KW ◆ 切入风速 3m/s ◆ 切出风速 20m/s ◆ 最大抗风 （ 3秒） ◆ 额定风速 13m/s ◆ 风 场类型 Ⅲ 类 ◆ 叶片数量 3 ◆ 叶轮直径 77m ◆ 叶片类型 玻璃纤维增强树脂 ,壳层结构 ◆ 叶轮转速 1020rpm ◆ 轮毂高度 70m ◆ 功率控制 变桨控制 ◆ 齿轮箱 一级行星二级平行齿轮 额定功率 1500KW ◆ 发电机 四极三相 异步双反馈发电机（绕线式） 额定功率 1500KW 额定频率 50 Hz 额定电压 690 V 风力发电机组开发研制及国产化项目可行性研究报 告 24 ◆ 工作环境 常温型： 15℃至 +40℃，（运行温度） 25℃至 +50℃ （生存温度） 低温型： 30℃至 +40℃，（运行温度） 40℃至 +50℃ （生存温度） 沿海型： 沿海高温型风机：三防（防盐雾、防湿热、 防霉菌） 风沙型： 草原沙漠地区风机：主要防沙尘暴 ◆ 变频器： IGBT 脉宽调节变频器 定电压： 三相输入 /输出电压 690VAc； 额定电流： 三相输入 /输出电流 400A； 容量： 480KW； ◆ 刹车系统： 每个叶片机电。