Repower风力发电机及其系统培训

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,风力发电机及其系统,2010,年,8,月,大唐公司系列培训系列之,风力发电机组的内部结构,机舱轮毂桨叶变桨系统偏航系统,齿轮箱发电机底座塔筒控制柜,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,三相笼型异步风力发电机,笼型异步风力发电机的内部结构,定子铁心,转子绕组,（端环）,机座,转子铁心,定子绕组,风扇,端盖,笼型异步风力发电机的工作原理,向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个旋转磁场。,如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场作旋转运动。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。,旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速,n,1,取决于电流的频率,f,和极对数,P,：,旋转磁场,同步转速,笼型异步风力发电机的工作原理,S,n,1,N,f,f,n,e,i,T,f,产生电磁转矩,T,定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速,n,1,旋转,在转子导条中产生感应电动势,e,e,在转子绕组中产生感应电流,i,i,在磁场中产生电磁力,f,若转子以转速,nn,1,向,n,1,的方向旋转,n,是否会等于,n,1,？,要产生,T,，必须,n,n,1,异步,机械能,电能,，是,发电机,转子转速大于定子旋转磁场转速， 发电！,笼型异步风力发电机的工作原理,转差率,笼型异步发电机 中,转差率,S,与运行状态的关系,?,把同步转速,n,1,与转子转速,n,的差与同步转速,n,1,的比值，称为,转差率,，用,s,表示，即,异步电机的特点之一是转子转速,n,和定子旋转磁场的同步转速,n,1,不同。,n,(1,s,),n,1,则转子转速,n,可表示为：,笼型异步风力发电机的工作原理,异步电机的运行状态,发电机状态,电动机状态,用转差率,s,可以表示异步电机的运行状态,!,n,n,1,0,s,0,0,n,n,1,0,s,1,0,1,n,1,0,n,s,电机正反转控制图,笼型异步发电机的等值电路,一相等值电路,定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗,转子可变电阻反映发电机的负载状况,铁损和铜损,铁损：电机的铁损包括磁滞损失和 涡流损失两部分，电机空载时所消耗的功率。,铜损：电机绕组上的损耗，包括原绕组的铜损和副绕组的铜损，一般电机短路情况下的损耗就是铜损。,笼型异步发电机的功率表述,定子输出功率：,定、转子铜损耗：,机械输入功率：,电磁功率：,铁损耗：,笼型异步发电机的功率流程图,笼型异步发电机的机械特性曲线,电磁转矩：,电动机状态：,0,n,n,1,，,0,s,1,发电机状态：,0,n,1,n,，,s,0,软特性,vs.,硬特性,笼型异步发电机的运行特点,（,1,）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发电机，并在机端并联电容；,（,2,）,绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电,机的效率曲线平坦；,（,3,）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，,max,绝对值要大 ；,（,4,）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置；,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,(Rotor Current Control,，,RCC),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。,转子电流受控的异步风力发电机系统,(Rotor Current Control,，,RCC),绕线型转子异步发电机,转子采用类似于定子的三相交流绕组，一般接成,Y,接；,转子三相绕组可在转子内部联接，也可经滑环,电刷装置将转子三相绕组端接线引出；,转子三相绕组的端接线在转子内部短接时，发电机的机械特性类似于笼型异步发电机；外接附加电阻时，机械特性变软。,转子电流受控的异步风力发电机系统,(Rotor Current Control,，,RCC),转子电流斩波控制电路：,原理： 控制附加电阻的接入时间，从而控制转子电流,RCC,异步风力发电机系统的特点,优点：,（,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,;,（,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。,缺点：,旋转电力电子开关电路检修、更换困难。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,系统主回路构成：,双馈异步发电机 交直交双向功率变换器,双馈异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机（风冷）,双馈异步风力发电机系统,风力发电机的关键部位：滑环（电刷）系统,双馈异步风力发电机系统,什么是双馈电机,？,所谓双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子绕组和转子绕组,一般将定子绕组接入电网,而接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按要求分别进行调节,。,双馈电机的特点：,（,1,）,和异步,电,机区别,：,异步,电,机是通过定子从电网吸收励磁电流,本身无励磁绕组,而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组,;,异步,电,机无法改变功率因数,;,异步,电,机的转速随负荷变化而变化,。,（,2,）,和同步机区别,：,同步机励磁只可调节电流的幅值,因此只能对无功功率进行调节,而双馈电机可以调节幅值、频率和相位,:,改变励磁频率,可以调节电机转速,;,改变励磁电流相位,可以调节发电机电势和电网电压向量的相对位置,改变了电机功率角,可以调节有功和无功,.,双馈异步风力发电机系统,双馈异步发电机,绕线型转子三相异步发电机的一种；,定子绕组直接接入交流电网；,转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向功率变换器（变频器）；,转子绕组通入变频交流励磁；,转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；,定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；,双馈异步风力发电机系统,控制原理简图,双馈异步风力发电机系统,双馈系统,（,变换器,系统）,:,(1),交交变频器,(,双馈中有一定应用,),优点,:,自然换流,四象限可靠运行,;,无直流滤波,变频效率高,。,缺点,:,变压器始终吸收无功、功率因数低,;,谐波大,输出频率低,需要隔离变压器,(2),交直交变频器,(,大量应用,),优点,:,双,PWM,实现能量的双向传递,;,结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可控,缺点,:,直流环节的滤波电容体积较大,寿命较短,且双侧采用,PWM,控制,开关损耗较大,.,(3),矩阵变换器,(,研发阶段,),优点,:,四象限运行,;,可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压,谐波含量较小,.,缺点,:,换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断,实现比较困难,风力发电系统简图,双馈异步风力发电机系统,基于,IGBT,（绝缘栅双极晶闸管）技术的,双馈异步风力发电机系统,交直交双向功率变换器,大的机侧小的网侧,双馈异步风力发电机系统,IGBT,原理图,双馈异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,交直交双向功率变换器,两套,PWM,控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线；,在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态；,发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量,PWM,控制方法；,电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量,PWM,控制方法；,可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。,双馈异步风力发电机的运行原理,引入转子交流励磁变流器，控制转子电流；,转子电流的频率为转差频率，跟随转速变化；,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持发电状态；,通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率；,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。,双馈异步风力发电机的等值电路,S,0,时,S,0,时，右边的转子支路转变为一个电流源。,双馈异步风力发电机系统,亚同步发电运行,n,r,n,1,时 ，（即,0,S,1,）,f,2,取正号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为：,P,电磁,=P,机械,+P,转差,P,上网,=P,电磁,（定子馈电，转子由变频器提供励磁）,b.,超同步发电运行,n,r,n,1,时，（即,S,1,）,f,2,取负号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量,关系为：,P,机械,=P,转差,+P,电磁,P,上网,=P,转差,+P,电磁,（定子馈电,+,转子馈电）,将定转子电压、电流和磁链各量投影到由定子磁场确定的同步旋转坐标系中，进行调节控制的方法。,定子磁场定向矢量控制,双馈发电机的功率转速关系,此图参考,1.5MW,风机,双馈发电机的负载电流关系,双馈发电机的负载转子电压关系,双馈发电机的效率曲线,双馈异步风力发电机系统的特点,（,1,）连续变速运行，风能转换率高；,（,2,）部分功率变换，变流器成本相对较低；,（,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,）双向变流器结构和控制较复杂；,（,8,）电刷与滑环间存在机械磨损。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,混合控制,双馈斩波,转子电流混合控制的特点,优点：,（,1,）简化了主回路结构和控制策略，成本低；,（,2,）兼具双馈控制和,RCC,控制的优点。,缺点：,（,1,）转速范围缩小；,（,2,）超同步速运行时，无功功率不可调，功率因数略低。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,gearbox,brake,pitch,drive,inverter,rectifier,line coupling,transformer,grid side,breaker,Yaw drive,generator side,breaker,Converter,(full rating),wind turbine controller,converter controller,Cage Induction,generator,变速笼型异步风力发电机系统,系统特点,笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；,运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行效率高；,发电机机端电压可调，轻载运行效率高；,发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网波动的适应性好；,变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,发展同步发电机的必要性：,同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。,近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。,直接驱动同步风力发电机,去除齿轮箱，直接驱动的理由：,由齿轮箱引起的风电机组故障率高；,齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染；,系统的噪声大，效率低，寿命 短。,直驱带来的问题：,发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大；,全功率整流逆变，变流器成本高。,直接驱动同步风力发电机,同步风力发电机的定、转子结构,定子铁心 定子绕组 发电机转子,同步风力发电机的基本工作原理,同步发电机原理：产生感应电动势,风力机拖着发电机的转子以恒定转,速,n,1,相对于定子沿逆时针方向旋转；,安放于定子铁心槽内的导体与转子,上的主磁极之间发生相对运动 ；,根据电磁感应定律可知，相对于磁,极运动（即切割磁力线）的导体中,将感应出电动势：,导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。,同步风力发电机的基本工作原理,如果发电机的转速为,n,1,，单位为,r/min,，即发电机转子每秒转了,n,1,/60,圈，则定子导体中感应电动势的频率为：,当发电机的极对数,p,与转速,n,1,一定时，发电机内感应电动势的频率,f,就是固定的数值。,同步风力发电机的基本工作原理,同步发电机原理：,产生电磁力,如果在同步发电机定子导体,A,中有电流流过，那么根据电磁作用力定律，导体,A,在主磁极的磁场作用下，将受到一个电磁力 ：,电磁力的方向可用左手定则判断,。,同步风力发电机的电动势方程式,电动势方程式,:,式中，,X,d,X,s,X,ad,X,q,X,s,X,aq,X,ad,、,X,aq,每相电枢绕组的直,轴、交轴电枢反应电抗。,X,d,、,X,q,每相电枢绕组的直轴、,交轴同步电抗。,相量图,（,忽略,R,）,同步发电机的空载特性,E,0,:,定子一相感应电动势的有效值,空载特性,E,0,f,(,i,f,),i,f,:,转子励磁电流,空载特性,反映了转子励磁磁动势产生磁场、并在定子绕组中感应电动势的能力,。,同步发电机的外特性,外特性反映负载性质不同时，端电压随负载大小变化而变化的情况。,外特性：同步发电机在,n,n,N,，,i,f,const,，,cos,const,的条件下，端电压,U,和负载电流,I,的关系曲线。,负载的,cos,不同，,U,随,I,变化的趋势有所不同。,同步发电机的电压调整率,保持发电机额定运行时（,U,N,、,I,N,、,cos,N,）的额定励磁电流,i,f,N,和转速不变，去掉全部负载后，空载电动势为,E,0,，则,电压调整率,为,式中,E,0,和,U,N,同为相值或线值。,同步发电机的功角特性,电磁功率可用电枢感应电动势、电枢电流及它们之间的夹角表示。对隐极同步发电机（不计饱和）,:,电磁功率的表达式,同步发电机的功角特性,功角特性,励磁电磁功率,磁阻电磁功率,隐极同步发电机，最大电磁功率,出现在,90,处。,凸极同步发电机，最大电磁功率,出现在,90,处。,gearbox,brake,pitch,drive,main inverter,(full rating),wind turbine control,rectifier,line coupling,transformer,grid side,breaker,Yaw drive,generator side,breaker,converter,converter controller,SG,AVR exciter,电励磁直驱同步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,系统特点：,通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；,定子绕组输出电压的频率随转速变化；,可采用不控整流和,PWM,逆变，成本较低；,转子可采用无刷旋转励磁；,转子结构复杂，励磁消耗电功率；,体积大、重量重，效率稍低。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,永磁直接驱动同步风力发电机,永磁同步发电机的功率变换电路,永磁直接驱动同步发电机系统,系统特点：,永磁发电机具有最高的运行效率；,永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控,PWM,整流或不控整流后接,DC/DC,变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；,在电网侧采用,PWM,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；,永磁发电机和全容量全控变流器成本高；,永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,系统特点：,利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力；,采用部分功率容量的,SVG,逆变器向发电机机端注入无功电流，以调节发电机的端电压；,无需全功率容量的脉冲整流或,DC-DC,变换器，可明显节省变流器的容量；,SVG,逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。,典型风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,变速笼型异步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,永磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,新结构发电机与电力电子变流器的结合，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！,小结,（,1,）笼型异步发电机成本低、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；,（,2,）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内继续称为风电市场上的主流产品；,（,3,）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。,谢谢！,