風力發(fā)電機組培訓教材.ppt

1、目錄,緒論 第一講 風能資源 第二講 電工基礎(chǔ) 第三講 風力發(fā)電中的輸變電 第四講 風力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu) 第五講 風力發(fā)電中的空氣動力學原理 第六講 風力發(fā)電機的原理與機組構(gòu)成 第七講 風力發(fā)電機組的運行與維護,第六講 風力發(fā)電機的原理與機組構(gòu)成,一、鼠籠感應風力發(fā)電機組 二、繞線式感應發(fā)電機組 三、雙饋異步發(fā)電機組 四、繞線式同步機的直驅(qū)機組 五、繞線式同步機齒輪驅(qū)動機組 六、永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組 七、半齒輪驅(qū)動永磁機組,一、鼠籠感應風力發(fā)電機組,1. 原理 2. 構(gòu)成 3. 應用范圍 4. 優(yōu)缺點,1. 鼠籠機原理,風力發(fā)電廠,轉(zhuǎn)子類似鼠籠，定子類似同步電機定子。 定子通電后，旋轉(zhuǎn)磁場在

2、轉(zhuǎn)子鼠籠條中產(chǎn)生感應電流； 轉(zhuǎn)子電流與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這就是電動機原理；如果外力拖動轉(zhuǎn)子，當轉(zhuǎn)速超過同步速時，反電勢就會在定子中感生出電流。 是發(fā)電還是電動取決于轉(zhuǎn)差率S, 當S為負值，則為發(fā)電機，對風電S為-1%至-2% 轉(zhuǎn)差率S是同步旋轉(zhuǎn)速度Ns和 實際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N間的相對差，即 S=(Ns -N)/Ns,2. 鼠籠風電機組的構(gòu)成,3. 應用范圍,單一鼠籠感應機在MW級以下的定速風機中獲得了廣泛的應用； 帶有單一具備雙速繞組的鼠籠感應機；通過改變繞組改變極對數(shù)。例如，高速時用4極，低速時用6極； 帶有兩臺分開的具有不同等級的鼠籠感應機，應用較少； 帶有單一鼠籠感應

3、機（SCIG）的風機，其定子通過電力電子變換器（PEC）與電網(wǎng)相聯(lián)，可以大范圍的變速。這是后面將介紹的變速恒頻發(fā)電機中的一種。,應用鼠籠機的變速恒頻機組,4. 優(yōu)缺點（1）,4.1 優(yōu)點： 它有一些很好的機械和電氣特性，可以在風機中使用，即發(fā)電機轉(zhuǎn)差。這個“轉(zhuǎn)差”提供阻尼動作，幫助抑制機械振蕩； 不要求與電網(wǎng)同步。構(gòu)造簡單，成本低廉，維護方便。它的成本是相同等級的同步電機的十分之一； 這種發(fā)電機可以用在變速場合； 它有一定的超載容量和風速變化容量，機組堅實、可靠； 鼠籠轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子極數(shù)有自適應能力。 4.2 缺點： 缺少同時控制有功和無功的可能性； 因為電網(wǎng)的勵磁電流，這些SCIG也消耗無

4、功，總的負荷功率因數(shù)（cos）相對低。常用電容組或者靜態(tài)無功補償裝置（SVC）可以用來補償無功； 對于一個大范圍風速，風機葉片不是運行在最佳運行點； 它不能提供電壓或者頻率控制，它需要有一個強勁的電網(wǎng)； SCIG的功率不能很快地進行調(diào)整，除非對于變槳距風機進行變槳距操作； 它沒有故障穿越特性。在故障期間，它們需要被斷開。,4. 優(yōu)缺點（2）,4.2 缺點（續(xù)） 變化的旋轉(zhuǎn)速度會造成大的輸出功率振蕩，致使電壓振蕩，可能造成小的閃變； 大的風機轉(zhuǎn)輪機械負荷振蕩以及電能振蕩被轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩振蕩，可能致使齒輪箱故障； 用VSI（變速感應機）技術(shù)，即使它工作在大的變速范圍，它的尺寸也太大了，因而非常昂貴。,

5、二、繞線式感應發(fā)電機組,1. 原理 2. 構(gòu)成 3. 特點 4. 優(yōu)點與局限 5. 感應機的無功補償,1.繞線式感應發(fā)電機原理,WRIG本質(zhì)上是一臺帶有定子和轉(zhuǎn)子的感應電機?；镜牟煌c在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。 WRIG用銅繞組代替了鼠籠結(jié)構(gòu)，有3相星形連接的絕緣銅繞組，纏繞出與定子相同的極數(shù)。 通過滑環(huán)和電刷連接外部可調(diào)電阻器。高于額定轉(zhuǎn)速時，有效地控制外部電阻，使轉(zhuǎn)差率可控。 通過設定更大的轉(zhuǎn)子電阻或更大的漏電抗，獲得更大的滑差，適于較大容量的風機。 能在狹窄的變速范圍內(nèi)變速，WRIG是恒速運行和變速運行之間的折中方法。,可調(diào)電阻通過滑環(huán)串入轉(zhuǎn)子繞組中,2. WRIG風力發(fā)電機組的構(gòu)成,3. WRI

6、G的特點,保留了SCIG的優(yōu)點，能能在狹窄范圍內(nèi)變速； 轉(zhuǎn)差率直接正比于轉(zhuǎn)子電阻，輸出轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率； 由于轉(zhuǎn)差率有較大改變，以致電機的轉(zhuǎn)速可改變10%以上。Suzlon 2.1MW 4極WRIG風機轉(zhuǎn)速甚至可以變化到額定轉(zhuǎn)速的16.7%； 借助于調(diào)轉(zhuǎn)差率的變速運行，比調(diào)槳要快； 將電阻器旁路，轉(zhuǎn)子電氣上看起來和SCIG相同；,轉(zhuǎn)子電氣上看起來和SCIG相同時，將電阻器旁路,轉(zhuǎn)子電氣上看起來和SCIG相同時，將電阻器旁路,4. 優(yōu)點與局限（1）,4.1 優(yōu)點： 與相同額定輸出功率的SCIG相比，WRIG在強慣性負荷和低起動電流下有更好的起動轉(zhuǎn)矩，更高的效率和功率因數(shù)。 與SCIGs相比，因為

7、增加了轉(zhuǎn)差率，它對電網(wǎng)的運行變得比較靈活。轉(zhuǎn)子動力阻尼得到了很大的改進。陣風時如果感應電機有高的轉(zhuǎn)差率，陣風中的部分能量可以轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的加速度，因此葉片轉(zhuǎn)矩角不需要瞬間變小。陣風不僅能通過機械慣性緩沖，也能將能量存儲在中間電容器里。 控制更簡單，因為不管轉(zhuǎn)子的頻率為多少，磁化電流是幾乎恒定的 。,4. 優(yōu)點與局限（2）,每提高1%的轉(zhuǎn)差率，就會有1%的附加損耗。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率以熱損失的形式丟失。又加重了機艙的冷卻負擔。 增加了可調(diào)電阻，增加了滑環(huán)，從而增加了維護費用。 WRIG 不像SCIG那樣堅固耐用；增加了繞線轉(zhuǎn)子和控制器件，造價也比SCIG高了。同時，增加了維護成本。 對有功功率和無功功

8、率的控制不是很優(yōu)質(zhì)的。,5. 感應機的無功補償手段,機械開關(guān)旁路電容 靜態(tài)無功補償裝置（SVCs），例如 可控硅開關(guān)電容器（TSCs） 晶閘管控制電抗器（TCR） 靜態(tài)補償器（STATCOMs） 動態(tài)電壓補償（DVR） 電力電子接口取決于輸入?yún)?shù)的特性,三、雙饋異步發(fā)電機組,1. 原理 2. 構(gòu)成 3. 特點 4. PEC在風電機組中的作用 5. 優(yōu)點與局限,1. 原理,總體上是一個帶有三相定子線圈的異步發(fā)電機，定子線圈直接與電網(wǎng)相連； 并且三相轉(zhuǎn)子線圈通過滑環(huán)和PEC與電網(wǎng)相連，這里的PEC僅承擔額定功率的30%； 風機轉(zhuǎn)子電路中的能量通過回收、處理和轉(zhuǎn)換，最后通過部分范圍的背靠背PEC輸送

9、給電網(wǎng)（替代了WRIG中的無源電阻器）； 大風時，槳矩調(diào)節(jié)和PEC控制協(xié)調(diào)進行；轉(zhuǎn)子電路的PEC通過給風機轉(zhuǎn)子電路注入頻率可變的電流來補償風機機械頻率和電氣頻率的差額； 在次同步狀態(tài)，PEC可以從線路為轉(zhuǎn)速不足的轉(zhuǎn)子“借來”能量，并且傳遞給定子，使定子仍然能夠為電網(wǎng)提供頻率為50Hz的電能； 當潮流反向時，電網(wǎng)側(cè)PEC起變換器的作用，轉(zhuǎn)子側(cè)PEC起逆變器的作用。,轉(zhuǎn)子注入電流頻率的推導,N1=60f1/p (1) 其中， N1 同步轉(zhuǎn)速 f1 電網(wǎng)頻率 N2=60f2/p (2) 其中， N2 旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度 f2 在轉(zhuǎn)子上通入電流的頻率 令N為電機轉(zhuǎn)子本身的機械旋轉(zhuǎn)速度，則

10、要求： NN2=N1=50Hz (3) 雙饋電機的轉(zhuǎn)差率 S=(N1-N)/N1 (4) 則雙饋電機轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應為 F2=pN2/60=p(N1-N)/60=(pN1/60)(N1-N)/N1)=f1S 結(jié)論： 當異步電機的轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，只要在轉(zhuǎn)子的三相繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率f1S的電流，則在雙饋電機的定子繞組中就能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢。,超同步與次同步狀態(tài),超同步運行,次同步運行,2. DFIG風電機組的構(gòu)成,DFIG機組的塔底控制柜,電容器組,晶閘管,耦合變壓器,開關(guān)電容器的晶閘管：它比接觸器響應快,軟啟動器,3. 特點,融合了異步發(fā)電機（如魯棒性好）和同步發(fā)電機

11、（如可變風速運行）的優(yōu)點 最小化風機峰值電壓、控制閃變以及諧波 風機的變速范圍可以達到額定轉(zhuǎn)速的 30%左右 控制轉(zhuǎn)子注入電流的頻率可以對發(fā)電機進行變速控制，而控制轉(zhuǎn)子注入電流的幅值和相位可以對功率因數(shù)進行控制。 在轉(zhuǎn)子側(cè)引入crowbar電路。當發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器有被傷害的危險時，crowbar就會動作使轉(zhuǎn)子短路，免受高電壓大電流的傷害。,4. PEC在風電機組中的作用,風電機組運行的可控性更強； 有功功率和無功功率可控； 改善了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性； 減少了傳動系統(tǒng)的負載和噪音； 可以直接驅(qū)動。,5. 優(yōu)點與局限（1）,5.1 優(yōu)點 由于轉(zhuǎn)子電流可調(diào)，轉(zhuǎn)速可以在有效范圍內(nèi)變化，同時可以利用足夠的

12、有效能量。 由于PEC可以控制轉(zhuǎn)子電壓，所以DFIG可以吸收和輸出無功功率。在電壓可能出現(xiàn)波動的脆弱電網(wǎng)中，可以控制DFIG從電網(wǎng)吸收或向電網(wǎng)輸出大量的無功功率。從而使設備在嚴重的電壓波動時可以繼續(xù)并網(wǎng)運行，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定。 基于PWM的PEC也可用來進行頻率調(diào)節(jié)。 現(xiàn)成的WRIG可以被用來改裝成DFIG。,5. 優(yōu)點與局限（2）,5.2 局限 系統(tǒng)中同樣需要齒輪箱，同時為轉(zhuǎn)子提供能量的滑環(huán)和電刷的機械組合，這通常都是薄弱環(huán)節(jié)，需要認真維護。 這些大功率的滑環(huán)和電刷，容易被轉(zhuǎn)軸中的雜散電流損傷。除此之外，雜散電流還會在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上激起電弧，這將引起點蝕，這部分更換比較麻煩。 定子側(cè)的電壓暫變引

13、起磁通波動，導致轉(zhuǎn)矩脈動，如果很大將引起轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的機械應力。而且，轉(zhuǎn)矩波動會通過PEC的直流環(huán)節(jié)引起功率波動。 由于PEC對過電流很敏感，所以它很難抵御電壓暫降的擾動，若不設定的比額定電壓略高，轉(zhuǎn)子電路中的高電壓和大電流可能會使它損壞。 PEC中的電能損耗較大。,四、繞線式同步機的直驅(qū)機組,1. 原理 2. 構(gòu)成 3. 特點 4. 全功率PEC的主要功能 5. 優(yōu)點與局限,1. 原理,直驅(qū)風機中，大直徑凸極轉(zhuǎn)子直接連到風機轉(zhuǎn)子上，以在同步速旋轉(zhuǎn)。因為風速的變化，風機的機械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機機端的電氣頻率也是變化的。 因為電氣頻率與電網(wǎng)的頻率不匹配，所以發(fā)電機需要與電網(wǎng)解耦。因此，要求WRSG的

14、定子通過4象限工作的PEC與電網(wǎng)連接。 PEC經(jīng)過AC-DC-AC的變換，將電能按額定的電壓和頻率送入電網(wǎng)。,2. 線繞直驅(qū)同步機的構(gòu)成,6MW多級WRSG直驅(qū)機組,3. 特點,WRSG是他勵磁發(fā)電機，由系統(tǒng)提供直流勵磁；WRSG本身有很高的功率因數(shù)，因為它不從電網(wǎng)中吸收任何的磁化電動勢； 全功率變流； 通過發(fā)電機電流控制功率； 通過槳距角設定實現(xiàn)最大功率點追蹤（MPPT），捕獲最大能量，在很大的速度范圍內(nèi)運行時提高發(fā)電機電能產(chǎn)量和可靠性； 同步發(fā)電機不需要安裝無功補償系統(tǒng)；如果電網(wǎng)的功率因數(shù)變低了，不用任何電容器，PEC將會自動向電網(wǎng)反饋無功以提高功率因數(shù)； 直驅(qū)風機可以進行功率梯度調(diào)節(jié)，以

15、平抑閃變和電壓波動； 提供一定限度內(nèi)的故障穿越能力，在系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能保持與電網(wǎng)連接。,4. 全功率PEC的主要功能,風機轉(zhuǎn)子側(cè)的能量緩沖功能，用于緩沖由陣風所引起的波動，并控制從風機轉(zhuǎn)子側(cè)傳來的干擾； 防止電網(wǎng)側(cè)傳來的干擾到達WRSG； 控制發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，并避免常規(guī)同步機與電網(wǎng)頻率保持同步殘留的一些問題； 通過使用PEC，可以完全控制無功功率。,5. 優(yōu)點與局限（1）,5.1 優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，取消了齒輪箱和高速軸，不需要油冷和相應的監(jiān)測系統(tǒng)，降低了故障率，減少了維護； 可以不需要機械制動，純粹由葉片大角度時的空氣阻力提供制動； 有很大的氣隙因而有較高的過載能力； 全功率PEC對于電網(wǎng)中

16、的電壓暫降有更好的控制和穿越能力； WRSG能運行在感性和容性兩種模式下，這對于大型風機和脆弱電網(wǎng)而言是有利的。PEC能使得電壓和頻率得到更靈活的控制，從而使有功和無功能在正常的和較小的干擾中得到完全的控制； 大范圍變速使風機能運行在最佳功率系數(shù)“Cp”下，因此在給定的風速條件下會有一個較高的總體風機發(fā)電效率。,5. 優(yōu)點與局限（2）,5.2 局限： WRSG不及鼠籠電機耐用，電機外徑過大，電氣結(jié)構(gòu)更復雜，價格也更貴； PEC中的IGBT開關(guān)對過熱，過電流和過電壓非常敏感。在這些情況下，PEC可能閉鎖，即停止開關(guān)操作。從而可能導致風機從電網(wǎng)切出； 由于定子電路中PEC的存在，該類型的發(fā)電機對于

17、系統(tǒng)慣性無任何幫助，這點不如WRIG機組； 另外一個重要問題是在PEC中會產(chǎn)生諧波。通過使用IGBT的PWM電路，這也能減小到可以接受的水平。,五、繞線式同步機齒輪驅(qū)動機組,1. 原理 2. 構(gòu)成 3. 特點,1. 原理,為了克服直驅(qū)機組發(fā)電機外徑過大、電機結(jié)構(gòu)復雜的缺點,恢復使用齒輪箱； 采用4極同步機，齒輪箱尺寸相應減??； 利用常規(guī)的繞線同步機，尺寸大為減小，轉(zhuǎn)速大為提高。比如采用4極同步機，轉(zhuǎn)數(shù)為1440rpm; 電機輸出與電網(wǎng)解耦，采用全功率變頻與電網(wǎng)相連；,2. 機組構(gòu)成,KENERSYS 2/2.5MW 高變速風機,常規(guī)4極WRSG 全功率PEC 高速軸盤式剎車 行星齒輪箱,3.

18、特點,齒輪箱和電機和諧發(fā)展， 使系統(tǒng)變得簡潔緊湊； 仍然采用全功率PEC，齒輪 箱和PEC均需冷卻，比如 水冷； 變槳與PEC協(xié)同動作； Gamesa的“Made”2MW風機 在其PEC中采用了新型IGCT （代替IGBT）； 是槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)（變槳馬 達）安裝在輪轂外部 。,槳矩角與風機轉(zhuǎn)速特性,六、永磁直驅(qū)同步發(fā)電機組,1. 原理 2. 機組構(gòu)成 3. 永磁同步機的分類 4. 機組特點 5. 齒槽效應 6. 優(yōu)點與局限,1. 原理,采用同步發(fā)電機，利用多級實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速，與緩慢的風機葉片轉(zhuǎn)速一致 ； 采用釹鐵硼永磁體，甩掉了勵磁，省去了銅繞組，提高了效率； 永磁體對溫度敏感，這里使用了細致的冷卻

19、方案； 發(fā)電側(cè)電力電子矢量控制電路保證了定子側(cè)有功與無功的解耦。發(fā)電側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)速，進而控制發(fā)電功率。讓風機轉(zhuǎn)子的氣動力效率（Cp）得到優(yōu)化，實現(xiàn)捕獲風能的最大功率點跟蹤； 電網(wǎng)側(cè)逆變器控制入網(wǎng)電流，維持直流輸入點的電壓恒定，保持發(fā)電機和電網(wǎng)之間潮流一致性，有效控制輸入電網(wǎng)的有功和無功功率。 電網(wǎng)側(cè)有專門的濾波器減少頻率控制器產(chǎn)生的諧波，以改善電能質(zhì)量。,永磁直驅(qū)外轉(zhuǎn)子風電機組,永磁直驅(qū)機組結(jié)構(gòu)示意,永磁同步機定子（發(fā)電部件）,2. 永磁直驅(qū)機組的構(gòu)成,3.8MW永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu),3. 永磁同步機的分類,3.1 徑向磁通永磁發(fā)電機 分內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種。 3.2 軸向磁通永磁發(fā)電機 分單

20、邊定子和雙邊定子 兩種。,軸向磁通，單邊定子,3.1 徑向磁通永磁發(fā)電機,3.2 軸向磁通永磁發(fā)電機,(i) 磁通路徑 (ii) 永磁體附在轉(zhuǎn)子兩邊表面 (iii) 永磁體嵌入轉(zhuǎn)子,雙邊定子優(yōu)點：電機齒槽力矩、振動、噪音都很小，軸距也短。,4. 機組特點,省略了集電環(huán)和電刷； 永磁發(fā)電機正常情況下不需要安裝阻尼繞組； 永磁體能在氣隙中產(chǎn)生很強的磁通密度，允許氣隙稍大； 永磁體為大范圍可變速的風機提供了高的功率因數(shù)； 葉片槳矩調(diào)節(jié)采用了皮帶輪傳動，省去了潤滑和密封； 永磁體電機軸距短，結(jié)構(gòu)緊湊； 永磁體的磁感強度不可調(diào)節(jié)，當加入負載時輸出電壓會降低，所以往往需要一個電壓控制器； 風機的最大優(yōu)點在于功率輸出是正弦波； PMSG在運營速度范圍內(nèi)效率都很高，即使在沒滿發(fā)時功率波動和轉(zhuǎn)子噪音都很?。?齒槽效應是永磁體同步機的固有特性，設計時應給予注意。,5. 齒槽效應,定義：齒槽效應是由發(fā)電機轉(zhuǎn)子位置不同引起磁場在空間內(nèi)的疏密變化導致的力矩震蕩。當永磁體切割定子磁場時會產(chǎn)生一個力矩，磁導的波動產(chǎn)生的力矩就叫做齒槽效應。 危害：齒槽會導致整臺風機 的振動，增加傳動系統(tǒng)中的 應力，甚至在某些轉(zhuǎn)速下提 高了塔架和葉片發(fā)生諧振的 概率。,6. 優(yōu)點與局限,6.1 優(yōu)點： 能重比高。高能量密度帶來的是體積小重量輕； 沒了轉(zhuǎn)子銅損，溫度等級降低了，削減了冷卻裝置，免除了集電環(huán)，