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大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

收稿日期:2006-02-01.

基金项目:国家863计划资助项目(2005AA512020).

作者简介:姚兴佳(1948-),男,辽宁抚顺人,博士生导师,主要从事风力发电方面的设计与研究.

风力发电技术

文章编号:1000-1646(2006)02-0196-06

特约

大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

姚兴佳,刘光德,邢作霞,王 超

(沈阳工业大学风能技术研究所,沈阳110023)

摘 要:针对大型变速风力发电机组总体设计中的几个关键技术问题进行了探讨,研究了机组的概念设计,在对几种驱动链结构机型进行对比的基础上,重点分析了目前国际市场上已商业化的基本驱动链结构和单永磁发电机直驱结构的风力发电机组的技术优势.以国家863!兆瓦级变速恒频风电机组?研制成果SU T 1000型机组为例,研究了发电成本估算问题及成本估算模型,提出了利用发电机成本模型优化风力发电机组设计参数的优化方法,并以发电成本最小为参数优化设计目标,对兆瓦级变速恒频风电机组的风轮直径进行优化设计,取得了较好的设计效果.关 键 词:变速;风力发电机组;参数优化;概念设计;成本模型法中图分类号:T M 614 文献标识码:A

Discussions on general design of large scale variable speed wind turbine

YAO Xing jia,LIU Guang de,XING Zuo xia,WANG Chao

(R esearch Institute of Wind Energ y T echnology,Shenyang U niversity o f T echnolog y,Shenyang 110023,China)

Abstract:Several problems on general desig n of large scale variable speed w ind turbine,including the drive drain type in concept design,estim ation of energy cost and optimal design of parameters based on cost modeling method,are discussed.The concept design is the first content to be finished in general design,w here the application status and several drive train structures of w ind turbine design are analyzed and compared.After describing the estimation of energy cost,the cost model is built up,and the wind rotor diameter is optim ally designed based on the aim of minimum cost of energy.Finally,one research result of prototy pe optimal desig n is given based on national 863project of Meg a w att variable speed constant frequency w ind turbine.

Key words:variable speed;w ind turbine;general design;concept design;cost modeling method 为推动经济社会发展、缓解常规能源资源有限并产生环境污染的问题,风能等可再生资源的开发利用已受到世界各国的高度注视.我国在过去的10年间,风力发电的增长速度一直保持着世界第一[1].今年实施的#可再生能源法?必将促进可再生能源开发利用的快速发展.

2004年全球风能发展速率为21%,8321MW 的新增装机容量创纪录地超过了2003年的8129MW.国家发改委规划2005年并网风电装机将达到

1GW,2010年达到4GW,2020年达到30GW,占全国装机容量的2%.2004年全国内地新增陆上风电机组250台,装机容量197MW,共有43个陆上风电场,累计装机近300台,容量达到764MW.2005年,中国累计风电装机容量达到1260MW,共建成59个风电场,机组1854台.按照国家发改委估计,在最近的5年内,中国将以每年1GW 的新增装机容量发展.风电有很大的发展空间.大型风力发电设备将成为新兴的装备制造业亮点[2].

第28卷第2期2006年4月沈 阳 工 业 大 学 学 报Journal of Shenyang University of Technology

Vol 28No 2Apr.2006

本文对大型变速风力发电机组结构进行了对比分析,以发电成本最低为目标,对优化机组设计等问题进行了阐述,并以国家863!兆瓦级变速恒频风电机组?研制成果SUT 1000设计为例,进行了基本驱动链结构风轮直径的优化设计分析.

1 风电机组的概念设计分析

风电机组的概念设计需要完成的设计任务包括:

1)确定初步设计所需的基本风机参数;2)所需的设计标准、认证规则和风机等级;3)叶片选择和叶片几何尺寸、结构和空气动力学参数;

4)齿轮箱类型和动力系统的布置;

5)所有主要结构和轴承的布局、位置和总体概述;

6)机舱重量的估计;

7)结构部件的制造技术的选择;8)主要部件的尺寸和重量的估计;

9)发电机电气特性(极限力矩和极限速度);10)桨距控制系统的概念、驱动装置的位置和电源;

11)刹车轴的额定值、刹车盘和卡点的位置.对于目前国际市场上涌现的几种不同驱动链的风电机组结构形式,美国国家可再生能源实验室NREL 将其大致分为4种结构形式:基本驱动链结构、单永磁发电机直驱结构、单级齿轮箱混合驱动形式,多电机联合驱动结构形式.这里对这几种机型设计进行简单分析和评价[3,4].1 1 基本驱动链结构

此机型的基本结构为:复合行星平行轴斜齿齿轮箱,双馈绕线式异步发电机.功率变换器位于发电机转子侧与电网耦合,机组可以变速运行,功率变换器容量为机组容量1/3.总体布局如图1所示[5]

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图1 基本驱动链总体布局图

Fig.1 G eneral layout diagram of basic dr ive train

基本驱动链发电系统结构如图2所示[6,7].定子通过并网接触器与电网相连,由功率变换器实现同步化后给出并网指令,实现快速软并网.转子侧通过功率变换器与电网相连.在变转速运行范围内,通过调节转子侧三相励磁电流,控制定子侧恒频恒压输出,保证电能输出质量

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图2 基本驱动链发电系统结构图

Fig.2 Config uration of generation system basic dr ive train

1 2 单永磁发电机直驱结构

此机型的基本结构由轮毂、发电机、后部支撑架等构成,主要部件为发电机,根据机械结构不同,可分为外转子式和内转子式.基本构成有:主轴、定子、转子、空心轴、定子外框、刹车器等.传递负载路径为:主轴承外套分别与轮毂和发电机转子连接,内套位于心轴上,定子外框与轴基座相连,中心轴通过螺栓与后支撑架连接,传递负载到塔架顶部.4个刹车闸钳位于发电机转子上,叶片变距系统控制电缆通过滑环导出.其结构如图3所示[8,9]

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图3 单永磁发电机直驱结构总体布局图F ig.3 General layout diag ram of sing le PM

generator direct drive str ucture 对于此结构机型设计,外直径和冷却方式设计为影响成本的两个关键点.通常情况下,电机增加直径成本降低,但大于5 5m 后,优势不再明显,对于欧洲市场来说,电机直径最大4m,这个是由欧洲运输条件决定的.对于美国市场,最常用的集装箱和铁路运输中大多数地区都可以允许

6m 直径,电机直径可以适当增大,成本也可随之降低.

在各种冷却方式中,通过比较自然空冷、强制

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第2期姚兴佳,等:大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

风冷、水冷却等几种方式后,虽然空气冷却的发电机效率高,散热好,但材料密度大.综合考虑后,水冷方式发电机结构紧凑,重量轻,虽损失一些效率和发电量,但目前还是一种比较经济的冷却方案.

发电机定子侧通过功率变换器与电网耦合,结构与后面的混合式机组采用的功率变换器相同,整个发电系统结构如图4所示,功率变换器为交 直 交形式,电机侧IGBT 整流桥采用主动整流形式,网侧IGBT 为普通逆变桥,输出后经过滤波馈入电网.如果扩展容量,可以通过桥臂并联方式达到.风机主控制器协调控制变桨距机构和功率变换器

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图4 单永磁发电机直驱结构发电系统结构图Fig.4 Configuration of power g eneration system in

sing le PM generator direct drive structure

1 3 单级齿轮箱混合驱动结构

此机型的基本结构为:复合行星斜齿齿轮箱、中速永磁发电机、回转支架、刹车系统等.传递负载路径为:轮毂与主轴承内连接,主轴承后部与齿轮箱外连接,发电机通过法兰与增速箱连接,风轮的力矩负载直接从主轴承传递到回转支架上,把对齿轮的冲击降低到最小,刹车器位于发电机后面,由刹车盘、刹车钳和液压系统构成,变距系统电缆通过滑环引出,单级齿轮箱混合驱动结构如图5所示[8]

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图5 单级齿轮箱混合驱动结构布局图Fig.5 General layout diagr am of single stage

gear box mixed drive train

1 4 多电机联合驱动结构

按照采用电机的类型不同,此机型可以分为多永磁发电机联合驱动机构和多感应发电机联合驱动机构.

总体来说基本结构为:主轴承、大齿轮、小齿轮、固定盘、发电机、刹车系统、支架等,多永磁发电机联合驱动基本结构如图6所示.

轮毂和大齿轮通过主轴承外啮合连接,轴承内环套在中间空心轴上,此结构有2种功能:1)中心轴为空心圆筒结构,可以允许负载通过此路径传递到支架上;

2)整个刚体圆盘结构便于发电机的安装.小齿轮与发电机轴啮合,悬臂于发电机轴承外,发电机外套与固定盘可以为一体式结构,轴心固定在支架上,传递负载到塔架顶部.刹车系统位于发电机后部,由3个刹车盘和刹车钳构成,滑环结构用来传递叶片变距系统控制线.如果把整个圆盘比喻为一个时钟盘面的话,在底部6点时刻处安装风轮锁定装置

大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

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图6 多永磁发电机联合驱动结构布局图

Fig.6 General layout diagr am of multi PM

generator united drive structure

整个发电系统的构成为:各个小电机配备独立的整流装置,集中到直流母线上,统一逆变、滤波并网,功率变换器的结构如图7所示.电网侧的逆变器与直驱结构的网侧逆变器相同,电机侧为多条支路并联,从而使并网装置成本增加

大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

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图7 多永磁发电机联合驱动结构功率变换器拓扑图

F ig.7 Configuration of multi PM g enerator

united drive pow er converter

198 沈 阳 工 业 大 学 学 报

第28卷

2 4种结构形式的比较

前面所述4种驱动链结构概念设计的基本分类和比较如表1、表2所示.

表1 4种驱动链结构设计比较

Tab.1 C omparison among4drive train structures

机型定义驱动链

结构

发电机定义特征描述

1基本驱

动链

多级齿

轮传动

%多级行

星斜齿

2直驱无齿轮

传动

&(a)和&(b)无齿轮低

速发电机

3低速单级齿

轮传动

?(a)和?(b)行星式

4(a)多通道多级齿

轮传动

%2个或多

个发电机

4(b)多通道单级齿

轮传动

?(a)和?(b)2个或多

个发电机

表2 4种驱动链结构所用电机比较Tab.2 Comparison among generators in4drive train structures

发电机定义速度级别

速度范围

r/min

发电机

类型

技术描述

%作为参

考对象1200

绕线转子

感应式

技术成熟

&(a)低速20绕线转子

同步

新型设计

&(b)低速20永磁同步新型设计

?(a)中速100绕线转子

同步

新型设计?(b)中速100永磁同步新型设计 由此可以看出,基本驱动链结构的技术比较成熟,其他结构都有设计风险.目前国际市场上商业化的有两种机型:基本驱动链结构、单永磁发电机直驱结构,各有优缺点[9].

双馈式基本驱动链结构的优点:

1)变流器容量小,降低机组成本,容量越大优势越明显;

2)变速范围宽,可以在同步速上下30%转速范围内运行;

3)输出电能质量高,可以调节有功、无功功率输出,调节功率因数,起到电网无功补偿的作用.

存在的缺点:

1)电机转子绕组带有滑环、碳刷,增加维护和故障率;

2)控制系统结构复杂,有难度.

单永磁发电机直驱结构主要优点:

1)系统结构简单;

2)故障率低,维护简单;

3)变速运行范围宽,机组风能捕获效率高.

主要缺点:

1)采用的多极低速永磁同步发电机,电机直径大,受运输问题的限制,随着机组设计容量的增大,电机设计、加工制造都有困难;

2)采用全容量逆变装置,功率变换器设备投资大,增加控制系统成本.

此两种机型中,至于采取那种较好,还要视应用地区情况而定.

3 利用成本模型法优化设计参数

在大型风力发电机组的总体设计中,为了加强机组的市场竞争力,机组的发电成本是必须考虑的因素.假设技术成熟,风电场建设具有相当规模,风力发电(COE)成本可由式(1)计算得出[10].

C COE=

C ICC(R FCR+C O&M+C LRC

Q AEP(1)式中:C ICC为原始资本成本,元;R F CR为固定利息率,%/年;C O&M为运行和维护成本,元/年;

C LRC为平准化重置成本,元/年;Q AEP为年净发电量,kWh/年;C COE的单位为元/kWh.

在样机产业化过程中,基于原型机进行机型优化设计时,希望产品的成本最小,经济性好.采取建立发电成本模型的方法,取得最小化成本模型的机组设计参数为可取的一条路径[11,12].

具体考虑如下,发电成本与机组成本直接相关,机组成本由各部件成本构成,一般来说,部件的成本会受重量影响,如果近似认为一个部件的成本与它的重量大小有近似线性的变化关系,建立的关系式为

C(x)=C B

m(x)

m B

+(1- )(2)式中:C(x)和m(x)为部件相应的成本和重量; x为设计参数值;C B和m B为基本传动链结构设计下的成本和重量; 为成本随重量变化的因子,对于不同部件和机型设计, 取值不同.在设计的初期, 的取值需要有经验的专家根据生产制造成本随容量大小的变化方式来确定.

以沈阳工业大学制造的1MW SU T 1000双馈式变速恒频风电机组的设计为例,部件成本比

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第2期姚兴佳,等:大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

例构成如表3所示.

表3 SUT 1000机组部件成本比例(1MW,D=60m) Tab.3 Cost percent of SUT 1000wind turbine

components(1MW,D=60m)

部件成本比

例/%

部件

成本比

例/%

叶片12 77油冷却及排风0 93

轮毂3 78减振器0 91

主轴4 95控制器13 51

齿轮箱6 57塔架12 68

发电机、联轴器3 97刹车系统2 11

机舱底盘、罩6 62基础2 18

偏航系统6 19装配3 97

变距机构3 43运输5 01

并网装置10 41

合计100

根据研究,发电成本除了发电机、并网装置、控制器之外,其它部件都与直径有一致的变化关系,在叶尖速比恒定情况下,风轮转速与直径成反比变化,相同额定风速和同样尖速比下,额定功率正比于直径的平方,由于转矩等于功率除以转速,所以低速轴转矩与直径的立方成正比.假设齿轮箱的重量随扭矩的变化而变化,那么,齿轮箱的重量与直径的立方也成正比变化关系,其它部件的考虑也如是.这样的话,假设 =0 9,除了发电机、控制器、并网装置(占总成本27 89%)之外的所有部件成本(占总成本72 11%)与风轮直径的立方有一致的比例变化关系,可以表示为

C1(D)=0 7211C T(60)0 9D

60

3

+0 1(3)

式中:C T(60)为基本传动链(1MW,60m)结构设计机组整个成本.

发电机和并网装置与风轮直径的平方成正比变化关系,假设 仍为0 9,此部分成本可以表示为(发电机和并网装置占总成本的15 8%)

C2(D)=0 1438C T(60)0 9D

60

2

+0 1(4)

控制器不随风轮直径的变化而变化,成本固定,其占总成本比重的13 51%,整个机组成本估计为

C T(D) C

大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

T (60)

=0 72110 9D

60

3

+0 1+

0 1438

大型变速风力发电机组总体设计中的几个问题探讨

0 9

D

60

2

+0 1+0 1351

(5)按照式(5)所绘制出的成本变化曲线如图8

所示,可以看出,优化后的机组直径为50m.图8 基于1M W基本驱动链结构风轮直径设计优化曲线F ig.8 Optimal desig n curves of rotor diameter in1M W

basic drive train structur e

4 结 论

大型变速风力发电机组的概念设计是总体设计首先要完成的内容.通过对几种驱动链结构机型进行分析可知,采用基本驱动链结构的变速恒频风电机组和单永磁发电机直驱结构的风电机组具有显著的技术优势.此外对风电机组产业化关心的成本问题进行了分析,提出了利用发电成本模型法优化机组设计参数的方法.理论分析和研制!兆瓦级变速恒频风电机组?的实践表明,所提出的优化方法是可行的,研究成果对风电机组设计和产业化具有一定的参考价值.

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(责任编辑:王艳香 英文审校:杨俊友)

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(责任编辑:吉海涛 英文审校:沈新普)

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