毕业设计（论文）中文摘要毕业设计（论文）外文摘要目录第一章绪论 (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，欧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海上风电示范试验项目。

自此，海上风电开始蓬勃发展起来。

世界海上风电的开发过程大致可以分成两个阶段：(1)90年代小规模海上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个小型海上风电示范试验项目，装机容量最高达10.5MW，风电机组的装机容量为220kW～2MW。

(2)20世纪初开始商业化示范性项目期。

2002~2003年MW级风力发电机组的应用体现了海上风力发电机组向大型化发展的方向，这种趋势在德国市场上表现得尤为明显。

世界上超过90%的海上风电分布在了北欧沿岸，如北海、波罗的海、爱尔兰海以及英吉利海峡。

还有两个试验项目分布在了中国的东海沿岸。

2352001，总容量截止至9电个风电场实现了并网发台风电机组在年，全球共有达866KW，为欧洲累计输送了3813KW的海上风电。

其中，英国海域提供了大约87%的新增容量，德国安装了108KW，随后是丹麦3.6KW以及葡萄牙2KW的实体漂浮式海上风电机组原型。

另有两个低端漂浮式风电机组在挪威和瑞典进行了试验。

英国（2094KW）和丹麦（857KW）仍然是欧洲最大的两个海上风电市场，紧随其后的是荷兰（247KW）、德国（200KW）、比利时（195KW）、瑞典（164KW）、芬兰（26KW）和爱尔兰（25KW）。

挪威和葡萄牙则各自拥有一个实体漂浮式海上风力发电机组。

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550~3000m，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3~4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1～4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。