海上风力发电技术.pdf

“十二五”国家重点图书出版规划项目海上风力发电技术 王志新 编著机 械 工 业 出 版 社本书涉及海上风电机组及海上风电柔性直流输电关键技术，反映了国内外海上风电技术发展态势、最新研究成果和工程应用情况。全书共 章，包括海上风资源勘测与风电场发电量预测技术、海上风电机组基础技术、海上风电机组安装、海上风电机组系统设计技术、海上风电场变电站电气设计技术、海上风电场柔性直流输电变流器技术、海上风电场电力输送技术等内容。本书适合作为高等学校风力发电、电气工程与自动化、机械工程、过程控制、自动化等专业的本科生、研究生的教材，以及高等学校教师、研究院（所）从事设计和工程的技术人员及管理干部，风电设备制造企业及相关产业的技术和管理人员，风电公司技术人员、科技及运营管理人员等参考用书。图书在版编目（）数据海上风力发电技术 王志新编著 北京：机械工业出版社，“十二五”国家重点图书出版规划项目 海 王 海上风力发电技术 中国版本图书馆 数据核字（）第 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 号 邮政编码）策划编辑：刘星宁 责任编辑：刘星宁 版式设计：霍永明责任校对：刘 岚 封面设计：陈 沛 责任印制：北京四季青印刷厂印刷 年 月第 版第 次印刷 印张 千字3000册标准书号：定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（）销 售 一 部：（）销 售 二 部：（）读者购书热线：（）网络服务教材网：机工官网：机工官博：封面无防伪标均为盗版38.00张楠前言全球风电发展迅速，海上风电已成为风电发展的重要领域，也是近年来新兴的海上开发利用产业。海上风电相对陆上风电具有以下特点，即资源丰富、风能资源非常稳定、发电利用小时数高、不占用土地、对生态环境影响小、不消耗水资源和适宜大规模开发等，且一般靠近传统电力负荷中心，便于电网消纳，免去了长距离输电的问题。因此，英国、德国、爱尔兰、丹麦、比利时、荷兰、瑞典等欧洲国家都纷纷加快了海上风电的开发力度。另一方面，相对于陆上风电，海上风电面临浮冰、台风、盐雾等复杂的自然条件，对海上风电机组技术要求更高，海上风电场建设难度更大、成本更高、建设环境更复杂。例如，欧洲某知名风电机组生产厂商的 海上风电机组运行了一段时间后，有一批风力发电机出现了绝缘故障，被迫进行维修更换。除了技术因素外，海上风电开发还要考虑电缆铺设、船舶航运、滩涂围垦以及珍稀禽类保护等多方面的因素。例如：出于保护沿海浅滩区生态和避免影响旅游业的考虑，德国政府曾要求海上风电场至少距离海岸。例如，阿尔法文图斯海上风电场离海岸超过，由于建设地点离岸远、水深、风电机组尺寸大等因素，最终造成该项目耗资大大超过预算，达到 亿欧元，每千瓦造价超过 万元人民币。面对海上风电广阔的发展前景，全球风电机组制造企业也纷纷加大海上大型风电机组研发和产业化力度。目前，已经能够在海上风电场批量应用的海上风电机组主要有法国 公司的 半直驱风电机组、德国 公司的 风电机组、丹麦 公司的 和 双馈异步风电机组、德国西门子公司的 和 风电机组、德国 公司的 风电机组、芬兰 公司的 半直驱风电机组等。公司计划研发的新一代 级大容量风电机组，采用 磁共振成像系统超导体磁体技术，淘汰了变速箱，由于超导线圈能够产生强磁场，超导发电机的转矩密度是常规发电机的两倍，因此，降低了对稀土的依赖，减少了发电机中铁的使用量，减轻了发电机的重量。我国于 年在渤海辽东湾南部海域、距海岸约 处安装了首台 直驱机组，通过约 长的海底电缆将电力输送至绥中 油田独立电网，与 台双燃料透平机组组成互补系统。位于上海临港新城至洋山深水港的东海大桥 近海风电场采用 台 双馈机组，已于 年全部建成并成功并网发电。我国已具备设计制造大型海上风电机组的能力，年 月在江苏省射阳县临港产业区完成了首台 大型海上风电机组吊装。国家科学技术部制定 风力发电科技发展“十二五”专项规划，明确未来的重点任务涉及基础研究类、研究开发类等 个层面，其中，对风电机组整机关键技术研究开发包括“级风电机组总体设计技术”、“到 永磁直驱风电机组产业化技术”和“级风电机组研制及产业化技术”。大容量风电机组相关技术研究已成为我国风电产业科技创新的重点，国家拟通过“计划”重点资助研发 大型海上风电机组，计划采用永磁直驱、双馈或超导技术。该规划还明确特大型风电场建设将成为我国风电开发的需求重点，“十二五”期间，我国将规划建设 个陆上和 个海上及沿海风电基地。年丹麦安装了第一台单机容量为 的近海示范风电机组，年底全球已建成 个海上风电场，累计装机容量达到。年，英国的瓦尔内海上风电场二期并网发电，成为世界上最大的海上风电场，总装机容量达到。预计 年、年，全球海上风电装机容量将分别达到、。我国海上风电产业将重点开发建设江苏、山东基地，推进河北、上海、浙江、福建、广东、广西、海南等地海上风电建设。上海、江苏、浙江、山东、福建 省市的海上风电规划装机规模为，其中，近海、潮间带。到 年，以上 省市海上风电装机规模预计将达到，其中，近海、潮间带。截至 年底，我国海上风电（包含潮间带）累计装机容量为，规划到 年、年海上风电装机容量分别达到、。随着国内外海上风电的迅速发展，对于海上风力发电技术书籍的需求量巨大，但至今国内外未见有类似综合介绍海上风力发电技术的书籍出版，难以满足工业界和学术界的需要。因此，及时组织编写本书是及时和必要的，具有极大的市场需求和重要意义。本书共 章，由上海交通大学王志新教授编著完成，系统总结、分析了国内外海上风电机组及海上风电柔性直流输电关键技术及应用的最新技术成果，编著者团队承担完成的科研项目取得的成果，如国家自然科学基金重点项目（编号：）、国家 计划先进能源技术领域智能电网关键技术研发（一期）重大项目（编号：）、上海市高新技术产业化重点项目（编号：）、上海市科技发展基金项目（编号：）、上海市教育发展基金项目（编号：）、江苏省创新基金项目（编号：）、江苏省六大人才高峰行动计划（编号：）、无锡市科技发展基金（编号：）等。编著者的研究生参与了相关研究工作，他们是武黎博士后、张华强博士后、孔屹刚博士、朴海国博士、吴定国博士、李响博士、王国强博士等。第 章的主要内容收自王国强博士的学位论文的部分章节。借此，对于他们取得的研究成果表示感谢。相信本书的出版对于提高我国海上风力发电技术理论研究水平，培养风电事业人才，推动海上风电技术进步及规模化工程应用具有重要价值。编著者 年 月于 上海 海上风力发电技术目录前言第 章 概论 海上风力发电 海上风力发电发展现状与态势 国外海上风力发电发展情况 我国海上风力发电发展情况 海上风力发电的关键技术第 章 海上风资源勘测与风电场发电量预测技术 海上风资源勘测 测风仪 海上测风塔安装位置选择 风资源评估 风资源的三性 风资源评估软件应用 风资源评估误差分析 风资源评估误差量化修正技术 风电场发电量预测 风电场发电量预测计算 风电功率预报 风电功率预报结果评价方法 海上风电场选址 海上风电场场址勘测 海上风电场微观选址的目标 海上风电场微观选址技术 应用案例第 章 海上风电机组基础技术 海上风电机组基础的设计 海上风电机组基础类型 基础载荷分析 海上风电机组基础的应用第 章 海上风电机组安装 海上风电机组吊装船 海上风电机组安装方式 海上风力发电工程安装介绍第 章 海上风电机组系统设计技术 概述 大型海上风电机组及其特点 风电机组塔架设计 叶片试验模态分析 风电机组状态监测系统第 章 海上风电场变电站电气设计技术 概述 国外海上风电场及海上变电站应用 我国海上风电场及海上变电站应用 海上变电站 海上变电站的特点 海上变电站设计 变压器与海底电缆 变压器选型 海底电缆选型 电气设备选型与验算 电气设备选择原则 断路器选型与验算 隔离开关选型与验算 互感器选型与验算 母线（）选型与验算 设备选型与验算 海上变电站的保护 雷电过电压保护 接地保护 其他保护 短路计算 概述 短路计算 海上变电站安装 陆上风电场变电站配置与应用案例 小结第 章 海上风电场柔性直流输电变流器技术 概述 输电变流器拓扑结构 海上风力发电技术 传统 输电变流器 输电用常规变流器 多电平变流器 输电变流器控制方式 调制方法 均压控制 调制与直流均压控制 建模 调制方法 控制方法 环流抑制方法 仿真验证 输电试验系统 输电试验平台 控制系统软件设计 实验结果第 章 海上风电场电力输送技术 大型风电场电力输送技术 国内外大规模风电输送技术应用概况 大型风电场电力输送关键技术 海上风电场电力输送技术 海上风电场电力输送形式 海上风电场电力输送技术方案 海上风电场内部集电线路布局优化 海上风电场柔性直流输电技术经济性分析 海上风电场工程模型及柔性直流输电系统设计 海上风电场输电系统技术经济性分析 海上风电场输电工程案例 海上风电场交流输电工程 海上风电场柔性直流输电工程参考文献目录第 章概论 海上风力发电海上风电具有资源丰富、风能资源非常稳定、发电利用小时数高、不占用土地、对生态环境影响小、不消耗水资源和适宜大规模开发等优点，且一般靠近传统电力负荷中心，便于电网消纳，免去了长距离输电的问题，因此，海上风电的开发与利用越来越为全球所关注，例如英国、德国、爱尔兰、丹麦、比利时、荷兰、瑞典等欧洲国家都纷纷加快了海上风电的开发力度。另一方面，相对于陆上风电，海上风电面临浮冰、台风、盐雾等复杂的自然条件，对海上风电机组技术要求更高，海上风电场建设难度更大、成本更高、建设环境更复杂。例如，欧洲某知名风电机组生产厂商的 海上风电机组运行了一段时间后，一批发电机就曾因出现绝缘故障，而被迫维修更换。除了技术因素外，海上风电开发还要考虑电缆铺设、船舶航运、滩涂围垦以及珍稀禽类保护等多方面的因素。例如，出于保护沿海浅滩区生态和避免影响旅游业的考虑，德国政府就要求海上风电场至少距离海岸。阿尔法文图斯海上风电场离海岸超过，由于建设地点离岸远、水深、风电机组尺寸大等因素，最终导致该项目耗资大大超过预算，达到 亿欧元，每千瓦造价超过 万元人民币。海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风电机组单机容量和每个风电场风电机组台数。据报道，每个海上风电场最佳容量为 。其中，海上风电场投资分配比例一般为：风电机组、基础、海上电气系统、风电机组和基础安装、海上电气系统安装、管理、保险。相对而言，陆上风电场投资分配比例分别为：风电机组、其他。面对海上风电开发与利用具有的广阔的发展前景，全球风电机组制造企业也纷纷加大海上大型风电机组研发和产业化力度，目前，已能够在海上风电场批量应用的海上风电机组主要有：法国 公司的 半直驱风电机组、德国 公司的 风电机组、丹麦 公司的 和 双馈异步风电机组、德国西门子公司的 和 风电机组、德国 公司的 风电机组、芬兰 公司的 半直驱风电机组等。公司计划研发的新一代 级大容量风电机组（见图），采用 磁共振成像系统超导体磁体技术，淘汰了变速箱，由于超导线圈能够产生强磁场，超导发电机图 直驱式超导发电机结构示意图的转矩密度是常规发电机的两倍，因此，降低了对稀土的依赖，减少了发电机中铁的使用量，减轻了发电机的重量。全球自 年丹麦安装了第一台单机容量为 的近海示范风电机组以来，截至 年底已建成 个海上风电场，累计装机容量达到；年，英国的瓦尔内海上风电场二期并网发电，成为世界上最大的海上风电场，总装机容量达到。预计 年、年，全球海上风电装机容量将分别达到、。我国于 年在渤海辽东湾南部海域、距海岸约 处安装了首台 直驱型海上风电机组，该机组通过约 长的海底电缆将发出的电力输送至绥中 油田独立电网，与 台双燃料透平机组组成互补系统。位于上海临港新城至洋山深水港的东海大桥 近海风电场采用 台 双馈机组，已于 年全部建成并成功并网发电。我国已具备设计制造大型海上风电机组的能力，大型海上风电机组已完成吊装或试运行。国家科学技术部通过“计划”重点资助研发 大型海上风电机组，计划采用永磁直驱、双馈或超导技术。我国海上风电产业将重点开发建设江苏、山东基地，