1、直驱式变速恒频双馈风力发电机组哈 尔 滨 动 力 设 备 股 份 有 限 公 司哈 电 发 电 设 备 国 家 工 程 研 究 中 心 有 限 公 司1直驱式变速恒频双馈风力发电机组概 述：地球上风力资源蕴藏量很大，是一种既清洁又廉价的再生资源。世界气象组织（WMO）估计地球上海洋和陆地的风能源约为 200 亿 kW，其中陆地约占一半。在全球范围内能源短缺和生态环境日益恶化的今天，各国对风能的开发利用越来越重视。许多国家把风电建设作为重要的能源政策。目前有些发达国家成功地使每千瓦风电投资接近火电投资，并将进一步降低发电成本。 风电工业将在全世界有较大的发展前景。我国有丰富的风力资源。国家发改委
2、和国家科委共同制定的“19962010 年中国新能源和可再生能源发展纲要” 及“ 新能源可再生能源优先发展项目” 也体现 出风力发电 是我国可再生能源的 发展方向，它可改善我国能源工业面临的经济增长和环境保护的双重压力。绿色能源中，风能不仅储量大，可利用率高，而且便于大规模开发。1990 年以来，全球风力发电设备总装机容量增长了 15%，年平均增长率达到 20%。截至 2001 年底，全世界风力发电装机容量已达 24100MW。已运行机组的最大单机容量已达 5MW。我国可开 发利用的风能资源陆地为2.53 亿 kW，近海 7.5 亿 kW，合计 10.03 亿 kW，仅次于前苏联和美国。近年来
3、，我国风力发电装机容量增加较快，2003 年达 567MW。按照国家发展规划，我国 风电装机容量到 2005 年将达 1000MW；2010 年将达4000MW；2015 年将达 10000MW；2020 年将达到 20000MW。目前我国新建和在建的风电场的机组基本上是由丹麦、德国等国提供成套设备或引进技术和部件在国内制造组装。作为我国老工业基地的哈尔滨电站设备集团是国家最大发电设备研究制造企业之一，含哈尔滨电机厂、哈尔滨锅炉厂、哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨2电站工程有限公司、哈电发电设备国家工程研究中心有限公司、佳木斯电机厂、阿城继电器厂和哈尔滨庆缘绝缘材料有限公司。占全国国产发电设备装机容量的
4、三分之一以上，为中央直属 44 户企业之一。拥有中国工程院院士 2 名，高级专业师 2394 名。国家计委批准成立的发电设备国家工程研究中心，专业门类齐全，拥有博士后 9 人，博士 6 人,硕士 16 人,具备雄厚的研发能力。国家计委批文要求我中心建立大型风力发电成套设备基地，为此建立了大型风电试验台。有大批电机、动力、涡轮、刚强度、自动控制方面的专家，具有自主研发、生产制造大型风力发电成套设备的能力。哈电集团以发电设备国家工程中心作为工程技术依托，以集团所属发电设备制造厂作为生产制造基地，在组织协调，项目管理，产品转化，生产制造以及人员、资金方面给予全力支持和充分保证。自 90 年代开始关注
5、风力发电项目的成套设备制造，在对国外各大风力发电设备主要制造商所采用的设备进行了大量的综合分析之后，吸取了其成功经验，分析了其设备在运行，维护 ，综合效率，对电网的影响，对环 境的影响等诸多因素后，结合新型特种电机技术研究，电力电子技术的发展，控制技术的发展，特别是借鉴我公司生产的大量几千千瓦到几十万千瓦低速（多极）水轮发电机组的经验，推出了无齿轮箱变速恒频双馈风力发电机组。使运行更加安全可靠、维护更为简便，综合效率大大提高。先后承担了黑龙江省杰出青年科学基金-无 齿轮箱 风力发电机的研究和哈尔滨市科技攻关项目“600kW 无齿轮箱变速恒频风力发电机的研制”等项目。 产品原理：无齿轮箱变速恒频
6、双馈风力发电成套设备包括：叶轮（浆叶，轮毂）发电机，偏航装置，塔架，控制和输变电装置。系 统原理框图如图 1 所示。由于风速是变化的，所以由风轮机拖动的双馈发电机的转速也是变3化的。由电机学可知： f1=pfm+f2式中：f1定子电流频率，由于定子与电网相 连，所以 f1 与电网频率相同；fm转子机械频率，决定于发电机转子的转速，即 fm=n/60；p电机的极对数；f2转子电流频率。由上式可知，当发电机的转速变化时，即 pfm 变化时，若控制 f2 相应变化，可使 f1 保持恒定不变，即与电网频率保持一致。当发电机的转速 n 小于定子旋转磁场的转速 n1 时，即 nn1时， 处于超同步状态，此
7、时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频远程通讯控制系统（基于 PCI 总线的工控机）DSP(SPWM)(计算，触发)双向变频器功率器件IGBT定子传感器/变送器信号转子传感器/变送器信号690V双馈发电机图 1 系统原理框图风轮机4器的能量流向逆向；当 n=n1 时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁。变速双馈发电机的恒压恒频控制策略如图 2 所示。1pfmf2f*1 f*10I2aI*2aI*2bU*1 U*1I2bU1Ia电 压调 节 器 无 功 电 流调 节 器相 位调 节 器 有 功 电 流调 节 器静 特 性补 偿 环 节矢量控制PWM 变 频
8、器Ib静 特 性补 偿 环 节图 2 变速双馈发电机的恒压恒频控制策略产品特点：我公司研制开发的新型风力发电机组代表了国际发展趋势（已申报国家专利），具有以下特点： 无齿轮箱，与国内外采用的有齿轮箱结构相比大大简化了结构，降低了噪音，提高了可靠性； 可根据风速改变转速并保持上网频率恒定，提高了风能利用率; 可通过励磁灵活快速的调节发电机有功功率、无功功率和功率因数，有利于电网稳定; 取消了补偿电容，不但不吸收电网无功而且还可向电网发送无功； 平稳并网，并网冲击电流不大于额定电流的 20% 。 可双馈发电，不但定子发电，在超工频运行 时转子也向电网发电，5提高机组发电量; 采用 DCS 系统控制
9、，DSP 单机控制，使用维护方便，提高了运行可靠性。 根据风速能自动调节风轮转速以获取高风能利用系数。 风能利用系数 Cp0.44l，启动风速 3 米/秒，额定风速 13/秒，切出风速 25 米/秒。 抗极端风速 50 米/秒。 适于低温（-30C 以下）地区运行。系统结构： 叶轮（浆叶、轮毂）：三桨叶，水平轴，上 风型，定浆距和变浆距两种形式。 发电机：采用多极变速恒频双馈发电机，机构如图 3 所示。 制动系统：采用两套机械和一套电制动制动系统，确保事故状态系统的安全制动。 偏航系统：由在机座上面的两个相互独立的传感器（风速计和风标）确定风速和风向。当风向变化时，风标登记这个方位，且传递信号
10、到控制器。控制偏航系统去转动机舱。 塔架：采用钢结构锥形筒，表面经防腐处理，内部设有梯子直接登上偏航系统和机舱，内部备有 220V 照明和月台。 控制系统：是一套基于工业控制计算机和数字信号处理器（DSP）的风力发电机组 DCS 控制系统。主要任务是将发电机切入和切除电网，并管理来自不同传感器（风电机组内部传感器，电网电压电流变送器等）的全部信息。根据采集的数据，计算机程序将自动以最佳和最安全的方式执行所有的控制操作。计算机实时监控全部6阀值参数。 运行和安全系统：风速达到 3m/s 时机组自启动，加速，到同步转速时，软切入；超出安全风速时自动停机；风速降到安全启动风速后，能自动再启动；事故情
11、况下空气断路器和机械制动可同时动作；安全系统是失灵安全型。除了监测控制系统还有利用离心力的冗余安全系统。产品业绩：一台结构相同的模型样机（10KW）已于 2003 年在哈尔滨太阳岛运行。现已与黑龙江华富木兰风电有限责任公司达成协议，在木兰风电一期工程中建一台 600KW 直驱 式变速恒频双馈风电试验机组；在富锦风电二期工程中建一台 1.2MW 直驱式变速恒频双馈风电试验机组。我公司同样也生产和开发 HYFD 永磁系列风力发电机组，其功率、规格等级参数同下表。7风力发电机组主要技术数据：型 号项 目 HFD20/100 HD35/300 HFD42/600 HFD50/750 HFD60/100
12、0HFD61/1200 HFD70/1500HFD75/2000HFD80/2500 HFD90/3000 HFD100/3000 HFD112/4000 HFD120/5000额 定 功 率 (kW) 100 300 600 750 1000 1200 1500 2000 2500 3000 4000 4500 5000最 大 输 出 功 率(kW)110 330 660 825 1100 1320 1650 2200 2750 3300 4400 4950 5500额 定 频 率 (Hz) 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 输出电压(V) 690
13、 690 690 690 690 690 690 690 690 690 690 690 690 功 率 因 素 (可 调 ) 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 额 定 风 速 (m/s) 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 转 速 变 化 范 围(%)+20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10 +20,-10起
14、 动 风 速 (m/s) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3切 除 风 速 (m/s) 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25叶轮直径(m) 20 35 42 50 60 61 70 75 80 90 100 112 120风能利用系数 Cp 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441 0.441塔架型式 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒 锥 形 钢 筒塔架高度(m) 20 35 50 50 60 65 70 70 75 75 80 80 85发电机 变速恒频 双馈 变速恒频双馈 变速恒频双馈 变速恒频 双馈 变速恒频双馈 变速恒 频双馈 变速恒频 双馈 变速恒频双馈 变速恒频 双馈 变速恒频 双馈 变速恒频 双馈 变速恒频 双馈 变速恒频 双馈额定转速(r/min)75 55 30 27 23 23 21 18 16 16 14 12 10系统控制 DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP DSP8
