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1、123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
2、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。123毕业设计（论文）外文摘要Title RESEARCH AND DESIGN ON FLOATING OFFSHORE WIND TURBINE AbstractWith the energy crisis intensified, countries in the world attach more and more attention to the development and utilization of the renewable energy.Due to the non-p
3、ollution and renewability of wind energy , Wind power technology has been rapid development,offshore wind power also become one of the most commercially promising ways of generating. With comparing the mainstream models of the wind power ,this paper proposes a permanent magnet brushless dual-rotor w
4、ind turbine which is quite suitable for the development of the offshore wind power.This turbine not only significantly improves the using rate of wind power but also can keep a constant frequency output.Paper briefly analysis the structure of the motor and how it works. As for grid connection, in or
5、der to achieve high-quality power transmission,i proposes a new program, fractional frequency transmission system,by comparing the traditional offshore wind power transmission programs. This program increases the output of the wind turbine and the capacity of the grid by reducing the grid transmissi
6、on frequency. At the same time ,this paper proposes the controlmethod of the frequency and the control strategy of the fractional frequency transmission technology.Keywords：offshore wind turbine, permanent magnet brushless dualrotor generator, fractional frequency transmission system, Undersea trans
7、mission.目 录第一章 绪论31.1 海上风电的发展史31.2 海上风电的发展现状和趋势41.3 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83.1 当前主流风力发电机型的相关介绍83.2 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164.1 传统高压交流输电1642 高压直流输电技术174.3 交流输电技术和直流输电技术优缺点总结184.4 分频交流输电184.5 分频输电技术的同频并网方法194.6 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
8、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220kW2MW。(2)20世纪初开始商业化示范性项目期。20022003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38
9、13KW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 1-1 2011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
10、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
11、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
12、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，
13、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
14、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
15、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三种形式，分别是：（a）单柱式（spar）平台（b）张力腿平台（c）驳船式平台。（a）单柱式（spar）平台（b）张力腿平台（c）驳船式平台图2-1 各种海上漂浮式平台（1）Spar平台(单柱式平台)利用固定在浮箱中心底部的压载
16、物的重力来获得恢复力矩从而实现平台的稳定性，是一种特别适用于深海的漂浮式平台形式，适用水深范围达5503000m，目前最大工作水深为1710m。这类平台一般会产生较大的吃水，它的主体是一个具有大直径、规则形状的浮式结构，主体上部是一种硬舱，用来提供平台的浮力，中部是储存仓，在漂浮式基础建造时底部为平衡稳定舱，安装机组时转换为固定压载舱，控制整套装置的吃水。主体中部用铰链固定于海底。基于其稳定的设计，在漂浮式结构当中，单柱式平台的安全系数较高，风险较小，但是在实际安装过程中，需要分几个阶段进行，需要特殊的安装船进行安装，工程量较大，成本相对较高。（2）张力腿平台张力腿平台利用系缆张紧力实现平台的
17、稳定性，是目前技术比较成熟的漂浮式平台。传统张力腿平台主体结构一般都呈矩形或三角形，平台主体的上半部分位于水面以上，通过34根立柱连接下部，主要作用是提供给平台必要的结构刚度。平台的浮力由位于水面以下的浮箱提供，张力腿由14根张力铰链组成，浮箱上端固定在平台本体上，下端与海底基座相连或直接连接在桩基顶部。海底基础将平台固定在预设计的位置，主要形式有桩基式和吸力式两种。波浪的冲击使得张力腿绷紧，而整个平台则依靠张力腿的张紧力与浮箱的浮力来保持整体的平衡。在一些情况下，还会安装斜线 系泊索系统作为垂直张力腿系统的辅助结构，以增加平台的侧向刚度。张力腿平台虽然是目前海上漂浮式结构应用技术中最为稳定的
18、一种形式，但是它对海床的地质条件和海上风况的要求非常严格。一般不适用于海床地质松软和含有过多坚硬岩石的风场。对于经常发生热带气旋和寒潮大风的海域也具有很大局限性。（3）驳船式平台驳船式平台结构相对比较简单，它的工作原理主要是通过利用大平面的重力扶正力矩来保证整个平台的平稳性，类似于一般船舶。理想化的驳船一般被看做是没有重量的浮箱，主要特点是具有较大的着水面积，能够为平台提供足够的扶正力矩以保证整个平台在各种风况和海浪冲击下都保持平衡。水面以下的系泊系统能够可靠地固定在海底，防止平台随波漂流。就经济性而言，驳船式平台结构简单而且生产工艺成熟，单位吃水成本较低，容易进行批量生产。安装过程可以在海岸
19、进行，并且不需要专用安装船，经济性较好。针对本文10MW大容量风力发电机组的设计需要采用驳船式平台。从经济性而言，驳船式平台的建设成本要低于其他两种平台形式，从结构而言，驳船式平台结构最为简单，同时由于在海上天然气和石油的开采过程中成熟的应用经验也保证了该技术的稳定性，尤其是考虑到沿海风场很有可能遭遇的热带气旋和暴风雨等极端风况，稳定性和可靠性要求更加严格，因为只有在保证基础结构坚固、高可靠性的前提下海上风电场才能健全、稳定地运行。所以本方案采取驳船式平台结构。第三章 永磁无刷双风轮风力发电机组的结构及工作原理3.1 当前主流风力发电机型的相关介绍由于深海风场投资成本高昂，投资商后期的效益回收
20、主要依靠风机的发电情况，因此，如何实现将海上不稳定的风能高效率、高质量地转化成电能是海上风电发展的一个关键性难题。目前，世界范围内还没有开发出完全针对海上风资源特性的海上专用机型，现有的传统风机类型主要适用于陆上风场，并且存在许多问题，突出表现在以下三个方面：（1）风机工作风速范围窄，只能在额定的切入和切出风速范围内工作。低质风能的利用不理想，造成了风资源的浪费。（2）风能利用系数不会超过40%，风轮靠近叶根部30%的部分由于具有较低的尖速比，所获得的转矩较小，因此由风能转化为机械能的效率较低，形成转换死区，相当大一部分风资源未能得到合理的利用。（3）结构复杂，后期维护和维修费用高昂，在一定程
21、度上降低了系统的可靠性，发电成本高。目前，风力发电技术的主流机型有两种：直驱式同步发电机和双馈式异步发电机。直驱式同步发电机：由于电机定子极数很多，所以同步转速相对较低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，适合于起动转矩大、频繁起动及换向的风力发电场合，此外，该类型的电机可以和专用的变频器相连，进行变频调速控制。同时，风轮可以直接驱动同步机的多磁极转子，电机的定子通过逆变器与电网直接相连，所以传动系统省去了齿轮箱等增速设备，转速低，机械效率高，功率因数也比较高，更便于维护。在风速相对较低的风况下也可以实现高效、高可靠性发电，因此比较适用于风力发电系统。根据转子有无外部励磁，又可分为永磁式和电励磁式两种
22、。但是，永磁同步变速恒频风力发电系统所需变频器的容量必须与发电机容量相匹配，因此容量较大，不易在大功率机组当中应用，且主要依靠桨距角的调节来实现电机转速的调整，转速控制过程也相对复杂。此外，由于额定转速相对较低，其定子尺寸相对较大，安装运输难度大，运行时产生较大噪声，容易对生活在周围的居民活动环境造成影响。机组示意图如下图。图3-1 直驱同步发电机组示意图双馈异步发电机是由传统的异步绕线式电机发展而来的。该电机的定子绕组直接连接在电网上，电机转子绕组和功率变流器相连，采用交流励磁方式，在风力机拖动下随风速变速运行时，其定子可以发出和电网频率一致的电能。由于转子绕组负责进行励磁，所以变流器的功率
23、仅仅是转差功率，容量可以比电机容量小很多，系统成本相对较低。双馈调速是将转差功率回馈到电机或者电网，实现电能的双向流动，与其他传动系统相比机械效率较高。通常通过控制转子励磁电流的频率、幅值和相序，电机可以工作在三种运行状态：（1）亚同步。（2）同步。（3）超同步。在双馈异步发电机转子以变化的转速运行时，控制转子电流的频率和幅值，可以使定子频率、电压恒定，同时还可以调节电网的功率因数，使系统的稳定性显著提高，非常适合用于风速实时变化的海上风电场。美中不足的是，双馈式异步电机的机械结构当中包含了电刷和滑环，使得电机的故障率显著上升，在实际运行过程中需要经常更换和维护，这在一定程度上增加了整个系统的
24、故障率，降低了机组的可靠性。因此，虽然目前各大电机制造商都在不断地改进交流调速技术，但是电机本身所固有的缺陷并未得到克服。因此，如何使交流电机无刷化并具备双馈运行的恒频特性，使交流传动系统高可靠性、高效率、高功率因数、低成本运转，已成为电机和交流传动系统设计急需解决的一项技术难题。机组示意图如下图。图3-2 双馈风电机组示意图3.2 双风轮风力发电机的结构及工作原理本文所研究的双风轮风力发电机是以显著提高风能利用系数、使交流电机无刷化、交流传动系统高效率、高可靠性、低成本运行为目的而设计的，它的主要优点就是能够在不使用变流器的情况下直接实现变速恒频发电，无需外部励磁，即在风力发电机因风速变化而
25、作变速运行时，通过调节主副风轮间的相对转速，保证发电机的输出频率恒定，同时还可自由调节发电机有功、无功的输出，使其工作在稳定状态，实现电机和电网的硬连接，减少了电网运行成本，提高了电网系统的稳定性，是目前一种很有应用前景的新型风力发电机类型。其简易结构如下图。图3-3 级联式永磁无刷双转子风力发电机组结构简图32.1 永磁无刷双风轮风力发电机组电机的结构该装置的电机部分是由一台永磁同步电机和一台绕线式异步发电机组合而成的，永磁同步机的转子作为励磁机转子，设计成外转子结构，与副风轮相连，异步机与内转子反相序相连。从机械结构上来分析，我们可以将该电机看作是由定子和绕线转子构成的绕线式异步电机，或者
26、是同步机和异步机级联组成的一种复合机（励磁机/发电机组合）。机组具有同轴反相序串联的绕线式双转子结构，其中一个极对数与励磁机相同，随副风轮联动，一个极对数与发电机相同，与主风轮相连。副风轮所联动的电机结构与永磁材料结构的功能相当于传统风机的励磁机。绕线连接如下图。图3-4 永磁无刷双风轮风力发电机组电机的绕线结构示意图 32.2 双风轮风力发电机组主副风轮的设计双风轮风力发电机处于上风向的副风轮面积一般选取为主风轮面积的一半，主副风轮之间的距离选择副风轮的半径长度，此时风能的利用率最大。这种情况下副风轮的运转不仅可以用来弥补主风轮转换死区部分的损失，自身还能产生额外的转矩。前后两组转向相反的风
27、轮捕捉同一横截面上的风能，使风能利用率有了很大提高。该装置的切入风速较小，电机的绝对转速为内、外两个转子的绝对转速之和，即两个转子可以分别在较低的绝对转速下达到机组平衡工作要求，使得机组几乎能在所有风速下工作，工作风速范围加宽，充分利用了低质风能。并且双风轮结构机组具有良好的自动偏航功能，使风能的利用率达到60%，理想效果甚至能够达到70%80%，并且节省了偏航电机及其控制系统的投入，降低了设备成本。32.3 永磁无刷双转子电机恒频输出原理假定刷双是由为q的永磁电机和一台极对数为p的绕步通过反相联起来的。逆时针旋转方向为正方向，功率定子形成的旋转磁场方向以为正方向。当在状态时，外转子顺时针方向
28、为正，会产生一个方向为顺时针，频率为fq的，其转速可表示为： （3-1）的转速为nr ，逆时针为正方向，此时，内转子中会产生频率为frs的，并形成一个旋转磁场，该磁场的转速相对于转子转速为： （3-2）绕组感应出的为： （3-3）由于内转与式异步同相连接，在两绕组中流动的电流、频率都相同，即绕步中的为： （3-4）则式异步绕组中的所形成的旋转相对于电机的转速为： （3-5）由于异步 的和励磁电机绕组是连接，所以绕线异步的转向为方向。由理论中的磁平原理可知此时产生的感应的同步转速为： （3-6）感应的可表示为： （3-7）综上所述，我们可以得到式fs、绕线式异步频率fp和电机转速之间的关系可表示
29、为： （3-8）同理，我们也可以推出当运行在超同态的时候，率fs、式异步电率fp和电机转速之间的关系为： （3-9）这样，我们就可以得出级无的率fs、绕线式异步电率fp 和电机转速的关系为： （3-10）当电步状态的时候取，运超步状态的时候取。由上式可以看出，电机内转速nr，无刷双的fs和绕线式异步电机频率fp呈线性关系，当外界风速发生变化即电机的转速改变的时候，如果想要使风机的输出保持恒定，我们只需要相应调节fs的大小，即副风轮的转速就可以保证fp不发化，从而实现风电机组的变频运转。32.4 双风轮风电机组主副风轮的转速与机组输出频率的关系该双风轮结构风机在稳定运行时工作同步状态，此时： （
30、3-11）np为发的速，nz为发电机的机速，即主风轮的绝对转速， fp为定子侧的电网系统频率，fq为电机的频率： （3-12）其中ns为外的机械转速，即副风轮的绝速。将（3-11）式代入（3-12）式得： （3-13）因此有： （3-14）由上式可以看出，在保持输出频率的稳定的前提下，主风轮和副风轮的转速呈线性关系，在并网时可以通过调节两风轮的相对转速实现频率和电压的调节。为式中未知量赋予假定值后能够得到主副风轮转速的线性关系如下图。图3-5 输出频率恒定值情况下主副风轮的线性关系示意图32.5 永磁无刷双转子电机无变流器结构随着风力发电技术的不断发展，风电机组的单机容量也越来越大，在变速恒频
31、机组技术中，整流逆变装置无可避免的应用了大量的电力电子器件，所以，大功率风电机组的成本、可靠性及寿命问题越来越成为变速恒频技术面临的一个巨大挑战。目前世界各国都在加紧研究能够代替变流器结构的传动装置，例如，国的Voith公司与英国能源有限公司共同研发的WinDrive型机械转换器是目前世界上将无变流器的传动方案应用到风力发电的驱动链设计中的一个成功案例，并将其成功地应用到了DeWind公司的D 8.2 型风力发电机组之中。这种恒频恒压的技术方案的核心是液力机械调速结构，称为WinDrive增速箱。图3-5 WinDrive增速箱结构原理示意图这种装置能够实现传统的整流-逆变装置所能实现的功能。
32、它将传统驱动链技术中所使用的变流器用 WinDrive 增速箱取代，这种技术不仅在结构上减少了大量的电力电子器件的应用，同时使输出电能的质量有了很大程度的提高。它能够在机组风轮转速不断变化的前提下向电网发出恒定频率、恒定电压的优质交流电能。通过调节励磁电流调节输出电压，使机组快速达到并网要求，减小对电网的冲击作用。此装置设计为自由度为2的行星轮系，其基本工作原理为：变速变转矩的风轮功率作为输入，经过行星齿轮箱和按特定控制规律控制的液力变矩器后变成变转矩恒转速的功率输出（ P = M ），然后直接作为同步发电机的功率输入，实现恒频输出。发电机通过调节励磁电流的大小来控制风机的转速，使风机转速始终
33、保持在最大风能捕获点附近。该项技术主要利用了液力机械调速原理来将实时变化的、不稳定的风能转变成变转矩恒转速的功率输入到同步发电机中，同时，通过传动系统可以储存瞬态能量，从而减少了系统的扭转振动，并且减弱了输入端和输出端的高峰负荷，使输出的电能无谐波，电能输出效果十分理想。此外，由于传动链结构紧凑，机舱的体积和重量都有所减小。因此，在未来的风力发电技术发展中， WinDrive 技术作为系统风电技术的一个典型代表，有着良好的应用前景。而对于本课题研究的双转子变速恒频方案来说，采用了永磁无刷双转子电机作为风电机组中的发电机部分，与WinDrive技术相比，本方案省去了传动效率较低的液力机械调速增速
34、箱装置，而选择直接对电机进行变速恒频输出，通过直接调节永磁无刷双转子电机中的内、外两个转子的转速即主副风轮的转速来达到恒频率输出的目的，所以在机械传动效率方面有了大幅的提高，同时也提高了系统的可靠性。第四章 海上风力发电的输电方案海上风力发电需要通过海上输电系统将风力发电机组产生的电能传送到负荷中心的电网系统，这就涉及到电能的传输问题，尤其是对海上风力发电来说如何将深海风电场产生的电能高效、优质地传输至岸上显得更加重要。现阶段电能从海上风场到电网接入点，我们可以采用不同的输电技术方案：工频50Hz传统高压交流输电；传统高压直流输电；新型高压直流输电；分频交流输电。4.1 传统高压交流输电技术当
35、前世界上各个发达国家的电力系统基本以火电为主，这是由于火电的高效率、高运转特性，输电系统广泛采用50HZ/60HZ的交流输电方案。基于线路的建设和输电技术的相对成熟，现在大部分风力发电系统亦是普遍采用50HZ/60HZ的交流输电。对于较短输电距离，例如50km以内的海上风电场，交流输电技术具有输电成本低、线路损耗小的优点。但是当输电距离超过100km时，交流输电系统的传输能力就会随着传输介质损耗的增加而快速下降。因此，短距离风电场通常会配置海上升压站以减少线路损耗并提高输送能力。海上风电场产生的电能经汇流母线出来后汇集到海上变电站，再通过升压变压器将电能输送到与风电场容量相匹配的岸上变电站，同
36、时还需要在线路两侧或一侧安装无功补偿装置(例如补偿装置)。图4-1 海上风电场交流输电系统示意图交流输电方案的建设成本可表示为：CAC1=CCAB+CSUB+CCOM其中：CCAB电缆成本 CSUB变电站成本 CCOM无功补偿设备成本42 高压直流输电技术高压直流输电系统主要分为两种：传统高压直流输电、新型高压直流输电，比较适用于长距离（大于150KM）、大容量的海上风力发电。一般传统直流输电系统的损耗要小于新型直流输电系统，但是由于风力发电产生的电能谐波含量较高，传统直流输电系统的工作原理会使谐波影响进一步加强，传输电能质量不理想，容易对电网产生较大的冲击。所以传统直流输电系统只应用于新型直
37、流输电系统容量不能满足的超大规模、远距离风电场。传统高压直流输电的另一个突出优势就是能够实现与交流电网的柔性连接，使风电场与电网系统互不影响，从而增强了电网系统的可靠性。新型直流输电系统采用的是电压源型换流站（Voltage Sourced Converters）。是由全控器件IGBT、IGCT组成，通过控制三相输入电感上电流的幅值与相位来控制变换器交流侧与直流侧之间有功功率、无功功率的交换。同时还可以调节输入功率因数，能够实现对电流的可靠关断，适合应用于分布式风力发电的电能传输场合，能够独立控制风力发电机的无功功率和输出的有功功率。通过控制PWM脉冲，实现输出电压的自动调节。 IGBT开关器
38、件在换流器上的应用消减了系统谐波并改善了电能质量，但高频传输也带来较高的电能损耗，提高了发电成本。与传统交流输电方案不同的是风电场会配置海上换流站，海上风电场的线路从汇流母线传输出来后汇集到海上换流站，电能经换流器进行换流转换为直流电能，再经换流变压器升压，然后经海底输电线路将电能传输至岸上变电站。图4-2 海上风电场直流输电系统示意图直流输电方案的建设成本可表示为：CDC=CCAB+CCOV其中：CCOV换流站成本4.3 交流输电技术和直流输电技术优缺点总结直流输电的电缆工程费用比交流传输要少，并且电能损耗也低。直流输电技术可以把风电场和交流电网分隔开，使得风电场电压不受到交流电网电压的影响
39、。传统交流输电系统通常要加无功补偿设备进行无功补偿。新型直流输电系统可以在一定范围内可自由调节无功大小，甚至能够达到功率因数为1，不需要安装任何补偿设备，在一定程度上降低了建设成本。传统直流输电系统需要在电力接收端有电机等设备，新型直流输电系统由于不需要换相电压，所以可以向无源网络供电。在传统直流输电系统中，当系统发生故障导致电压跌落或者波形畸变时，会引起换向失败，新型直流传输系统换流站则不会出现。但是对于连接超过500MW的海上风力发电场，采用新型直流输电技术能量损失太大，多个换流器和电缆的建设也会使成本变得很高，4.4 分频交流输电技术低频输电能够有效减小输电线路的电抗，能够大幅地提高系统
40、的输电容量，所以如果风力发电机组和输电系统能够保持较低的输电频率就能够使远距离输电得到很大改善。因此，分频输电技术概念的提出为远距离、大容量输电提供了一种有极具竞争力的输电新方案，在风力发电远距离接入电网系统中有着广阔的应用前景，尤其是在海上风电建设中拥有着传统输电技术方案所不具备的优势。分频输电技术是在风力发电和输电过程中采用低频交流电，适用于30150KM传输距离的海上风力发电。传输过程中采用低频输电，送入系统时再利用AC/AC变频器将风电转换为50Hz的交流电并入电网。在风电场经接入系统过程中，电能经过分散的风机-发电机-控制器-升压变压器及一个岸上高压换流站（交-直-交）接入系统。图4
41、-3 海上风电场经分频输电装置接入电网系统结构示意图海上风电场中所有的风电机组通过控制系统发出相同低频率、6000V10000V的高压电能，经汇流母线收集到一起后升压至220KV，经过海底输电线路的传输到达岸上的高压换流站，利用目前技术较为成熟的交直交变频器转换成工频50Hz的电能，然后送往用电负荷的中心地区。分频输电技术方案的建设成本可表示为：CAC2=CCAB其中：CCAB电缆成本该方案与传统输电方式相比分频输电装置将换流装置安装在了海岸上，减少了海上换流站的基础建设费用，节约了风电场建设初期成本。同时还节约了海上换流站各种设备的维护和维修费用，避免了繁复的升压、换相装置的故障率，提高了海
42、上风机的可靠性。而且在利用同样的输电线路将电能输送到更远的地区时，由于分频输电系统电抗减少，受电端的电压波动所产生的影响也会相应降低，增强了系统的抗扰动能力，从而使电力系统容纳更大规模的风电机群，还可以有效地提高系统的稳定性，能够有效解决风力发电大容量、远距离传输的难题。分频输电技术一般采用的频率变化范围在(50/3)Hz左右，所以齿轮箱的增速比要按照机组发出(50/3)Hz的电能来计算。齿轮箱是仅次于塔架的风电机组最笨重的设备，一般安装在机舱内部的狭小空间内，对于运维人员来说维护及维修难度相对较大。根据一项调查的数据显示，在风电系统故障率中有12%来自齿轮箱，而其成本一般会占到风电设备总价的
43、15%20%，相对于50HZ的恒频系统，50/3Hz系统则减少了齿轮增速比，可以大大减少齿轮箱的尺寸和重量，降低故障率，减少发电成本，同时提高机组发电效率。4.5 分频输电技术的同频并网方法当风力发电机组运行在额定风速以下时可不受功率限制。在这一风速范围内，风力发电机组定桨距运行，控制系统的主要任务是通过对主副风轮的相对转速进行控制来追踪最佳风能利用系数，使得风力发电机组在任意风速下都能捕获最大能量。在同一个海上风电场中，所有的风力发电机组按照主风向和海岸地形排列成阵，形成风电机组机群，在同一时刻各个风机所接收的风能可能存在差异，这就造成各台风机发出的电能频率可能不一样，而分频输电技术要求机组
44、发出相同低频率的电能，所以就要选取风电场中某一台风机发出的频率做为基准频率，主控系统通过控制调整风机的桨距角来调整各电机的转速，通过牺牲一定的风能使得各风机发出的电能频率一致，使汇流母线的频率始终保持为基准频率。当风速超过额定风速时，由于副风轮和主风轮的旋转方向相反，相对转速非常快，输出功率会远远超出额定功率。此时，风力发电机组的变速能力主要用来提高传动系统的柔性，因为在高于额定风速时，追求的是稳定的功率输出，所以需要实行变频调桨恒功率控制，通过控制励磁电流频率的大小，调节副风轮和主风轮的相对转速，同时进行变桨距调节，限制转速变化的幅度，使得风力机发出的功率始终保持在额定功率附近，同时保持较低
45、频率运行。对于分频输电技术来说，发电机的输出频率应该追踪风速的变化，频率的变化范围越大，风能的利用率就越高，向电网输送德功率也就越大。但是在实际运行过程中，频率追踪风速的方案会使系统的电压产生剧烈波动，对电力系统产生巨大冲击。因此，如何确定最佳基准频率及调频范围成为分频输电技术的一个关键问题。我们需要找到一个最佳的频率调节范围，既能满足较大的风能利用率，又能满足电力系统对电能的要求。因此，频率变化范围的选定就需要综合风能利用率和电网建设等多种因素进行考虑。4.6 分频输电技术的机组并网控制策略的研究分频风电系统的并网点选在AC/AC变频器的低频侧。由电力系统分析的相关理论可知，风电机组投入电网并联运行必须满足电网接入点两侧的电压相量频率、相角和幅值的差在允许的范围之内，一般要求小于5%，只有这样并网