風力發(fā)電機分類及特點

1、風力發(fā)電機分類及特點風力發(fā)電機分類及特點李少龍李少龍2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院o了解風力發(fā)電機的分類了解風力發(fā)電機的分類o雙饋式和直驅式風力發(fā)電機介紹雙饋式和直驅式風力發(fā)電機介紹2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院按照風輪形式分類按照風輪形式分類 （1 1）垂直軸風力發(fā)電機組）垂直軸風力發(fā)電機組 垂直軸風輪按形成轉矩的機理分為阻力型和升力型。垂直軸風輪按形成轉矩的機理分為阻力型和升力型。阻力型的氣動力效率遠小于升力型，故當今大型并網(wǎng)型垂阻力型的氣動力效率遠小于升力型，故當今

2、大型并網(wǎng)型垂直軸風力機的風輪全部為升力型。直軸風力機的風輪全部為升力型。 阻力型的風輪轉矩是由兩邊物體阻力不同形成的，其阻力型的風輪轉矩是由兩邊物體阻力不同形成的，其典型代表是風杯，大型風力機不用。典型代表是風杯，大型風力機不用。 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院風杯式風力機風輪的軸垂直于地面安裝，是垂直軸風力機，任何方風杯式風力機風輪的軸垂直于地面安裝，是垂直軸風力機，任何方向的水平風力都可以使它旋轉向的水平風力都可以使它旋轉 ，下圖為四個風杯的風力機。下圖為四個風杯的風力機。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣

3、工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 升力型的風輪轉矩由葉片的升力提供，是垂直軸風力發(fā)電機的主升力型的風輪轉矩由葉片的升力提供，是垂直軸風力發(fā)電機的主流，尤其是風輪像打蛋形的最流行，當這種風輪葉片的主導載荷是流，尤其是風輪像打蛋形的最流行，當這種風輪葉片的主導載荷是離心力時，葉片只有軸向力而沒有彎矩，葉片結構最輕。離心力時，葉片只有軸向力而沒有彎矩，葉片結構最輕。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 水平軸（風輪）風力發(fā)電機組，是指風輪軸線基本與地面平水平軸（風輪）風力發(fā)電機組，是指風輪軸線基本與地面平行安置在垂直地面的塔架上。水平軸風力

4、發(fā)電機機艙里主要設行安置在垂直地面的塔架上。水平軸風力發(fā)電機機艙里主要設備有主傳動軸、齒輪箱、發(fā)電機、剎車裝置、機架、控制設備備有主傳動軸、齒輪箱、發(fā)電機、剎車裝置、機架、控制設備等。等。 水平軸風力機的風輪轉軸與風向平行，其風能利用系數(shù)高，水平軸風力機的風輪轉軸與風向平行，其風能利用系數(shù)高，技術非常成熟，水平軸風力發(fā)電機是目前應用最廣泛的風力發(fā)技術非常成熟，水平軸風力發(fā)電機是目前應用最廣泛的風力發(fā)電機。電機。水平軸風力發(fā)電機組水平軸風力發(fā)電機組 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院水平風力發(fā)電機機艙結構與設備布置圖水平風力發(fā)電機機艙結構

5、與設備布置圖 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 大型風力機的管柱型大型風力機的管柱型塔架主要采用鋼筋混凝塔架主要采用鋼筋混凝土結構或鋼結構，但鋼土結構或鋼結構，但鋼塔架運輸困難，可現(xiàn)場塔架運輸困難，可現(xiàn)場制作的混凝土塔架用得制作的混凝土塔架用得越來越多。塔架內(nèi)敷設越來越多。塔架內(nèi)敷設有發(fā)電機的電力電纜、有發(fā)電機的電力電纜、控制信號電纜等，塔底控制信號電纜等，塔底有塔門，塔架內(nèi)分若干有塔門，塔架內(nèi)分若干層，層間有直梯便于人層，層間有直梯便于人員上下。員上下。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程

6、與自動化學院荷蘭風車荷蘭風車2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院按照有無齒輪箱分類按照有無齒輪箱分類 目前，市場上主流的變速變槳恒頻型風電機組技術分為雙饋式目前，市場上主流的變速變槳恒頻型風電機組技術分為雙饋式和直驅式兩大類。和直驅式兩大類。 雙饋式變槳變速恒頻技術的主要特點是采用了風輪可變速變槳雙饋式變槳變速恒頻技術的主要特點是采用了風輪可變速變槳運行，傳動系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)。運行，傳動系統(tǒng)采用齒輪箱增速和雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)。 直驅式變速變槳恒頻技術采用了風輪與發(fā)電機直接耦合的傳動直驅式變速變槳恒頻技術采用了風輪與發(fā)

7、電機直接耦合的傳動方式，發(fā)電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。方式，發(fā)電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網(wǎng)。直驅技術的最大特點是可靠性和效率都進一步得到了提高。直驅技術的最大特點是可靠性和效率都進一步得到了提高。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院雙饋式風力發(fā)電機有齒輪箱雙饋式風力發(fā)電機有齒輪箱 風力發(fā)電機采用變速運行可使風力機最大限度的吸收風能，提高風力發(fā)電機采用變速運行可使風力機最大限度的吸收風能，提高風力機運行效率，大容量的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電技術風力機運行效率，大容量的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電

8、技術的主流方向，采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電機組仍是目的主流方向，采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電機組仍是目前的主流機型。前的主流機型。 雙饋式風力發(fā)電機組的優(yōu)點是：雙饋式風力發(fā)電機組的優(yōu)點是： 采用了多級齒輪箱驅動有刷雙饋式異步發(fā)電機。它的發(fā)電機的轉采用了多級齒輪箱驅動有刷雙饋式異步發(fā)電機。它的發(fā)電機的轉速高，轉矩小，重量輕，體積小，變流器容量小。速高，轉矩小，重量輕，體積小，變流器容量小。 雙饋式風力發(fā)電機組的缺點是：雙饋式風力發(fā)電機組的缺點是： 為了讓風輪的轉速和發(fā)電機的轉速相匹配，必須在風輪和發(fā)電機為了讓風輪的轉速和發(fā)電機的轉速相匹配，必須在風輪和發(fā)電機之間用齒輪箱來聯(lián)接，

9、這就增加了機組的總成本；而齒輪箱噪音大、之間用齒輪箱來聯(lián)接，這就增加了機組的總成本；而齒輪箱噪音大、故障率高、需要定期維護，并且增加了機械損耗；機組中采用的雙故障率高、需要定期維護，并且增加了機械損耗；機組中采用的雙向變頻器結構和控制復雜；電刷和滑環(huán)間也存在機械磨損。向變頻器結構和控制復雜；電刷和滑環(huán)間也存在機械磨損。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院雙饋式風力發(fā)電機基本結構圖雙饋式風力發(fā)電機基本結構圖 雙饋風力發(fā)電機一般采用雙饋風力發(fā)電機一般采用4 4極或極或6 6極，極，2MW2MW以下的發(fā)電機多采用以下的發(fā)電機多采用4 4極，極，

10、2MW2MW以上的發(fā)電機多采用以上的發(fā)電機多采用6 6極，本節(jié)介紹的是極，本節(jié)介紹的是4 4極發(fā)電機，定子鐵極發(fā)電機，定子鐵心與轉子鐵心都由硅鋼片疊成，圖心與轉子鐵心都由硅鋼片疊成，圖1 1是定子鐵心與轉子鐵心的沖片。是定子鐵心與轉子鐵心的沖片。 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 在定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著三相交流繞組，三相繞組按在定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著三相交流繞組，三相繞組按4 4極繞制，連極繞制，連接成星形，下圖是嵌有三相繞組的定子。當繞組接入三相交流電源接成星形，下圖是嵌有三相繞組的定子。當繞組接入三相交流電源就可在定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉磁場

11、。就可在定子內(nèi)產(chǎn)生旋轉磁場。 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院定子固定在機座內(nèi)，機座外殼上有通風孔，便于電機散熱定子固定在機座內(nèi)，機座外殼上有通風孔，便于電機散熱 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 在轉軸上安裝三個集電環(huán)，三個集電環(huán)之間，環(huán)與轉軸之間都是在轉軸上安裝三個集電環(huán)，三個集電環(huán)之間，環(huán)與轉軸之間都是互相絕緣的，轉子繞組的三根引出端線通過轉軸的凹槽連接到三個互相絕緣的，轉子繞組的三根引出端線通過轉軸的凹槽連接到三個集電滑環(huán)上。在轉軸上安裝兩個軸流風扇用于發(fā)電機散熱，發(fā)

12、電機集電滑環(huán)上。在轉軸上安裝兩個軸流風扇用于發(fā)電機散熱，發(fā)電機整個旋轉部分（轉子）。整個旋轉部分（轉子）。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院雙饋異步發(fā)電機剖視圖雙饋異步發(fā)電機剖視圖 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 雙饋感應發(fā)電機組是具有定、轉子兩套繞組的雙饋型異步發(fā)電雙饋感應發(fā)電機組是具有定、轉子兩套繞組的雙饋型異步發(fā)電機（機（DFIGDFIG），定子接入電網(wǎng)，轉子通過電力電子變換器與電網(wǎng)相連，），定子接入電網(wǎng)，轉子通過電力電子變換器與電網(wǎng)相連，如下圖所示。如下圖所示。 在風

13、力發(fā)電中采用交流勵磁雙饋風力發(fā)電方案，可以獲得以下優(yōu)在風力發(fā)電中采用交流勵磁雙饋風力發(fā)電方案，可以獲得以下優(yōu)越的性能：越的性能： (1) (1)調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率可以在不同的轉速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率可以在不同的轉速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿足用電負載和并網(wǎng)的要求，即變速恒頻運行。這樣可以從能量最大足用電負載和并網(wǎng)的要求，即變速恒頻運行。這樣可以從能量最大利用等角度去調(diào)節(jié)轉速，提高發(fā)電機組的經(jīng)濟效益。利用等角度去調(diào)節(jié)轉速，提高發(fā)電機組的經(jīng)濟效益。 (2) (2)調(diào)節(jié)勵磁電流的有功分量和無功分量，可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機調(diào)節(jié)勵磁電流的有功分量和無功分量，可以獨立調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率和無功功率。這

14、樣不但可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，補償?shù)挠泄β屎蜔o功功率。這樣不但可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，補償電網(wǎng)的無功需求，還可以提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。電網(wǎng)的無功需求，還可以提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院(3)(3)由于采用了交流勵磁，發(fā)電機和電力系統(tǒng)構成了由于采用了交流勵磁，發(fā)電機和電力系統(tǒng)構成了“柔性連接柔性連接”，即可，即可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機的轉速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確的調(diào)以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機的轉速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確的調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓，使其能滿足要求。節(jié)發(fā)電機輸出電壓，使其能滿足要求。

15、(4)(4)由于控制方案是在轉子電路實現(xiàn)的，而流過轉子電路的功率是由交流由于控制方案是在轉子電路實現(xiàn)的，而流過轉子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，它僅僅是額定功率勵磁發(fā)電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，它僅僅是額定功率的一小部分，這樣就大大降低的一小部分，這樣就大大降低了變頻器的容量，減少了變頻器的成了變頻器的容量，減少了變頻器的成本。本。雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院直驅型風力發(fā)電機無齒輪箱直驅型風力發(fā)電機無齒輪箱 直驅式風力發(fā)電機

16、，是一種由風力直接驅動發(fā)電機，亦稱無齒輪直驅式風力發(fā)電機，是一種由風力直接驅動發(fā)電機，亦稱無齒輪風力發(fā)動機，這種發(fā)電機采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的風力發(fā)動機，這種發(fā)電機采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。由于齒輪箱是目前在兆瓦級風力方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。由于齒輪箱是目前在兆瓦級風力發(fā)電機中屬易過載和過早損壞率較高的部件，因此，沒有齒輪箱的發(fā)電機中屬易過載和過早損壞率較高的部件，因此，沒有齒輪箱的直驅式風力發(fā)動機，具備低風速時高效率、低噪音、高壽命、減小直驅式風力發(fā)動機，具備低風速時高效率、低噪音、高壽命、減小機組體積、降低運行維護成本等諸多優(yōu)點。機

17、組體積、降低運行維護成本等諸多優(yōu)點。 直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)大多都使用永磁同步發(fā)電機發(fā)電，無需勵磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)大多都使用永磁同步發(fā)電機發(fā)電，無需勵磁控制，電機運行速度范圍寬、電機功率密度高、體積小。隨著永磁控制，電機運行速度范圍寬、電機功率密度高、體積小。隨著永磁材料價格的持續(xù)下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出材料價格的持續(xù)下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出現(xiàn)，在大、中、小功率、高可靠性、寬變速范圍的發(fā)電系統(tǒng)中應用現(xiàn)，在大、中、小功率、高可靠性、寬變速范圍的發(fā)電系統(tǒng)中應用的越來越廣泛。的越來越廣泛。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電

18、氣工程與自動化學院 直接驅動式變速恒頻（直接驅動式變速恒頻（DDVSCFDDVSCF）風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖所示，）風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖所示，風輪與同步發(fā)電機直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風能轉化為風輪與同步發(fā)電機直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風能轉化為頻率、幅值均變化的三相交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷?，然后通頻率、幅值均變化的三相交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷?，然后通過逆變器變換為恒幅恒頻的三相交流電并入電網(wǎng)。通過中間電力電過逆變器變換為恒幅恒頻的三相交流電并入電網(wǎng)。通過中間電力電子變流器環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最大功子變流器環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最

19、大功率跟蹤，最大效率利用風能。率跟蹤，最大效率利用風能。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院永磁同步發(fā)電機電容電網(wǎng)風力機整流器逆變器直接驅動式風力發(fā)電系統(tǒng)框圖直接驅動式風力發(fā)電系統(tǒng)框圖 2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院 缺點是：缺點是： 由于直驅型風力發(fā)電機組由于直驅型風力發(fā)電機組沒有齒輪箱，低速風輪直接沒有齒輪箱，低速風輪直接與發(fā)電機相連接，各種有害與發(fā)電機相連接，各種有害沖擊載荷也全部由發(fā)電機系沖擊載荷也全部由發(fā)電機系統(tǒng)承受，對發(fā)電機要求很高。統(tǒng)承受，對發(fā)電機要求很高。同時，

20、為了提高發(fā)電效率，同時，為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機的極數(shù)非常大，通常發(fā)電機的極數(shù)非常大，通常在在100100極左右，發(fā)電機的結構極左右，發(fā)電機的結構變得非常復雜，體積龐大，變得非常復雜，體積龐大，需要進行整機吊裝維護。需要進行整機吊裝維護。直驅風力發(fā)電機的優(yōu)點是：直驅風力發(fā)電機的優(yōu)點是：1 1）由于零件和系統(tǒng)的數(shù)量減少，）由于零件和系統(tǒng)的數(shù)量減少，維修工作量大大降低。維修工作量大大降低。2 2）最近開發(fā)的直驅機型多數(shù)是永）最近開發(fā)的直驅機型多數(shù)是永磁同步發(fā)電機，不需要激磁功磁同步發(fā)電機，不需要激磁功率，傳動環(huán)節(jié)少，損失少，風率，傳動環(huán)節(jié)少，損失少，風能利用率高。能利用率高。3 3）運動部件少，由

21、磨損等引起的）運動部件少，由磨損等引起的故障率很低，可靠性高。故障率很低，可靠性高。4 4）采用全功率逆變器聯(lián)網(wǎng)，并網(wǎng)、）采用全功率逆變器聯(lián)網(wǎng)，并網(wǎng)、解列方便。解列方便。5 5）采用全功率逆變器輸出功率完）采用全功率逆變器輸出功率完全可控，如果是永磁發(fā)電機則全可控，如果是永磁發(fā)電機則可獨立于電網(wǎng)運行?？瑟毩⒂陔娋W(wǎng)運行。2022-5-6課 件第第三三章章 風力發(fā)電風力發(fā)電電氣工程與自動化學院電氣工程與自動化學院直驅式永磁風力發(fā)電機基本結構圖直驅式永磁風力發(fā)電機基本結構圖 把繞好線圈的定子安裝在機座的機架上，為顯示轉子結構將定子把繞好線圈的定子安裝在機座的機架上，為顯示轉子結構將定子剖去一部分。剖去一部分。2022-5-6課