风力发电机组设计原则及实践建议

风力发电机组的设计所涉及的知识、资料、信息是多方面的。为了保证风力发电机组设计成功，应遵循一定的设计原则。在设计前要确定设计所必须用到的参数及风力发电机组应达到的技术、经济指标。还应掌握国内外当时风力发电机组的水平，立足国情，结合用户需求及风力发电机组安装的地理、自然条件、几年的风速记录等，力争设计的起点高、技术先进、性能优越、成本低，达到国内外领先水平，才能使设计的风力发电机组在市场上具有竞争力。

下面介绍风力发电机组的设计一般应遵循的基本原则。

1.可靠性

如果在预计的服务寿命内得到正确的使用和维护，风力发电机组应该被设计制造成在预计的安全水平下承受假定的载荷并表现出足够的持久性和坚固性。风力发电机组配备了控制和保护系统，它规定了风力机将要经历的所有可能的设计状态。

可靠性表示系统、机器或零件等在规定时间内能够稳定工作的程度或性质。它是风力发电机组的基本质量标志，是产品质量的重要组成部分。可靠性来自设计、制造和使用维护。设计可靠性是影响产品可靠性的重要因素。

风力发电机组可靠性量化指标是机组运行可利用率，可利用率是固有可靠性和使用管理可靠性的综合度量指标。

风力发电机组可利用率A_s计算方法如下：

式中 t_cum——累积停机时间，单位为h；

t_p——计划维修时间，单位为h；

t_s——使用维护人员操作失误造成停机时间，单位为h；

t_t——总时间，例如1年，单位为h；

t_ldt——非维修时间，单位为h。

t_ldt=t₁+t₂+t₃ （1-5）

式中 t₁——电网故障的时间；

t₂——不可抗力造成停机的时间，如战争、地震、洪水等；

t₃——气候限制导致停机的时间，如覆冰、气温超过规定的运行极限温度等。

总体设计阶段，对重要零部件和系统应规定可靠性量化指标的要求，可以采用串联模型法，确定有关零部件的可靠性定量要求，即

式中 A_c——整机可利用率；

A_i——第i个零部件或系统可利用率。

对系统，包括电控系统、安全系统和液压系统等元器件的选择应考虑平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）或平均维修间隔时间（Mean Time Between Maintenance，MTBM）和平均维修时间，以满足整机可靠性的要求。

对重要承力零部件，还应规定使用寿命，使用寿命是可靠性要求不可缺少的指标。

风力发电机组配备了控制和保护系统，它规定了风力发电机组将要经历的所有可能的设计状态。为了保证风力发电机组在这个限定的状态之内，保护系统应该提供足够高水平的可靠性，为保护风力发电机组的安全，对重要的安全系统可以采取冗余设计。

预计的安全等级的选择对不同的风力机部件有所不同。风轮通常至少设计成中等安全等级，其他的结构部件，如塔架、基础等经常根据其失效的可能后果确定其安全等级。

限制状态设计用于达到预计的安全水平。常用于确定风力发电机组安全性的限制状态如下：极限限制状态、服务性限制状态、事故限制状态。针对这个目的，设计载荷可以乘以几个部分的安全系数得到，而设计承载能力可以用特征能力除以几个其他部分的安全系数得到。部分安全系数主要考虑载荷和材料强度特征值的不确定性，结构安全性的确认通过保证设计载荷或者设计载荷的组合不超过设计能力来达到。在组合载荷的情况中，应该注意总是用一种极端载荷与一个或几个正常载荷进行组合。两个或几个极端载荷一般不进行组合，除非它们之间有一定的关联。

有关可靠性和安全性的设计问题，将在本章第三节具体介绍。

2.经济性

经济性包括风力发电机组制造企业的制造成本及其经济效益；用户的使用成本及发电成本；风力发电机组使用和制造的社会效益三个方面。

风力发电机组制造成本直接关系到风力发电机组市场的开拓和占有率，反过来又影响企业的经济效益。目前，世界工业发达的国家大型风力发电机组制造成本逐步下降，已接近火电成本。

经济性还包括用户的使用成本、发电成本。为使风力发电机发电低成本，在设计风力发电机组时必须保证风力发电机组技术性能和制造质量，并使风力发电机组的结构简单，维修费用少，安全可靠地运行才能达到低发电成本。

风力发电机组对制造企业来说是产品，在市场销售则是商品。作为商品的风力发电机组，用户购买的动机和目的是它的使用价值，应以为用户创造经济效益为先。在设计时，必须充分考虑风力发电机组的使用价值。

如果用户是风电场，并网发电售电，用户要求风力发电机发电电价至少要和常规电力电价相当。如果风电售价高于常规电价，除非政府支持并给予补贴，否则风电场就要亏损，无法经营。

设计风力发电机组时还必须考虑到它的社会效益。社会效益主要包括对环境的影响，劳动力就业，人民生活的改善和提高等。

总之，设计风力发电机组要考虑它的成本和市场，使之有良好的经济效益，也要有良好的社会效益。(www.xing528.com)

3.先进性

在风力发电机组的设计中技术起点要高，应采用新技术、新材料、新工艺以保证风力发电机组既能达到设计要求的指标，又能兼顾经济性能。还应使风力发电机组结构简单、操作方便、易于维护、运行可靠、寿命长、安全性能好、成本低，各项技术、经济指标得到尽可能完美的实现。

但是，也要注意采取可靠技术，不能采用未经试验证明的不成熟技术，以避免造成损失和失败。

4.工艺性和易维修性

在设计中，应尽可能地使零部件易于加工和组装。整机组装之后，应易于检查和更换零部件，应该为维护和修理预留必要的空间。

注重外形设计，使整机和主要零部件造型美观。

5.标准化

国家有关部门针对风力发电机组提出了一系列标准，包括名词术语、安全要求、技术条件、试验方法、设计要求等，在设计过程中必须严格遵循这些标准。对于国标、部标中尚未涉及的设计内容，可以参照国际上公认的标准执行。

国内并网型风力发电机组部分标准目录如下：

GB/T 2900.53—2001《电工术语 风力发电机组》

GB/T 18451.1—2012《风力发电机组 设计要求》

GB/T 18451.2—2003《风力发电机组 功率特性试验》

GB/T 19960.1—2005《风力发电机组 第1部分：通用技术条件》

GB/T 19960.2—2005《风力发电机组 第2部分：通用试验方法》

GB/T 20319—2006《风力发电机组 验收规范》

GB/T 20320—2006《风力发电机组 电能质量测量和评估方法》

GB/T 19568—2004《风力发电机组 装配和安装规范》

GB/T 19069—2003《风力发电机组 控制器 技术条件》

GB/T 19070—2003《风力发电机组 控制器 试验方法》

GB/T 19071.1—2003《风力发电机组 异步发电机 第1部分：技术条件》

GB/T 19071.2—2003《风力发电机组 异步发电机 第2部分：试验方法》

GB/T 19073—2008《风力发电机组 齿轮箱》

GB/T 19072—2010《风力发电机组 塔架》

JB/T 10300—2001《风力发电机组 设计要求》

JB/T 10194—2000《风力发电机组 风轮叶片》

JB/T 10427—2004《风力发电机组 一般液压系统》

JB/T 10425.1—2004《风力发电机组 偏航系统 第1部分：技术条件》

JB/T 10425.2—2004《风力发电机组 偏航系统 第2部分：试验方法》

JB/T 10426.1—2004《风力发电机组 制动系统 第1部分：技术条件》

JB/T 10426.2—2004《风力发电机组 制动系统 第2部分：试验方法》

JB/T 10705—2007《滚动轴承 风力发电机轴承》

国际电工委员会（IEC）制定的风力发电机组部分标准目录见表1-1。

表1-1 国际电工委员会（IEC）制定的风力发电机组部分标准目录