风力发电概述课件

,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,*,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,*,风力发电技术,风力发电机系统,两大核心系统：风力机系统 发电机系统,一个灵魂：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,风力发电机系统,5.1,风力发电机组分类,（,1,）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,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。,（,2,）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；,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；,连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。,（,3,）按传动机构分类,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。,直驱风力机,（,4,）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,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。,（,5,）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。,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,：定桨距（失速型,),、变桨距,按叶轮转速是否恒定分,：恒速发电机、变速发电机,其它机型,：主动失速型、无齿轮箱型,5.1,风力发电机组分类,5.2,风力机基本型式,水平轴式风力机,5.2,风力机基本型式,5.2,风力机基本型式,风轮旋转平面与风向垂直,叶片径向安装，与风轮旋转平面成,一角度,大型风力机叶片数少，转速高，用,于发电,小型风力机叶片数多，转速低，用,于提水,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,利用空气动力的阻力,做功,启动转矩较大,风轮产生不对称气,流，受侧向推力,风能利用系数低，提,供的功率较低，不宜,用作发电,5.2,风力机基本型式,达里厄式风力机,利用翼型的升力做功,型风轮弯叶片只承受张力，,不承受离心力载荷,型叶片重量轻，转速高,不便采用变桨矩方法实现自启,动和控制转速,扫掠面积小,5.2,风力机基本型式,风力发电机系统的分类：,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,:,（,1,）变速恒频鼠笼异步发电机系统（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,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,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,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,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,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。,恒速恒频同步风力发电机系统极少被采用！,恒速恒频同步风力发电机系统,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,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,笼型异步风力发电机的工作原理,旋转磁场,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,2,p,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,：,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,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,n,1,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,nn,1,向,n,1,的方向旋转，,T,为制动转矩转差,率,:,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,:,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,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,（,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,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。,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,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,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。,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,变速恒频笼型异步风力发电机系统,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、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,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,国产,1MW,双馈异步风力发电机,变速恒频双馈异步风力发电机系统,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,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,双馈异步发电机的运行原理,转子交流励磁,（,1,）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；,（,2,）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；,（,3,）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；,（,4,）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,0.3,倍，,|s|0.3,）,变速恒频双馈异步风力发电机系统,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,）电刷与滑环间存在机械磨损。,变速恒频双馈异步风力发电机系统,变速恒频电励磁,同步发电机系统（中、低速）,（,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）,变速恒频永磁,同步发电机系统（中、低速）,系统特点：,（,1,）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；,（,2,）具有最高的运行效率；,（,3,）励磁不可调，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，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；,（,4,）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；,（,5,）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；,（,6,）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）,变速恒频横向磁通,发电机系统（中、低速）,半直驱或直驱,新结构发电机与电力电子变流器相结合，有望大幅度减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量！,（,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。将在未来十年内继续成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。,小 结,