风力发电--概述PPT课件.ppt

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1、风力发电技术 1授课：XXX 风力发电机系统 两大核心系统：风力机系统两大核心系统：风力机系统 发电机系统发电机系统 一个灵魂：一个灵魂： 系统控制器系统控制器 风力机系统： 桨叶 轮毂 主轴 调桨机构（液压或电动伺服 机构） 偏航机构（电动伺服机构） 刹车、制动机构 风速传感器 发电机系统： 发电机 励磁调节器（电力电子变换器） 并网开关 软并网装置 无功补偿器 主变压器 转速传感器 2授课：XXX 风力发电机系统 3授课：XXX 5.1 风力发电机组分类 （1 1）按风轮桨叶分类）按风轮桨叶分类 失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的

2、扰流器动作，限 制风力机的输出转矩与功率；制风力机的输出转矩与功率； 变桨型：高风速时，调整桨距角，限制输出转矩与功率。变桨型：高风速时，调整桨距角，限制输出转矩与功率。 （2 2）按风轮转速分类）按风轮转速分类 定速型：风轮保持一定转速运行，风能转换率较低；定速型：风轮保持一定转速运行，风能转换率较低； 变速型：包括以下两种方式变速型：包括以下两种方式 双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率；双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率； 连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。 （3 3）按传动机构分类）按传动机构分类 升速型：用齿轮箱连接低速

3、风力机和高速发电机。升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。 直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。 4授课：XXX 直驱风力机 5授课：XXX （4 4）按发电机分类）按发电机分类 异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步 发电机；绕线式异步发电机。发电机；绕线式异步发电机。 同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。 （5 5）按并网方式分类）按并网方式分类 并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。 离网

4、型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。 按功率调节方式分按功率调节方式分：定桨距（失速型：定桨距（失速型) )、变桨距、变桨距 按叶轮转速是否恒定分按叶轮转速是否恒定分： 恒速发电机、变速发电机恒速发电机、变速发电机 其它机型其它机型：主动失速型、无齿轮箱型：主动失速型、无齿轮箱型 5.1 风力发电机组分类 6授课：XXX 5.2 风力机基本型式 水平轴式风力机水平轴式风力机 7授课：XXX 8授课：XXX 5.2 风力机基本型式 9授课：XXX 5.2 风力机基本型式 风轮旋转平面与风向垂直风轮旋转平面与风向垂直 叶片径向安装，与风轮旋转

5、平面成叶片径向安装，与风轮旋转平面成 一角度一角度 大型风力机叶片数少，转速高，用大型风力机叶片数少，转速高，用 于发电于发电 小型风力机叶片数多，转速低，用小型风力机叶片数多，转速低，用 于提水于提水 10授课：XXX 萨瓦里欧斯式风力机萨瓦里欧斯式风力机 5.2 风力机基本型式 垂直轴式风力机垂直轴式风力机 利用空气动力的阻力利用空气动力的阻力 做功做功 启动转矩较大启动转矩较大 风轮产生不对称气风轮产生不对称气 流，受侧向推力流，受侧向推力 风能利用系数低，提风能利用系数低，提 供的功率较低，不宜供的功率较低，不宜 用作发电用作发电 11授课：XXX 5.2 风力机基本型式 达里厄式风力

6、机达里厄式风力机 利用翼型的升力做功利用翼型的升力做功 型风轮弯叶片只承受张力，型风轮弯叶片只承受张力， 不承受离心力载荷不承受离心力载荷 型叶片重量轻，转速高型叶片重量轻，转速高 不便采用变桨矩方法实现自启不便采用变桨矩方法实现自启 动和控制转速动和控制转速 扫掠面积小扫掠面积小 12授课：XXX 5.2 风力机基本型式 13授课：XXX 风力发电机系统的分类：风力发电机系统的分类： 恒速恒频风力发电机系统恒速恒频风力发电机系统: : （1）同步发电机系统 （2）笼型异步发电机系统 （3）绕线转子RCC异步发电机系统 变速恒频风力发电机系统变速恒频风力发电机系统: : （1）变速恒频鼠笼异步

7、发电机系统（高速） （2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速） （3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速） （4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速） （5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速） 5.3 风力发电机 14授课：XXX 三要素： （1）同步发电机 （2）调速器 （3）励磁调节器 恒速恒频同步风力发电机系统 15授课：XXX 同步风力发电机的定、转子结构 恒速恒频同步风力发电机系统 16授课：XXX 同步风力发电机的并网条件同步风力发电机的并网条件: : 发电机输出的三相交流电压与电网电压应满足四同条件，即： “同相序、同幅值、同频率、同相位” 同相序：由正确的旋转方向保证

8、同幅值：由励磁调节器自动保证 同频率：由调速器保证，桨距调节可用作并网调速器 同相位：由调速器微调实现 恒速恒频同步风力发电机系统 17授课：XXX 同步风力发电机系统的主要问题同步风力发电机系统的主要问题: : （1）并网问题：并网控制复杂，对调速器要求过高，并网过程 长，成功率较低，冲击电流不易控制，不适合于频繁脱、并网的 风力发电机。 （2）运行问题：转子转速受电网频率的钳制，发电机呈现刚性 机械特性。转子受到的冲击应力大，电磁功率波动快，风力机的 风能转换率偏低。 （3）过载问题：高风速时，对变桨调节的动态响应要求高，无 法利用转子惯量缓冲。留给过速保护的响应时间太短。 恒速恒频同步风

9、力发电机系统极少被采用！恒速恒频同步风力发电机系统极少被采用！ 恒速恒频同步风力发电机系统 18授课：XXX 三要素： （1）异步发电机 （2）调速器 （3）无功补偿器 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 19授课：XXX 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 20授课：XXX 笼型异步风力发电机的工作原理旋转磁场 (1) 向对称三相绕组中通入对称三相交流电流，可形成行波磁 场； (2) 如果绕组分布在圆周上，则行波磁场为旋转磁场； (3) 旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数目 称为极数，用2p表示。 (4) 旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决于电 流的频率f 和极对数p：

10、恒速恒频笼型异步风力发电机系统 21授课：XXX 笼型异步风力发电机的工作原理电磁感应 （1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转 （2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势e 和电流i （3）i 在磁场中受力f，产生电磁转矩T （4）若转子以转速nn1, 向n1的方向旋转， T 为制动转矩转差 率: 同步转速n1与转子转速 n 的差与同步转速n1的比值， 称为转差率，用s表示，即: 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 22授课：XXX 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 23授课：XXX 笼型异步风力发电机系统的特点: （1）无功补偿：发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。 应选用较高功率因数

11、发电机，并在机端并联电容； （由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。 可能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可 考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC） （2）软并网： 并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大 的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控 硅软起动限流装置； 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 24授课：XXX （3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转 速变动范围小，导致风力机的风能转换率偏低。风速 不稳时，风电机组容易受到冲击机械应力； （软特性发电机的转子损耗较大，发热严重） （4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要求发电机 的效率曲线平坦，在中低负

12、载区效率较高。可考虑在 轻载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 25授课：XXX 笼型双速异步风力发电机系统的特点 （1）变极双速笼型异步风力发电机方案 在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电 枢绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以 获得合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低 轻载运行时的铁心磁密和损耗。 （2）大、小电机方案： 采用两台不同容量、不同极对数的单速笼型异步发电机同 轴串联。高速发电机角接，低速发电机绕组星接。根据需要， 可在两套绕组切换。与变极双速方案相比，小电机的负荷率较 高，发电效率更高。 恒速

13、恒频笼型异步风力发电机系统 26授课：XXX 恒速恒频RCC异步风力发电机系统 RCC：Rotor Current Control，转子电流控制 定义： 转子电流控制技术是指通过电力电子开关和脉宽调制 （PWM）来控制绕线型异步发电机转子电流的一项技术。 系统的结构特征： （1）采用变桨风力机； （2）采用绕线型异步发电机，但没有滑环； （3）采用旋转开关器件斩波控制转子电流，动态调整发电机 的机械特性。 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 27授课：XXX 优优 点：点： （1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机 构调节，其高频分量由RCC调节，可明显减轻桨叶应力，平 滑输出电功率;

14、 （2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化 形成的动能，提高风能利用率； （3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。 缺缺 点：点： 旋转电力电子开关电路检修、更换困难。 恒速恒频笼型异步风力发电机系统 28授课：XXX 变速恒频笼型异步风力发电机系统 29授课：XXX 系统特点： （1）交直交变频器使发电机转速与电网频率间的关联解耦；笼 型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；可利用发电机的电 磁转矩控制风力机转子的转速，跟踪其最大功率点。发电机的运 行转差率小，发电机机械特性硬，运行效率高； （2）发电机侧变频器运行于升压整流状态，机端电压可调，轻 载运行时发电机的铁耗小

15、、效率高； （3）电网侧变频器运行于逆变状态，将发电机发出的有功传送 至电网，并可作为无功发生器参与调节电网无功；对电网波动的 适应性好，可以将电网的波动屏蔽于发电机之外； （4）变频器与发电机功率容量相等，系统成本高。 变速恒频笼型异步风力发电机系统 30授课：XXX 变速恒频双馈异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机 交直交双向功率变换器 31授课：XXX 国产国产1MW1MW双馈异步风力发电机双馈异步风力发电机 变速恒频双馈异步风力发电机系统 32授课：XXX 绕线型转子三相异步发电机的结构绕线型转子三相异步发电机的结构 变速恒频双馈异步风力发电机系统 33授课：XXX 绕线型绕组的联结

16、方式绕线型绕组的联结方式 变速恒频双馈异步风力发电机系统 34授课：XXX 双馈异步发电机的运行原理双馈异步发电机的运行原理 转子交流励磁转子交流励磁 （1 1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化； （2 2）通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网）通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网 电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保 持发电状态；持发电状态； （3 3）通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无）通过调节转子电流的幅值，可控制发电机

17、定子输出的无 功功率；功功率； （4 4）转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量）转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量 与转差率有关（约为电磁功率的与转差率有关（约为电磁功率的0.30.3倍，倍，|s|0.3|s|0.3） 变速恒频双馈异步风力发电机系统 35授课：XXX 系统特点： （1）连续变速运行，风能转换率高； （2）部分功率变换，变频器成本相对较低； （3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）； （4）并网简单，无冲击电流； （5）降低桨距控制的动态响应要求； （6）改善作用于风轮桨叶上机械应力状况； （7）双向变频器结构和控制较复杂； （8）电刷与滑环间存在

18、机械磨损。 变速恒频双馈异步风力发电机系统 36授课：XXX 变速恒频电励磁 同步发电机系统（中、低速） 37授课：XXX （1）连续变速运行，风能转换率高； （2）通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定； （3）可采用不控整流和PWM逆变，成本低于全功率变换； （4）电能质量好，并网简单，无冲击电流； （5）降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况 （6）转子可采用无刷旋转励磁； （7）转子结构复杂，励磁消耗电功率； （8）体积大、重量重，效率稍低。 变速恒频电励磁 同步发电机系统（中、低速） 38授课：XXX 变速恒频永磁 同步发电机系统（中、低速） 39授课：XXX 系

19、统特点：系统特点： （1 1）连续变速运行，风能转换率高，可降低桨距控制的动态）连续变速运行，风能转换率高，可降低桨距控制的动态 响应要求，改善桨叶上机械应力状况；响应要求，改善桨叶上机械应力状况； （2 2）具有最高的运行效率；）具有最高的运行效率； （3 3）励磁不可调，感应电动势随转速和负载变化。采用可控）励磁不可调，感应电动势随转速和负载变化。采用可控 PWMPWM整流或不控整流后接整流或不控整流后接DC/DCDC/DC变换，可维持直流母线电压变换，可维持直流母线电压 基本恒定，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；基本恒定，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速； （4 4）在

20、电网侧采用）在电网侧采用PWMPWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交逆变器输出恒定频率和电压的三相交 流电，对电网波动的适应性好；流电，对电网波动的适应性好； （5 5）永磁发电机体积大、重量重，成本高；全容量全控变流）永磁发电机体积大、重量重，成本高；全容量全控变流 器控制复杂，成本高；器控制复杂，成本高； （6 6）永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。）永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。 变速恒频永磁 同步发电机系统（中、低速） 40授课：XXX 变速恒频横向磁通 发电机系统（中、低速） 半直驱或直驱半直驱或直驱 新结构发电机与电力电子变流器相结合，有望大幅度新结构发电机

21、与电力电子变流器相结合，有望大幅度 减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量！减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量！ 41授课：XXX （1 1）笼型异步风力发电机系统成本低、可靠性高，在定速和变速）笼型异步风力发电机系统成本低、可靠性高，在定速和变速 全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色； （2 2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒 频风力发电。将在未来十年内继续成为风电市场上的主流产品；频风力发电。将在未来十年内继续成为风电市场上的主流产品； （3 3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术 有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。 小小 结结 42授课：XXX Thank you! 43