漂浮式海上风电机组研究与设计.doc

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毕业设计（论文）中文摘要

题目：

漂浮式海上风电机组研究与设计

摘要：

随着能源危机的加剧，世界各国对新能源的开发和利用越来越重视。

由于风能的无污染和可再生性,风力发电技术得到了不断地发展，海上风力发电越来越成为新能源开发技术中最具商业化发展前景发电方式之一。

本文通过对比当今风电行业主流机型提出了一种适合于海上风电发展的永磁无刷双转子风力发电机，在提高风能利用率的同时还能够保证恒频输出，并简单论述了该机型的电机结构及其工作原理。

在并网方面，本文通过与传统海上输电方案的对比还提出了分频输电的新型输电方案。

该方案通过降低输电频率来提高风电机组的输出功率及电网的输电容量。

同时提出了分频输电技术的同频并网方法及机组在并网时的并网控制策略。

关键词：

海上风电，永磁无刷双转子电机，分频输电技术，海底输电。

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毕业设计（论文）外文摘要

TitleRESEARCHANDDESIGNONFLOATINGOFFSHOREWINDTURBINE

Abstract

Withtheenergycrisisintensified,countriesintheworldattachmoreandmoreattentiontothedevelopmentandutilizationoftherenewableenergy.Duetothenon-pollutionandrenewabilityofwindenergy,Windpowertechnologyhasbeenrapiddevelopment,offshorewindpoweralsobecomeoneofthemostcommerciallypromisingwaysofgenerating.

Withcomparingthemainstreammodelsofthewindpower,thispaperproposesapermanentmagnetbrushlessdual-rotorwindturbinewhichisquitesuitableforthedevelopmentoftheoffshorewindpower.Thisturbinenotonlysignificantlyimprovestheusingrateofwindpowerbutalsocankeepaconstantfrequencyoutput.Paperbrieflyanalysisthestructureofthemotorandhowitworks.Asforgridconnection,inordertoachievehigh-qualitypowertransmission,iproposesanewprogram,fractionalfrequencytransmissionsystem,bycomparingthetraditionaloffshorewindpowertransmissionprograms.Thisprogramincreasestheoutputofthewindturbineandthecapacityofthegridbyreducingthegridtransmissionfrequency.Atthesametime,thispaperproposesthecontrolmethodofthefrequencyandthecontrolstrategyofthefractionalfrequencytransmissiontechnology.

Keywords：

offshorewindturbine,permanentmagnetbrushlessdual—rotorgenerator,fractionalfrequencytransmissionsystem,Underseatransmission.

目录

第一章绪论……………………………………………………………………………3

1.1海上风电的发展史………………………………………………………………3

1.2海上风电的发展现状和趋势……………………………………………………4

1.3课题背景…………………………………………………………………………5

第二章海上风电机组的漂浮式结构的选取…………………………………………6

第三章永磁无刷双风轮风力发电机组的结构及工作原理………………………8

3.1当前主流风力发电机型的相关介绍……………………………………………8

3.2永磁无刷双转子电机的结构及工作原理………………………………………10

第四章海上风力发电的输电方案……………………………………………………16

4.1传统高压交流输电……………………………………………………………16

4．2高压直流输电技术………………………………………………………………17

4.3交流输电技术和直流输电技术优缺点总结…………………………………18

4.4分频交流输电……………………………………………………………………18

4.5分频输电技术的同频并网方法…………………………………………………19

4.6分频输电技术的机组并网控制策略的研究……………………………………20

参考文献………………………………………………………………………………21

结论……………………………………………………………………………………24

致谢……………………………………………………………………………………25

第一章绪论

1.1海上风电的发展史

早在20世纪80年代，洲就开始着手海上风力资源的评估工作及相关风力发电技术的研究，随后，在世界范围内相继建成了一大批不同规模的风电示范试验项目。

自此，风电开始蓬勃发展起来。

世界风电的开发过程大致可以分成两个阶段：

（1）90年代小规模风电项目的研究及示范实验期。

截止至20世纪，全球共建成8个小型风电示范试验项目，装机容量最高达10.5MW，风电的装机容量为220kW～2MW。

（2）20世纪初开始商业化示范性项目期。

2002~2003年MW级应用体现了风力发电向发展方向，这种在上表现得尤为明显。

上超过90%的在了沿岸，如、波罗、以及吉利峡。

还有两个试验项目在了中国东沿岸。

，达866KW，为输送了3813KW的。

其中，域提供了大约87%的，108KW，随后是3.6KW以及2KW的实式。

另有两个低端式风电在挪威和进行了试验。

英国2094KW和857KW仍然是最大的两个市场，紧随其后的是247KW、200KW、195KW、164KW、26KW和25KW。

挪威和则各自拥有一个实体式。

图1-12011年全球海上风电及累计装机容量

1.2海上风电的发展现状和趋势

1.2.1海上风电的发展现状

随着新能源发电技术的不断发展，风力发电在电网系统所占比例越来越大，陆上风机稳定可靠地运行已经有了20多年的经验，技术比较成熟，这些都为海上风电的发展提供了坚实的技术基础。

设备供应商经过近10年的开发和研究，充分考虑了海上风电的特殊要求，参照海上石油和天然气的运行经验，对设备运行和维护提出了相应的技术要求和维护方案，经过多年的研究和实验及海上风电设备示范试验化运行的经验总结，海上风电大规模建设指日可待。

但是，目前海上风电还存在许多技术和经济性问题，投资成本高昂和回收效益的长期性成为制约海上风电开发的主要因素。

发电成本是目前海上风电发展的瓶颈，这是由于风场建设初期的投资成本较高，其中漂浮式基础结构和并网输电装置的建造成本所占的份额比较大，一般要占50%以上。

目前在海上风电场建设的总投资中，基础结构占15%~25%，而陆上风场仅为5%~10%。

海上风电成本也与单机容量和风场安装机组台数有关，同一漂浮式基础安装的风电机组容量越大经济性越高。

此外，由于海上风电场的运行和维护费用高昂，为获取最大的投资效益，大容量单机的成本及可靠性还有待进一步提高。

因此，发展高效率大容量海上风电机组是降低海上风电成本、提高经济效益的一个主要途径。

目前，世界各国在海上风电方面还没有任何具体的规划，很多项目只是处于示范试验阶段，对基础建设和配套建设方面的投入还远远不够，技术也还不成熟。

除此之外，海上实用型风机在技术上也还没有实质性的突破，大规模海上风电场发出的巨大电能也没有找到合适的消纳途径，就连海上风电率先发展的欧洲在这方面也承受着巨大的困扰，因此大规模海上风电的发展还需要进一步的开发和研究。

1.2.2海上风电的发展趋势

虽然深海风电场的建设成本较高，技术难，但海上风电场优良的风资源，不占用陆地资源等显著优点使其经济和社会价值正在得到越来越多的认可。

欧盟在其委托欧洲风能协会制定的风机发展标准和认证体系中强调，各风电设备供应商在注重技术创新的基础上，还需要提高海上风机的可靠性，延长使用寿命，提高免维护时间，降低维护和维修成本，降低造价，减少开发初期投入，降低发电成本。

目前，越来越多的海上示范试验项目相继在世界各国建立，并网运行后的风电机组及电网的各项监测指标和机组运维人员积累的宝贵经验为海上风力发电技术的发展奠定了坚实的基础。

同时，海上风电场装机容量的增加、大功率风机的研制开发、接入电网和安装运输技术的成熟，使风电走向深海开始更深入、更大规模的开发和利用成为可能，深海风电的发展将成为世界可再生能源开发的重要组成部分。

1.3课题背景

如今，陆上风资源优良的风场已经接近饱和，由于近海水域的规划很难涉及到风电建设，主要用于港口和水产养殖业的发展，所以海上风场主要分布在深海区域。

深海区域风场与陆地风场建设最大的区别就是基础建设，基于深海海床和风况的特殊性，需要采取漂浮式结构作为风机的基础。

因此研究安全、经济、实用、耐久的漂浮式基础结构具有重要意义。

大容量、高可靠性运转的风电机组能够有效降低风电场初期投资、维护和维修费用、提高投资效益，因此如何提高风能利用系数成为海上风机设计的一个重要因素，传统风电机组叶轮靠近叶根的部分一般具有较低的叶尖速比，使得叶片获得的转矩较小，形成了一个风能转换死区，降低了风能的利用率。

在并网技术方面，由于传统并网方式受风的波动、风电机组和电网的相互影响使得风电机组出力波动较大，发电效率较低。

同时海上变电站的配置也增加了风电场的建设成本，机组并网时还会用到变流器等大量电力电子器件，增加了输电系统的故障率，降低了电网系统的稳定性。

本课题正是在这种背景下提出的，旨在研究一款适合于海上漂浮式风电站的双风轮励磁机/发电机组合、可自由偏航、分频输电的超大型（10MW）风电机组概念设计，以实现低成本、高可靠性地将海上风力资源高效率、高质量地转化成电能的目标。

第二章海上风电机组的漂浮式结构的选取

深海风场的建设首先要解决的问题就是基础的选取，因此漂浮式基础平台的研究和实验为深海风资源的开发具有重要意义，能够有效地增加大型风电机组布局的灵活性，尤其适用于深海风资源丰富水域，减少了视觉影响，缓解了用地矛盾，简化了海上安装步骤，整合了机身与塔架，去除了针对具体项目的特定过度连接段，同时，批量生产还可以降低安装成本。

目前开发技术比较成熟的海上漂浮式结构主要有