风机技术发展(及直驱永磁风机特点)
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8
疲劳问题(Fatigue Issue)
Wind turbines, by their very nature are subject to a great number of cyclic loads. The lower bound on the number of many of the fatigue-producing stress cycles in turbine components is proportional to the number of blade revolutions over the turbine’s lifetime. The total cycles, nL , over a turbine’s lifetime would be:
DFIG
PMSG
Electrical Excited SG Intermediate Circuit Converter 114m
变流器 Converter 叶轮直径 Rotor Diameter
4-quadrant IGCT Converter 70m
4-quadrant IGBT Converter 104m
风机单机容量发展
10
风机重量是决定成本的重要参数
风机的重量与载荷有关
• 叶轮扭矩 (Rotor Torque) 如下式: M = P/ω
M = 叶轮扭矩（RotorTorque） [ Nm ] P =叶轮输出功率（ Rotor Power ）[ kW ] ω = 叶轮角速度（Angular velocity）[ rad / s ]
风频分布 风轮效率Cp
传动发电效率 可利用率 上网损失 固定费率(FCR) 功率曲线 年发电量 (AEP)
风机(知识)结构体系与边界条件 Boundary conditions
控制能力 Control capacity
安全要求 safety
风力 Wind
风(湍流) turbulence
控制 Control 气动 机械 Mechanic
• 采用风力机对发电机直接驱动的方式，取消了齿轮箱．提高了风力发 电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量．减少了噪声污染。
16
风机技术发展
• 国外己研发出3000V~12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机 的效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的 损耗，使逆变效率达到98%以上；
发电的风机是个扭矩与转速的产品，高转速、低扭矩总可以让 电机和传动系统变小、变轻，从而降低整个风机成本。
11
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
• 叶轮扭矩与叶轮直径的关系
从图中可看出同样直径下（变转速）变桨风机的扭矩小于（定转速）失速风机 12 的扭矩。
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
For blade root stress cycles, k would be at least equal to 1 while, for the drive train or tower, k would be at least equal to the number of blades. A large turbine with an rpm of approximately 30 to 70 operating 4000 hours per year would experience from 108 to 109 cycles over a 20-year lifetime. This may be compared to many other manufactured items, which would be unlikely to experience more than 106 cycles over their lifetime.
where k is the number of cyclic events per revolution, nrotor is the rotational speed of rotor (rpm), Hop is the operating hours per year and Y is the years of operation.
风机单机容量发展
Size Development of Wind Turbines
• 重要的关系：风机重量与电能产量关系
（The Important Relation between Turbine Mass and Energy Yield）
• 目前发展的问题（Current issue） 风机单机质量增长快于技术革新速度和电能产量增长 • 没有技术创新，机头重量的增加要比电能产量增加的快。 • 如果假设机头单位重量的造价不变，机头就应当尽可能的 轻。
4
5 6
(a) Vertical extrapolation of wind speed based on the 1/7 power law. (b) Mean wind speed is based on Rayleigh speed distribution of equivalent mean wind power density. Wind speed is for standard sea-level conditions.
中国陆海域风能资源评估
气象局采用数值模拟技术得到的50m高度年平均风功率密度分布
风能的好坏（用风能密度W评估） (Wind energy resource good or not ?)
• • • W< 100 W/m2 – poor 不好 W = about 400W/m2 – good 好 W > 700 W/m2 – great 很好 From <Wind energy explained>
Zephyros 型号 Type 额定功率 Rated Power 齿箱 Gearbox 电机 Generator GE Energy Siemens Vestas REpower Multibrid Enercon
Z72
3.6s
3.6 MW
V120
5M
M5000
E112
2MW
3.6MW
3.6MW
4.5MW
2
风电系统发电的度电成本模型（不考虑环境效益）
部件成本 风机生产成本 组装成本 运输成本
利润
风场配套设施 部件故障率 备件成本 备件预定时间 平均维修时间 耗材 风场人力
风机购买价 格
初始资本成本 (ICC) 度电成本 (COE) COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP 基于20年。
年运行维护成本 (AOM)
• 叶片独立变桨 主动进行载荷控制;对桨叶及变桨距系统进行优化。
• 对于直驱永磁风力发电机，由于没有增速箱，电机直径比较大，因此 提高叶尖线速度对直驱风机来说降低成本意义比较大。 （金风可加强对噪音要求不高的地区，提高风机叶尖速度（增大直径 或增加转速）的研究）
17
世界大型风机介绍
Wind Products Overview (Megawatt Turbines)
• 单位质量扭矩与直径的关系
13
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
• 单位机头质量年产能与直径的关系 （~ 1/(R2/R1)
14
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
•
不同类型（变桨、失速、主动失速）单位机头质量年产能与直径的关系
15
风机技术发展
风机单机容量及技术发展趋势 • 目前，世界风电设备呈现大型化发展趋势，机型多为变速、变浆距运 行机组以提高风轮吸收风能的效率。但由于陆上的运输及吊装能力限 制，欧洲陆上风机的平均容量2-3MW，而用于海上的风机，不受运输 及吊装能力限制，已开发出6MW以上的大机组。现已有企业开始设计 和制造8～10 兆瓦风电机组. 海上风机远离居民，允许的气动噪声较大，叶尖线速度可以允许达到 85m/s，荷兰Darwind公司开发的5MW永磁直驱叶尖速甚至达到108米/ 秒。 • 发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电 机无刷化。并且运行时不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以 改善电网的功率因数。永磁电机在低负载时的高效，GE、西门子、 Gamesa等世界主要风机生产商在研发新风机时都开始采用永磁发电机。
GB/T 18710-2002风功率密度等级表
10m高度 30m高度 50m高度 风功率密 应用于并网 风功率密度 年平均风速 风功率密度 年平均风速 风功率密度 年平均风速 度等级 风力发电 参考值m/s 参考值m/s 参考值m/s W/m2 W/m3 W/m3 1 <100 4.4 <160 5.1 <200 5.6 2 100～150 5.1 160～240 5.9 200～300 6.4 3 150～200 5.6 240～320 6.5 300～400 7 较好 4 200～250 6 320～400 7 400～500 7.5 好 5 250～300 6.4 400～480 7.4 500～600 8 很好 6 300～400 7 480～640 8.2 600～800 8.8 很好 7 400～1000 9.4 640～1600 11 800～2000 11.9 很好
(a) 风剪切（粗糙度）指数基于1/7 (b) 平均风速与平均风能密度之关系基于风速概率 瑞利 分布. 空气密度基于海平面条件.
美国风资源分类
• Classes of wind power density at 10 m and 50 m (a).
10 m (33 ft) Wind Power Class* 1 2 3 Wind Power Density (W/m2) 0 100 150 200 250 300 400 7 1000 Speed (b) m/s (mph) 0 4.4 (9.8) 5.1 (11.5) 5.6 (12.5) 6.0 (13.4) 6.4 (14.3) 7.0 (15.7) 9.4 (21.1) 50 m (164 ft) Wind Power Density (W/m2) 0 200 300 400 500 600 800 2000 Speed (b) m/s (mph) 0 5.6 (12.5) 6.4 (14.3) 7.0 (15.7) 7.5 (16.8) 8.0 (17.9) 8.8 (19.7) 11.9 (26.6)
材料 material
部件
制造 manufacture
经济能力￥ economic
材料强度 material
制造能力
运输安装 transport
As the blades sweep the disk of air, the blade tip speed is typically 6 to 10 times the wind speed.
风机技术发展
（及直驱永磁风机特点）
By MXJ
1
风机技术发展
技术发展的主要目的（Main Development Goals) • 降低度电成本 （Decrease of energy production costs） • 延长部件寿命 （Increase of component life time）
频率50Hz（60Hz） 稳定的电压 Voltage 功率因数 PF>0.98
Aerodyn
电机 Electric
部件共振 resonance
并网 Grid
电力
振动
结ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 动力学
Structure dynamic
COE 度电成本
噪音 Noise － 叶尖速－转速
疲劳 极限 fatigue extrem
4-quadrant IGBT Converter 126m
4-quadrant GTO Converter 116m
120m
18 Source: OffshoreWind.de
不同驱动链对比
(美国 WindPACT Drive Train Alternative Design Study Report 2001-2005年的报告)
5MW
5MW
4.5-6MW
Gearless
3-Stage
3-Stage
3-Stage High Voltage DFIG Frequency Converter
3-Stage
1-Stage
Gearless
PMSG
DFIG
Squirrel Cage IG Fully Automated Converter 107m
疲劳问题(Fatigue Issue)
Wind turbines, by their very nature are subject to a great number of cyclic loads. The lower bound on the number of many of the fatigue-producing stress cycles in turbine components is proportional to the number of blade revolutions over the turbine’s lifetime. The total cycles, nL , over a turbine’s lifetime would be:
DFIG
PMSG
Electrical Excited SG Intermediate Circuit Converter 114m
变流器 Converter 叶轮直径 Rotor Diameter
4-quadrant IGCT Converter 70m
4-quadrant IGBT Converter 104m
风机单机容量发展
10
风机重量是决定成本的重要参数
风机的重量与载荷有关
• 叶轮扭矩 (Rotor Torque) 如下式: M = P/ω
M = 叶轮扭矩（RotorTorque） [ Nm ] P =叶轮输出功率（ Rotor Power ）[ kW ] ω = 叶轮角速度（Angular velocity）[ rad / s ]
风频分布 风轮效率Cp
传动发电效率 可利用率 上网损失 固定费率(FCR) 功率曲线 年发电量 (AEP)
风机(知识)结构体系与边界条件 Boundary conditions
控制能力 Control capacity
安全要求 safety
风力 Wind
风(湍流) turbulence
控制 Control 气动 机械 Mechanic
• 采用风力机对发电机直接驱动的方式，取消了齿轮箱．提高了风力发 电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量．减少了噪声污染。
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风机技术发展
• 国外己研发出3000V~12000V的风力发电专用高压发电机，使发电机 的效率进一步提高；高压三电平变流器的应用大大减少了功率器件的 损耗，使逆变效率达到98%以上；
发电的风机是个扭矩与转速的产品，高转速、低扭矩总可以让 电机和传动系统变小、变轻，从而降低整个风机成本。
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德国风能研究所（DEWI）2006年总结
• 叶轮扭矩与叶轮直径的关系
从图中可看出同样直径下（变转速）变桨风机的扭矩小于（定转速）失速风机 12 的扭矩。
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
For blade root stress cycles, k would be at least equal to 1 while, for the drive train or tower, k would be at least equal to the number of blades. A large turbine with an rpm of approximately 30 to 70 operating 4000 hours per year would experience from 108 to 109 cycles over a 20-year lifetime. This may be compared to many other manufactured items, which would be unlikely to experience more than 106 cycles over their lifetime.
where k is the number of cyclic events per revolution, nrotor is the rotational speed of rotor (rpm), Hop is the operating hours per year and Y is the years of operation.
风机单机容量发展
Size Development of Wind Turbines
• 重要的关系：风机重量与电能产量关系
（The Important Relation between Turbine Mass and Energy Yield）
• 目前发展的问题（Current issue） 风机单机质量增长快于技术革新速度和电能产量增长 • 没有技术创新，机头重量的增加要比电能产量增加的快。 • 如果假设机头单位重量的造价不变，机头就应当尽可能的 轻。
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5 6
(a) Vertical extrapolation of wind speed based on the 1/7 power law. (b) Mean wind speed is based on Rayleigh speed distribution of equivalent mean wind power density. Wind speed is for standard sea-level conditions.
中国陆海域风能资源评估
气象局采用数值模拟技术得到的50m高度年平均风功率密度分布
风能的好坏（用风能密度W评估） (Wind energy resource good or not ?)
• • • W< 100 W/m2 – poor 不好 W = about 400W/m2 – good 好 W > 700 W/m2 – great 很好 From <Wind energy explained>
Zephyros 型号 Type 额定功率 Rated Power 齿箱 Gearbox 电机 Generator GE Energy Siemens Vestas REpower Multibrid Enercon
Z72
3.6s
3.6 MW
V120
5M
M5000
E112
2MW
3.6MW
3.6MW
4.5MW
2
风电系统发电的度电成本模型（不考虑环境效益）
部件成本 风机生产成本 组装成本 运输成本
利润
风场配套设施 部件故障率 备件成本 备件预定时间 平均维修时间 耗材 风场人力
风机购买价 格
初始资本成本 (ICC) 度电成本 (COE) COE=(FCR*ICC+AOM)/AEP 基于20年。
年运行维护成本 (AOM)
• 叶片独立变桨 主动进行载荷控制;对桨叶及变桨距系统进行优化。
• 对于直驱永磁风力发电机，由于没有增速箱，电机直径比较大，因此 提高叶尖线速度对直驱风机来说降低成本意义比较大。 （金风可加强对噪音要求不高的地区，提高风机叶尖速度（增大直径 或增加转速）的研究）
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世界大型风机介绍
Wind Products Overview (Megawatt Turbines)
• 单位质量扭矩与直径的关系
13
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
• 单位机头质量年产能与直径的关系 （~ 1/(R2/R1)
14
德国风能研究所（DEWI）2006年总结
•
不同类型（变桨、失速、主动失速）单位机头质量年产能与直径的关系
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风机技术发展
风机单机容量及技术发展趋势 • 目前，世界风电设备呈现大型化发展趋势，机型多为变速、变浆距运 行机组以提高风轮吸收风能的效率。但由于陆上的运输及吊装能力限 制，欧洲陆上风机的平均容量2-3MW，而用于海上的风机，不受运输 及吊装能力限制，已开发出6MW以上的大机组。现已有企业开始设计 和制造8～10 兆瓦风电机组. 海上风机远离居民，允许的气动噪声较大，叶尖线速度可以允许达到 85m/s，荷兰Darwind公司开发的5MW永磁直驱叶尖速甚至达到108米/ 秒。 • 发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电 机无刷化。并且运行时不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以 改善电网的功率因数。永磁电机在低负载时的高效，GE、西门子、 Gamesa等世界主要风机生产商在研发新风机时都开始采用永磁发电机。
GB/T 18710-2002风功率密度等级表
10m高度 30m高度 50m高度 风功率密 应用于并网 风功率密度 年平均风速 风功率密度 年平均风速 风功率密度 年平均风速 度等级 风力发电 参考值m/s 参考值m/s 参考值m/s W/m2 W/m3 W/m3 1 <100 4.4 <160 5.1 <200 5.6 2 100～150 5.1 160～240 5.9 200～300 6.4 3 150～200 5.6 240～320 6.5 300～400 7 较好 4 200～250 6 320～400 7 400～500 7.5 好 5 250～300 6.4 400～480 7.4 500～600 8 很好 6 300～400 7 480～640 8.2 600～800 8.8 很好 7 400～1000 9.4 640～1600 11 800～2000 11.9 很好
(a) 风剪切（粗糙度）指数基于1/7 (b) 平均风速与平均风能密度之关系基于风速概率 瑞利 分布. 空气密度基于海平面条件.
美国风资源分类
• Classes of wind power density at 10 m and 50 m (a).
10 m (33 ft) Wind Power Class* 1 2 3 Wind Power Density (W/m2) 0 100 150 200 250 300 400 7 1000 Speed (b) m/s (mph) 0 4.4 (9.8) 5.1 (11.5) 5.6 (12.5) 6.0 (13.4) 6.4 (14.3) 7.0 (15.7) 9.4 (21.1) 50 m (164 ft) Wind Power Density (W/m2) 0 200 300 400 500 600 800 2000 Speed (b) m/s (mph) 0 5.6 (12.5) 6.4 (14.3) 7.0 (15.7) 7.5 (16.8) 8.0 (17.9) 8.8 (19.7) 11.9 (26.6)
材料 material
部件
制造 manufacture
经济能力￥ economic
材料强度 material
制造能力
运输安装 transport
As the blades sweep the disk of air, the blade tip speed is typically 6 to 10 times the wind speed.
风机技术发展
（及直驱永磁风机特点）
By MXJ
1
风机技术发展
技术发展的主要目的（Main Development Goals) • 降低度电成本 （Decrease of energy production costs） • 延长部件寿命 （Increase of component life time）
频率50Hz（60Hz） 稳定的电压 Voltage 功率因数 PF>0.98
Aerodyn
电机 Electric
部件共振 resonance
并网 Grid
电力
振动
结ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 动力学
Structure dynamic
COE 度电成本
噪音 Noise － 叶尖速－转速
疲劳 极限 fatigue extrem
4-quadrant IGBT Converter 126m
4-quadrant GTO Converter 116m
120m
18 Source: OffshoreWind.de
不同驱动链对比
(美国 WindPACT Drive Train Alternative Design Study Report 2001-2005年的报告)
5MW
5MW
4.5-6MW
Gearless
3-Stage
3-Stage
3-Stage High Voltage DFIG Frequency Converter
3-Stage
1-Stage
Gearless
PMSG
DFIG
Squirrel Cage IG Fully Automated Converter 107m