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我国风力发电设备制造行业发展现状
 
文/北京清能华福风电技术有限公司 亢燕茹


一、风力发电行业发展现状
1.世界风力发电行业发展现状
  根据全球风能理事会的统计数据,截至2008年底,世界风电总装机容量达到12 079万kW,这意味着每年发电2600亿千瓦时,减少二氧化碳排放1.58亿吨。总装机容量排在前五位的国家依次是美国、德国、西班牙、中国和印度,他们的装机容量总和占世界装机容量的72.6%,即8 768万kW。美国的累计装机容量达到2 517万kW,占世界装机总量的20.8%,超过德国,成为世界第一。
2008年全球新增装机容量2 706万kW,新增装机容量排在前五位的国家是美国、中国、印度、德国和西班牙。中国在2008年世界新增装机容量中所占比例为23%。
2.中国风力发电行业发展现状
  自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今,经过近23年的努力,风电场装机规模不断扩大。根据中国风能协会的统计数据,截止2008年底,全国累计安装风电机组11600多台,装机规模约1215.3万kW,装机增长率为106%。装机分布在24个省(市、自治区),比2008年增加了重庆、江西和云南三个省市。累计装机容量排名前五位的省依次是内蒙古、辽宁、河北、吉林和黑龙江。
  在累计装机中,中国内资与合资企业产品占61.8%,金风科技的份额最大,占累计总装机的21.6%。外资企业产品占38.2%,西班牙歌美飒(Gamesa)的份额最大,占累计总装机的12.8%
  2008年内资(合资)企业新增装机容量排名前十位的依次是华锐、金风、东汽、运达、上海电气、明阳、航天安迅能、湘电、常牵新誉和北重。前三位华锐、金风和东汽的新增装机容量总和约为359万kW,占2008年新增装机比例为57.43%。

2008年新增装机市场份额 2008年累计装机市场份额
数据来源:中国风能协会

二、风力发电机
1.风力发电机的组成
  风力发电机主要部件有叶片、齿轮箱、发电机、控制系统、变流器、塔架、偏航系统、轮毂、变桨系统和主轴等几部分组成。风力发电机组中各部分零部件占总装机成本的比例如下表所示。
部件名称 占总成本比例 部件名称 占总成本比例 部件名称 占总成本比例
叶片 23.3% 塔筒 18.9% 齿轮箱 16.2%
变流器 7.3% 控制器 5.0% 变桨系统 3.9%
变压器 3.59% 发电机 3.4% 轮毂 3.0%
机架 2.8% 主轴 2.2% 偏航 2.0%
机舱罩 1.9% 热交换系统 1.3% 轴承 1.22%
螺栓 1.04% 电缆 0.96% 制动系统 0.6%

2.风力发电机的分类和技术特点
  根据叶轮驱动发电机的方式,风力发电机组有三个类型:第一种为双馈式,即叶轮轮毂通过多级齿轮增速箱驱动双馈异步发电机;第二种为直驱式,由叶轮直接驱动多极同步发电机;第三种为半直驱式,由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机,是直驱式和传统型风力发电机的混合。
  双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高,转矩小,重量轻,体积小,变流器容量小,但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。
  直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱,将风轮与低速同步发电机直接连接,然后通过变流器全变流上网,降低了机械故障的概率和定期维护的成本,同时提高了风电转换效率和运行可靠性,但是电机体积大、价格高。根据励磁方式的不同,这种低速同步发电机可分为永磁式、电励磁和混合励磁式三类。
  半直驱式风力发电机组也要求全功率逆变器。现多采用一级增速+双馈异步发电机或永磁同步发电机,一般均为中速机。这种机组与直驱式比较减小了发电机的体积,与双馈式比较减小了齿轮箱的体积、降低齿轮箱的制造成本和运行维护成本。
  目前应用最广泛的风力发电机组为双馈异步式风力发电机和永磁直驱同步风力发电机。下表是对这两个机型的比较。
  双馈式风电机组 永磁直驱式风电机组
结构 有齿轮箱,维护成本高 无齿轮箱, 机组机械结构简单
变流器容量 全功率的1/3 全功率逆变
电机造价/尺寸/重量 低/小/轻 高/大/重
电机滑环 一般每一年更换滑环一次 无滑环
电网电压突然降低的影响 电机端电流迅速升高,电机扭矩迅速增大 电流维持稳定,扭矩保持不便
控制 控制回路多,控制复杂些,但控制灵活 控制回路少,控制简单
电机种类 励磁 永磁,设计时要考虑永磁体退磁问题

三、1.5MW双馈异步风力发电机变流器
1.变流器的系统构成
双馈异步风力发电机变流器由主电路系统、配电路系统及控制系统构成。
(1)主回路
  转子侧逆变器(Rotor Inverter)
  直流母线单元(DC Bus)
  电网侧整流器(Grid Rectifier)
(2)配电系统及控制系统
  配电系统由并网接触器、主断路器、继电器、变压器等组成,自身集成有并网控制系统,用户无须再配置并网柜,提高了系统集成度,节约了机舱空间,柜中还提供供调试的220V电源。
控制器由高速数字信号处理器(DSP)、人机操作界面和PLC共同构成。整个控制系统配备UPS,便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。
变流器主回路框图

2.以清能华福自主研制的QHVERT-DFIG型1.5MW双馈异步风电机变流器(以下简称1.5MW变流器)为例
(1)1.5MW变流器的系统功能和技术特征
  QHVERT-DFIG变流器采用了拥有自主知识产权的“基于双DSP的全数字化矢量控制策略”的核心技术,采用该技术可以优化风力发电系统的运行,实现宽风速范围内的变速恒频发电,改善风机效率和传输链的工作状况,减少发电机损耗,提高运行效率,提升风能利用率。
QHVERT-DFIG变流器具有以下一些特点:
  优异的控制性能;
  完备的保护功能;
  良好的电网适应能力;
④具备高可靠性,适应高低温、高海拔等恶劣地区运行;
⑤提供多种通信接口,如Profibus, CANopen等(可根据用户要求扩展),用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。
⑥模块化设计,组合式结构,安装维护便捷;
⑦丰富的备品备件;专业、快速的技术服务。
(2)1.5MW变流器的主要技术参数
  额定容量:700kVA
  对发电机要求:双馈异步风力发电机
  输出电流正弦波失真率:<3%
④功率因数:容性0.9~感性0.9 可调
⑤变流器效率:≥97.5%
系统参数设定界面 波形显示界面

参考文献
1 全球风能理事会. 2008年全球风电市场统计.
2 施鹏飞.2008中国风电场装机容量统计.中国可再生能源学会风能专业委员会(中国风能协会).
文/北京清能华福风电技术有限公司 亢燕茹


一、风力发电行业发展现状
1.世界风力发电行业发展现状
  根据全球风能理事会的统计数据,截至2008年底,世界风电总装机容量达到12 079万kW,这意味着每年发电2600亿千瓦时,减少二氧化碳排放1.58亿吨。总装机容量排在前五位的国家依次是美国、德国、西班牙、中国和印度,他们的装机容量总和占世界装机容量的72.6%,即8 768万kW。美国的累计装机容量达到2 517万kW,占世界装机总量的20.8%,超过德国,成为世界第一。
2008年全球新增装机容量2 706万kW,新增装机容量排在前五位的国家是美国、中国、印度、德国和西班牙。中国在2008年世界新增装机容量中所占比例为23%。
2.中国风力发电行业发展现状
  自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今,经过近23年的努力,风电场装机规模不断扩大。根据中国风能协会的统计数据,截止2008年底,全国累计安装风电机组11600多台,装机规模约1215.3万kW,装机增长率为106%。装机分布在24个省(市、自治区),比2008年增加了重庆、江西和云南三个省市。累计装机容量排名前五位的省依次是内蒙古、辽宁、河北、吉林和黑龙江。
  在累计装机中,中国内资与合资企业产品占61.8%,金风科技的份额最大,占累计总装机的21.6%。外资企业产品占38.2%,西班牙歌美飒(Gamesa)的份额最大,占累计总装机的12.8%
  2008年内资(合资)企业新增装机容量排名前十位的依次是华锐、金风、东汽、运达、上海电气、明阳、航天安迅能、湘电、常牵新誉和北重。前三位华锐、金风和东汽的新增装机容量总和约为359万kW,占2008年新增装机比例为57.43%。

2008年新增装机市场份额 2008年累计装机市场份额
数据来源:中国风能协会


二、风力发电机
1.风力发电机的组成
  风力发电机主要部件有叶片、齿轮箱、发电机、控制系统、变流器、塔架、偏航系统、轮毂、变桨系统和主轴等几部分组成。风力发电机组中各部分零部件占总装机成本的比例如下表所示。
 

部件名称 占总成本比例 部件名称 占总成本比例 部件名称 占总成本比例
叶片 23.3% 塔筒 18.9% 齿轮箱 16.2%
变流器 7.3% 控制器 5.0% 变桨系统 3.9%
变压器 3.59% 发电机 3.4% 轮毂 3.0%
机架 2.8% 主轴 2.2% 偏航 2.0%
机舱罩 1.9% 热交换系统 1.3% 轴承 1.22%
螺栓 1.04% 电缆 0.96% 制动系统 0.6%


2.风力发电机的分类和技术特点
  根据叶轮驱动发电机的方式,风力发电机组有三个类型:第一种为双馈式,即叶轮轮毂通过多级齿轮增速箱驱动双馈异步发电机;第二种为直驱式,由叶轮直接驱动多极同步发电机;第三种为半直驱式,由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机,是直驱式和传统型风力发电机的混合。
  双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高,转矩小,重量轻,体积小,变流器容量小,但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。
  直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱,将风轮与低速同步发电机直接连接,然后通过变流器全变流上网,降低了机械故障的概率和定期维护的成本,同时提高了风电转换效率和运行可靠性,但是电机体积大、价格高。根据励磁方式的不同,这种低速同步发电机可分为永磁式、电励磁和混合励磁式三类。
  半直驱式风力发电机组也要求全功率逆变器。现多采用一级增速+双馈异步发电机或永磁同步发电机,一般均为中速机。这种机组与直驱式比较减小了发电机的体积,与双馈式比较减小了齿轮箱的体积、降低齿轮箱的制造成本和运行维护成本。
  目前应用最广泛的风力发电机组为双馈异步式风力发电机和永磁直驱同步风力发电机。下表是对这两个机型的比较。
 

  双馈式风电机组 永磁直驱式风电机组
结构 有齿轮箱,维护成本高 无齿轮箱, 机组机械结构简单
变流器容量 全功率的1/3 全功率逆变
电机造价/尺寸/重量 低/小/轻 高/大/重
电机滑环 一般每一年更换滑环一次 无滑环
电网电压突然降低的影响 电机端电流迅速升高,电机扭矩迅速增大 电流维持稳定,扭矩保持不便
控制 控制回路多,控制复杂些,但控制灵活 控制回路少,控制简单
电机种类 励磁 永磁,设计时要考虑永磁体退磁问题


三、1.5MW双馈异步风力发电机变流器
1.变流器的系统构成
双馈异步风力发电机变流器由主电路系统、配电路系统及控制系统构成。
(1)主回路
  转子侧逆变器(Rotor Inverter)
  直流母线单元(DC Bus)
  电网侧整流器(Grid Rectifier)
(2)配电系统及控制系统
  配电系统由并网接触器、主断路器、继电器、变压器等组成,自身集成有并网控制系统,用户无须再配置并网柜,提高了系统集成度,节约了机舱空间,柜中还提供供调试的220V电源。
控制器由高速数字信号处理器(DSP)、人机操作界面和PLC共同构成。整个控制系统配备UPS,便于电压跌落时系统具有不间断运行能力。
 

变流器主回路框图


2.以清能华福自主研制的QHVERT-DFIG型1.5MW双馈异步风电机变流器(以下简称1.5MW变流器)为例
(1)1.5MW变流器的系统功能和技术特征
  QHVERT-DFIG变流器采用了拥有自主知识产权的“基于双DSP的全数字化矢量控制策略”的核心技术,采用该技术可以优化风力发电系统的运行,实现宽风速范围内的变速恒频发电,改善风机效率和传输链的工作状况,减少发电机损耗,提高运行效率,提升风能利用率。
QHVERT-DFIG变流器具有以下一些特点:
  优异的控制性能;
  完备的保护功能;
  良好的电网适应能力;
④具备高可靠性,适应高低温、高海拔等恶劣地区运行;
⑤提供多种通信接口,如Profibus, CANopen等(可根据用户要求扩展),用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。
⑥模块化设计,组合式结构,安装维护便捷;
⑦丰富的备品备件;专业、快速的技术服务。
(2)1.5MW变流器的主要技术参数
  额定容量:700kVA
  对发电机要求:双馈异步风力发电机
  输出电流正弦波失真率:<3%
④功率因数:容性0.9~感性0.9 可调
⑤变流器效率:≥97.5%
 

系统参数设定界面 波形显示界面


参考文献
1 全球风能理事会. 2008年全球风电市场统计.
2 施鹏飞.2008中国风电场装机容量统计.中国可再生能源学会风能专业委员会(中国风能协会).

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