浅谈海上风力发电技术及应用

渤海油田海上风力发电示范项目所采用的金风70/1500风力发电机组的控制系统主要由控 制柜、机舱控制柜、三套变浆柜、传感器和连接电缆组成，相关电气设备有低压电气柜、电容 柜、变流柜。控制系统包含正常运行控制、运行状态检测和安全保护三个方面的功能。它能够 满足风力发电机组无人值守、自动运行、状态控制及监测的要求。
上的有利变化。 -
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(2) 变桨速运行。高翼尖速度桨叶设计，可提高风机起始工作风速并带来较大的气动力损 失，采用变桨速设计技术可以解决这个问题，它能使风机在额定转速附近以最大速度工作。
(3) 减少桨叶数量。现在大多数风机采用3桨叶设计，存在噪声和视觉污染。采用2桨叶设 计会带来气动力损失，但可降低制造、安装等成本，因此也是研究的一个方向。
图1 陆地、海上风速剖面图比较 3.2 风湍流特性 湍流度描述的是风速相对于其平均值的瞬时变化情况，可以表示为风速的标准偏差除以一 段时间（通常10m/in）风速的平均值。自由风湍流特性对风机的疲劳载荷大小影响很大。由于 海上大气湍流度较陆地低，所以风机转动产生的扰动恢复慢，下游风机与上游风机需要较大的 间隔距离，即海上风场效应较大。通常岸上湍流度为10%，海上为8%。海上风湍流度开始时随 风速增加而降低，随后由于风速增大、海浪增高导致其逐步增加，如图2所示
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图2 海上风速与湍流度关系 除此之外，湍流度还随高度增加而几乎呈线性下降趋势，如图3所示。
3.3 水深与海浪
图3 海面上高度与湍流度关系
水深和海浪是影响海上风电场发展的2个重要自然因素。水深不仅直接影响塔基尺寸和质
量，而且影响海浪产生载荷。海浪随水深而增高，水深同时使海面到塔基的塔杆增加，从而导 致塔基受到很大的翻滚力矩。国外研究表明，浪高随风速增加基本呈线性增加，当风速大于
2.2 风力发电的控制系统原理 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系: （1）风力涡轮机特性： 风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 （2）叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖
同陆地风力发电相比，海上风力发电有很多优势及特点，以下就海上风环境的特点简单介 绍一下。
3.1 风速剖面图 海面的粗糙度要较陆地小的多，因此风速在海平面随高度变化增加很快，通常在安装风机 所关注的高度上，风速变化梯度已经很小了。因此通过增加塔高的方法增加风能的捕获在某种 程度上不如陆地有效。由于海上风边界层低，所以海面上塔高可以降低。陆地与海上风速剖面 比较如图1所示。
在风力发电向海上发展的同时，中国海油也将战略目标定位为“在2008年建成具有国际 竞争力的综合型能源公司”，并将“新能源、可替代能源、可再生能源领域的探索取得实质性 进展”写入“十一五”规划目标中。海上平台的主要电源均来自发电机发电，如果充分利用海 上风力丰富的优势，将风力发电作为发电机的补偿电源，这将会大大节省发电成本。风电的投 入可节省柴油或者天然气用量，节约能源，是解决海上平台后期缺少燃料供应问题的一种尝试。 因此大规模风力发电场的开发建设，将是在新能源领域里的投资重点。
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目前风力发电渤海示范项目的实施，预示着海洋工程已将“风能利用”作为重点研究方 向之一。尽管风力发电本身具有随机性、间歇性和不可控制的特点，但相信在不久的将来， 随着海上风力发电技术的愈加成熟，风力发电从辅助发电转变成为海上电力系统的主要发电 装置将会成为现实。
4.2 电力传输和接入电网的技术特点 由于自然风具有随机性、间歇性和不可控性的特点，目前海上工程风力发电应用还不能作 为工程主要电力输出，只能先作为电力补充。基于这种考虑，在渤海油田海上风力发电示范项 目中，风力发电机与原平台的透平发电机联合运行，互补发电。作为辅助电力，就意味着风电 机还需同发电机进行并网运行，将部分负载作为负荷。在风力发电中，当风力发电机与电网并 联运行时，要求风电的频率与电网频率保持一致，即频率保持恒定。恒速恒频指在风力发电过 程中，保持发电机转速不变，从而得到恒频的电能；变速恒频指在风力发电过程中发电机的转 速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。风力机的功率与风速的三次方成正比， 即P=1/2CpAρυ3。 风力电网在并入正常电网存在许多难点。由于风力发电机组输出功率的波动，直接影响电 网的有功功率的平衡及频率的变化。这样，现有燃气发电机的AVR和GOV的调节性能是否能够与 风电机输出的波动性功率及电压变化相协调、互补，是能否保证电网电能质量及其可靠运行的 关键所在。正常运行时，风力发电机的投入和退出以及风功率的波动都会影响电网的电压和频 率，因此，励磁调节器AVR和调速器GOV的调节能力和反应速度对于保持系统的稳定运行也是至 关重要的。为尽量减少风电机及其连线的故障对于正常主电网的供电影响，并且提高风电机的 故障切除速度，在海底电缆的两侧均应配置继电保护装置，同时风电机组本身也需要设置相关 保护功能，以实现过流、速断及差动保护功能。也只要这样才能最大限度的保证主电网的正常 运行。
风力发电技术是通过对风力发电设备中的叶片、风轮、传动机构的创造性改变，大大提高 发电设备的发电效率、降低发电成本，该技术的核心是将两项技术相结合后可制造出效率非常 高、容量特别大的发电机组。该发电机的柱型分流挡板，使气流直吹风轮叶片。通过塔架上的 组合长轴，组合风轮转子构成一个发电单元，单元长度可根据设计功率灵活调整，同时多个单 元可上下平行安装在一个塔架上，构成一个单元组。单元或单元组可采取卧式安装方式，既可 单独发电也可组合发电。该机由多个单元或单元组驱动输出轴，通过链条或直轴传动做功驱动 带有飞轮的小齿轮转动，多个小齿轮均匀分布安装在大齿轮上，共同驱动一个大齿轮，集小力 成大力，利用杠杆原理在不同角度上旋转加力，驱动变速箱和大齿轮旋转，再通过离合器驱动 发电机工作。
控制系统原理图如下图所示：
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偏航刹车
叶轮刹车 风向标 环境温度 风速仪
偏航电机
液压泵
提升泵
机舱控制柜 机舱
发电机
塔架
总线 专用 屏蔽电 缆
信号电 缆
控制柜
变流柜
风电平台配电间
低压电气及电容 平台主开关间
操作站
4 风力发电应用特点
4.1 风机设计技术特点
目前海上风力发电以近海风能（包括沿海滩涂和岛屿）开发与利用为主。由于降低风机离
2 海上风环境
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一般说来海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10km的海上风速比岸上高25%以 上。以渤海为例，渤海是我国的内海，海域面积约1.5*104KM2。平均最大风速可达到23.3m/s. 根据测风塔43.6M高度资料分析，渤海2月、5~8月风速较小，10~4月风速较大，冬季发电比较 理想。全年平均风速7.56m/s，全年平均风功率密度552.2w/m2。以风力发电示范项目为例，根 据轮毂高度57m推算的年平均风速7.72m/s以及韦布尔函数拟合的风频分布，计算金风70/1500 风机年发电量，理论年产量可达到5262741KW.H。而且风力发电示范项目所在海域的周围没有 障碍物影响，湍流比较小。因此比较适合风力发电项目的实施。
浅谈海上风力发电技术及应用ห้องสมุดไป่ตู้
郭 琳 易吉梅 赵锦涛
（海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300452）
摘要
风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机， 而发电机通过输电电缆将电能输送电力控制系统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿 色环保的综合技术。本文以渤海油田海上风力发电示范项目为例浅谈一下风力发电的海上应用技术。
(4) 新型高效发电机。研制结构简单、高效的发电机，如直接驱动同步环式发电机、直接 驱动永磁式发电机、线绕高压发电机等。
(5) 海洋环境下风机其他部件。海洋环境下要考虑风机部件对海水和高潮湿气候的防腐问 题；塔中具有升降设备满足维护需要；变压器和其他电器设备可安放在上部吊舱或离海面一定 高度的下部平台上；控制系统要具备岸上重置和重新启动功能；备用电源用来在特殊情况下置 风机于安全停止位置。
岸产生的额外成本是海上风能技术发展面临的主要挑战，其中海底电缆和风机基础成本占主要
部分，它受水深和离岸距离影响大，而受风机尺寸影响不大。因此除选择近海作为风电基地，
对额定功率的风场还可采用大功率风机以减少风机个数，从而减少基础和海底电缆的成本。目
前一般认为海上风场装机容量在100～150MW是比较经济的。国外已研制出3.6MW的海上风机，
其旋翼直径为104m，适合于水深10m的地方。
海上风机是在现有陆地风机基础上针对海上风环境进行适应性“海洋化”发展起来的。具
有以下特点：
(1) 高翼尖速度。陆地风机更多的是以降低噪声来进行优化设计的，而海上则以更大地发
挥空气动力效益来优化，高翼尖速度、小的桨叶面积将给风机的结构和传动系统带来一些设计
速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率
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R---风轮半径 V---上游风速 如风力发电机组能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出 电能最多，否则发电效能将降低。 （3）变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动 大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率 －转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器 的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。 （4）风力发电系统中的辅助控制系统 这些辅助控制系统由风力发电系统的主控制器控制，主要包括：桨叶倾角控制系统：桨叶 倾角控制通过液压执行机构来实现，在转速随风速增加升至额定转速后，通过加大倾角来维持 转速不变，目前工程上使用线性ＰＩＤ控制器来进行控制。 A、偏航控制系统： 偏航系统有两个主要目的：一是使风轮跟踪变化稳定的风向，二是当风力发电机组由于偏 航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。偏航系统一般通过控制电机实现。 B、风机制动系统： 风叶的制动系统采用液压的盘式刹车系统，一般安排在高速轴上。具有三种刹车方式：正 常 停机方式；安全停车方式；紧急停车方式。 C、其他安全保护系统： 其他安全保护系统主要有：超速保护、电网失电保护、电气保护（过压，过流等）、雷击 保护、机舱机械保护、桨叶保护、紧急安全链保护等等。
关键词：风力发电、风电机组、变速
1引言
风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已 经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的 风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。
海上风电场的开发主要集中在欧美地区，其发展大致可分为5个不同时期： ①1977～1988 年，欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究；②1990～1998年，进行欧洲级海上风电 场研究，并开始实施第1批示范计划；③1991～1998年，开发中型海上风电场；④1999～2005 年，开发大型海上风电场和研制大型风力机；⑤2005年以后，开发大型风力机海上风电场。
20m/s后，海浪达到极限值大约为4m，这是因为较浅的水深限制的缘故，浪高的极限值受水深 的制约而不是风速。
3 海上风力发电技术
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2.1 风力发电的基本工作原理 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带
动发电机，而发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项涉及 空气动力学、结构动力学、材料学、电力电子等多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技 术。