風電機組設(shè)計及并網(wǎng)技術(shù)詳解課件

1、風力發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)世界：風力發(fā)電是在大量利用風力提水的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產(chǎn)風力發(fā)電設(shè)備的大國。我國：短短十幾年的發(fā)展，我國成為風電大國 涌現(xiàn)出 金風、運達、華創(chuàng)、等優(yōu)秀企業(yè)。 我校：沈陽工業(yè)大學從事風力發(fā)電技術(shù)研究已有25年，先后開發(fā)出0.320kW離網(wǎng)型風力發(fā)電機、301500kW并網(wǎng)型風力發(fā)電機組及風力機測試設(shè)備等系列產(chǎn)品三大類16個品種，4項成果納入聯(lián)合國亞太區(qū)域新能源合作項目，實施技術(shù)轉(zhuǎn)讓8項，有5種產(chǎn)品出口日本、蒙古、朝鮮、緬甸等國家。（一）風電機組結(jié)構(gòu)（二）風力機的工作原理（三）風力機的主要類型（四）風力機的控制技術(shù)概述風電機組設(shè)計（一）風

2、力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)從外部看，整個風力發(fā)電機組看上去只有三個主要部分：風輪、機艙和塔架。發(fā)電機、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都集成在機艙內(nèi)。機艙除了承擔容納所有機械部件的功能，還起到承受所有外力（ 包括靜負載及動負載）的作用。機艙底盤和塔架之間有回轉(zhuǎn)體，使機艙可水平轉(zhuǎn)動。 風力發(fā)電機主要組成部分介紹 1、風輪 風力機區(qū)別于其他機械的最主要特征就是風輪。風輪一般由23個葉片和輪轂所組成，其功能是將風能轉(zhuǎn)換為機械能。 由于風力發(fā)電機的理論基礎(chǔ)也是空氣動力學，故其葉片形狀與機翼很相似。風經(jīng)過水平軸風力發(fā)電機的葉片時由于葉片與風有一個夾角，風在葉片上形成升力，風力發(fā)電機就是依靠葉片上的升力把風能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能，

3、從而帶動發(fā)電機進行發(fā)電的。2、塔架1 風力機的塔架除了要支撐風力機的重量，還要承受吹向風力機和塔架的風壓，以及風力機運行中的動載荷。它的剛度和風力機的振動有密切關(guān)系。水平軸風力發(fā)電機的塔架主要可分為管柱型和桁架型兩類。2 一般圓柱形塔架對風的阻力較小，特別是對于下風向風力機，產(chǎn)生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中小型風力機上，其優(yōu)點是造價不高，運輸也方便。但這種塔架會使下風向風力機的葉片產(chǎn)生很大的紊流。塔架：3、機艙 實體結(jié)構(gòu)圖 機組的總體簡化結(jié)構(gòu)機組的總體結(jié)構(gòu)圖：控 制 系 統(tǒng)風輪增速器發(fā)電機主繼電器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘管電網(wǎng)風變槳風速轉(zhuǎn)速并網(wǎng)功率無功補償風 機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu) （二

4、）風電機組的工作原理 風力發(fā)電的原理：是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。簡單的說風力發(fā)電就是將風能轉(zhuǎn)換為機械能進而將機械能再轉(zhuǎn)換為電能的過程。 現(xiàn)代風力發(fā)電機采用空氣動力學原 理 ，就像飛機的機翼一樣。風力機的氣動原理 風力發(fā)電機組中的風輪之所以能將風能轉(zhuǎn)化為機械能，原因是因為風力機具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風力機葉片的翼型及翼型受力分析圖。 圖3-11 風力機的葉片翼型及受力 現(xiàn)分析風輪不動時受到風吹的情況： 當風以速度矢量 吹向葉片時，在翼型的上表面，風速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風速增大，形成高壓區(qū)，上下表面間形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力

5、F ，力 F 可以分解為與相對風速方向平行的阻力 FD 和垂直于風向的升力 FL ，升力使風力機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。 風力機的輸出功率：風輪機的輸出功率 A：風輪掃掠面積：風能利用系數(shù) ：風速（通常被稱為貝茨極限）：葉尖速比：槳距角3、葉尖速比的影響風能利用系數(shù)Cp與風力機葉尖速比的對應關(guān)系：按風輪軸的安裝型式按風力發(fā)電機的功率 按運行方式 水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組 微型（額定功率501000W）、小型（額定功率1.010kW）、中型（額定功率10100kW）和大型（額定功率大于100kW） 獨立運行和并網(wǎng)運行 按采用發(fā)電機類型永磁同步風電機組 雙饋異步風電機組 等（三）風電機

6、組分類水平軸垂直軸風力發(fā)電機組中，水平軸式風力發(fā)電機組是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風力發(fā)電機組因其效率低、需起動設(shè)備技術(shù)原因應用較少，因此下面主要介紹水平軸風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)（1）獨立運行的風力發(fā)電機組 水平軸獨立運行的風 力發(fā)電機組主要由風輪(包括尾舵)、發(fā)電機、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結(jié)構(gòu)見右圖。 圖3-6 水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要結(jié)構(gòu) 并網(wǎng)運行的水平軸式風力發(fā)電機組由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結(jié)構(gòu)如右圖所示 （2） 并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組圖3-7 并網(wǎng)運行的水平軸風力發(fā)電機組的原理框圖 并網(wǎng)運行的大型

7、風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙、機座、回轉(zhuǎn)體、制動器）等組成，結(jié)構(gòu)如右圖。 （3） 大型風力發(fā)電機組圖3-8 大型風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)1、普通異步風力發(fā)電機組技術(shù)特點：1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，需要齒輪箱增速，轉(zhuǎn)子繞組短路，結(jié)構(gòu)一般為鼠籠結(jié)構(gòu)；2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速固定，風能利用率低，其轉(zhuǎn)速由齒輪箱傳動比和發(fā)電機極對數(shù)決定；3、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速高于同步速運行；4、發(fā)電機定子直接與電網(wǎng)連接，啟動時產(chǎn)生很大啟動電流，其配置啟動裝置。5、從系統(tǒng)吸收大量無功，需配置無功補償裝置。結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。2、雙饋式異

8、步風力發(fā)電機組技術(shù)特點1、葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)需要齒輪箱增速；2、轉(zhuǎn)子繞組通過電滑環(huán)或采用繞線結(jié)構(gòu)與電力電子換流裝置連接；3、通過電力電子換流裝置的控制作用，可以調(diào)節(jié)控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可隨風速的變化而改變，使風力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風能捕獲效率，風能利用率高；4、在低風速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子低于同步速運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組通過換流器向發(fā)電機饋入勵磁功率；在高風速時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子高于同步速運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組向換流器輸出勵磁功率；5、直接與電網(wǎng)連接，由于轉(zhuǎn)子電流可控，因此可以實現(xiàn)風力發(fā)電機平滑并網(wǎng)。3、直驅(qū)式同步風力發(fā)電機組 技術(shù)特點1）葉輪轉(zhuǎn)速較低，一般為每分鐘十幾轉(zhuǎn)，

9、轉(zhuǎn)子繞組通過增加極對數(shù)來降低同步轉(zhuǎn)速，從而避免了齒輪箱損耗；2）同步電機勵磁系統(tǒng)可采用直流電勵磁或永磁體勵磁方式，由于轉(zhuǎn)子極對數(shù)較多，電機外尺寸較大且較重，不方便運輸和吊裝。3）對于直流電勵磁方式的同步電機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)可以通過控制勵磁電流的大小來控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風能捕獲效率；對于永磁同步電機，可以通過調(diào)節(jié)直流電壓的方式來控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而使風力發(fā)電系統(tǒng)獲得最大風能捕獲效率，風能利用率高；4）對于直流勵磁方式的同步電機，勵磁損耗較小；對于永磁同步電機，則存在永磁材料的消磁現(xiàn)象。 以上風電機組優(yōu)缺點比較表風電機組類型 優(yōu)點 缺點 普通異步風力發(fā)電機組 結(jié)構(gòu)簡單，控制方便

10、 1、采用齒輪箱，故障率高，維護困難；2、風能利用率低；3、啟動電流大，需配置啟動裝置；4、消耗大量無功，需要從電網(wǎng)輸入無功；雙饋異步風力發(fā)電機組 1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功； 1、采用齒輪箱，故障率高，維護困難；2、有勵磁功率損耗；3、結(jié)構(gòu)復雜，控制系統(tǒng)復雜； 永磁同步風力發(fā)電機組 1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功；4、無勵磁功率損耗；1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設(shè)備，價格稍貴；3、結(jié)構(gòu)復雜，控制系統(tǒng)復雜；4、永磁體有消磁現(xiàn)象 直流勵磁同步風力

11、發(fā)電機組 1、可以實現(xiàn)變速運行，獲得最大風能利用率；2、輸出電流可控，無需啟動裝置；3、可以吸收或發(fā)出無功 1、電機體積大、重量大2、采用全功率電力電子設(shè)備，價格稍貴；3、有勵磁功率損耗；4、結(jié)構(gòu)復雜，控制系統(tǒng)復雜； 雙饋、永磁和直流勵磁 風力發(fā)電機外觀圖雙饋風力發(fā)電機外觀特點：機艙細長直驅(qū)永磁風力發(fā)電機外觀特點：機艙短粗直流勵磁風力發(fā)電機外觀特點：機艙臃腫（四）控制系統(tǒng)主要功能1）按預先設(shè)定的風速值(一般為34ms)自動啟動風力發(fā)電機組，并通過軟啟動裝置將異步發(fā)電機并人電網(wǎng)。2）借助各種傳感器自動檢測風力發(fā)電機組的運行參數(shù)及狀態(tài)，包括風速、風向、風力機風輪轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機溫升、發(fā)電機

12、輸出功率、功率因數(shù)、電壓、電流等以從齒輪箱軸承的油溫、液壓系統(tǒng)的油壓等。3）當風速大干最大運行速度(一般設(shè)定為25ms)時實現(xiàn)自動停機。4）故障保護。5）通過光纜或電話線互相連接。 風機控制方式及內(nèi)容一個完整的風力發(fā)電機組通常由風輪、增速齒輪箱、風力發(fā)電機、機座、塔架、調(diào)速器、調(diào)向器、停車制動器、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，為使風力機組能夠穩(wěn)定運行，必須對其進行有效的控制。考慮到風力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應依次滿足以下要求：1）風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2）運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風、剪切風、負載變化作用下具有魯棒性；3）控制代價小，即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時間

13、等； 4）最大限度地將風能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風速以下，可能使發(fā)電機在每一種風速時，輸出的電功率達到最大，額定風速以上時則保持輸出電功率為常量； 5）風力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。風力發(fā)電機組控制目標有很多項，控制方法多種多樣，按能質(zhì)量問題。由風力機最大風能捕獲的運行原理可知，若風速越高，則與之相對應的風力機轉(zhuǎn)速越高。但受風電機組轉(zhuǎn)速極限、功率極限等限制，風力機轉(zhuǎn)速不可能太高。因此，為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機有三種典型的運行狀態(tài)： 低風速段實行變速運行，可保持一個恒定的風能利用系數(shù)Cp值，根據(jù)風速變化控制風力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比不變，直到轉(zhuǎn)速達到極限； 轉(zhuǎn)速達到極限后，風速進一步加大時，按恒定轉(zhuǎn)速控制風力機運行，直到輸出最大功率，此時的風能Cp不一定是最大值； 超過額定風速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風力機。（五）風的能量與測量產(chǎn)生能量的基本要素： 風具有一定的質(zhì)量和速度。風能的一些主要特性參數(shù)：如風能、風能密度、風速與風級、風向與風頻以及風的