Repower風力發(fā)電機及其系統(tǒng)培訓PPT參考課件

1、風力發(fā)電機及其系統(tǒng)2010年8月,大唐公司系列培訓系列之,風力發(fā)電機組的內部結構,機艙輪轂槳葉變槳系統(tǒng)偏航系統(tǒng) 齒輪箱發(fā)電機底座塔筒控制柜,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng),三相籠型異步風力發(fā)電機,籠型異步風力發(fā)電機的內部結構,定子鐵心,轉子繞組 （端環(huán)）,機座,轉子鐵心,定子繞組,風扇,端蓋,籠型異步風力發(fā)電

2、機的工作原理,向對稱的三相繞組中通入對稱三相交流電流，可以產生一個旋轉磁場。 如果三相繞組分布在一個圓周上，則旋轉磁場作旋轉運動。旋轉磁場在一個圓周內，呈現(xiàn)出的磁極（N、S極）數(shù)目稱為極數(shù)，用2P表示。 旋轉磁場的轉向取決于三相電流的相序，轉速n1取決于電流的頻率 f 和極對數(shù) P：,旋轉磁場, 同步轉速,籠型異步風力發(fā)電機的工作原理,f 產生電磁轉矩T,定子三相電流產生旋轉磁場，以同步轉速n1 旋轉,在轉子導條中產生感應電動勢 e,e 在轉子繞組中產生感應電流 i,i 在磁場中產生電磁力f,若轉子以轉速nn1, 向n1的方向旋轉,n 是否會等于 n1？,要產生T，必須nn1, 異步,機械能

3、電能，是發(fā)電機,轉子轉速大于定子旋轉磁場轉速， 發(fā)電！,籠型異步風力發(fā)電機的工作原理,轉差率,籠型異步發(fā)電機 中轉差率S 與運行狀態(tài)的關系?,把同步轉速n1與轉子轉速n的差與同步轉速n1的比值，稱為轉差率，用s表示，即,異步電機的特點之一是轉子轉速n和定子旋轉磁場的同步轉速n1不同。,n(1s)n1,則轉子轉速n可表示為：,籠型異步風力發(fā)電機的工作原理,異步電機的運行狀態(tài),發(fā)電機狀態(tài),電動機狀態(tài),用轉差率s可以表示異步電機的運行狀態(tài)!,電機正反轉控制圖,籠型異步發(fā)電機的等值電路,一相等值電路 定子漏阻抗、轉子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗 轉子可變電阻反映發(fā)電機的負載狀況,鐵損和銅損,鐵損：電機的鐵

4、損包括磁滯損失和 渦流損失兩部分，電機空載時所消耗的功率。 銅損：電機繞組上的損耗，包括原繞組的銅損和副繞組的銅損，一般電機短路情況下的損耗就是銅損。,籠型異步發(fā)電機的功率表述,定子輸出功率：,定、轉子銅損耗：,機械輸入功率：,電磁功率：,鐵損耗：,籠型異步發(fā)電機的功率流程圖,籠型異步發(fā)電機的機械特性曲線,電磁轉矩：,軟特性 vs. 硬特性,籠型異步發(fā)電機的運行特點,（1）發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應選用較高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容； （2）絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機的效率曲線平坦； （3）風速不穩(wěn)，易受沖擊機械應力，希望發(fā)電機有較軟的機械

5、特性曲線，max絕對值要大 ； （4）并網(wǎng)瞬間與電動機起動相似，存在很大的沖擊電流，應在接近同步轉速時并網(wǎng)，并加裝軟起動限流裝置；,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng)(Rotor Current Control， RCC),定義： 轉子電流控制技術是指通過電力電子開關和脈寬調制（PWM）來控制繞線型異步發(fā)電

6、機轉子電流的一項技術。 系統(tǒng)的結構特征： （1）采用變槳風力機； （2）采用繞線型異步發(fā)電機，但沒有滑環(huán)； （3）采用旋轉開關器件斬波控制轉子電流，動態(tài)調整發(fā)電機的機械特性。,轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng)(Rotor Current Control， RCC),繞線型轉子異步發(fā)電機,轉子采用類似于定子的三相交流繞組，一般接成Y接； 轉子三相繞組可在轉子內部聯(lián)接，也可經滑環(huán)電刷裝置將轉子三相繞組端接線引出； 轉子三相繞組的端接線在轉子內部短接時，發(fā)電機的機械特性類似于籠型異步發(fā)電機；外接附加電阻時，機械特性變軟。,轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng)(Rotor Current Control，

7、 RCC),轉子電流斬波控制電路：,原理： 控制附加電阻的接入時間，從而控制轉子電流,RCC異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的特點,優(yōu)點： （1）風速變化引起風輪轉矩脈動的低頻分量由變槳調速機構調節(jié)，其高頻分量由RCC調節(jié)，可明顯減輕槳葉應力，平滑輸出電功率; （2）利用風輪作為慣性儲能元件，吞吐伴隨轉子轉速變化形成的動能，提高風能利用率； （3）電力電子主回路結構簡單，不需要大功率電源。 缺點： 旋轉電力電子開關電路檢修、更換困難。,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電

8、勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),系統(tǒng)主回路構成： 雙饋異步發(fā)電機 交直交雙向功率變換器,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),雙饋異步風力發(fā)電機（風冷）,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),風力發(fā)電機的關鍵部位：滑環(huán)（電刷）系統(tǒng),雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),什么是雙饋電機？ 所謂雙饋電機,就是將電能分別饋入繞線轉子異步電機的定子繞組和轉子繞組,一般將定子繞組接入電網(wǎng),而接入轉子繞組電源的頻率、電壓幅值和相位則需要按要求分別進行調節(jié) 。 雙饋電機的特點： （1）和異步電機區(qū)別：異步電機是通過定子從電網(wǎng)吸收勵磁電流,

9、本身無勵磁繞組,而雙饋與同步機一樣有獨立的勵磁繞組;異步電機無法改變功率因數(shù);異步電機的轉速隨負荷變化而變化 。 （2）和同步機區(qū)別 ：同步機勵磁只可調節(jié)電流的幅值,因此只能對無功功率進行調節(jié),而雙饋電機可以調節(jié)幅值、頻率和相位:改變勵磁頻率,可以調節(jié)電機轉速;改變勵磁電流相位,可以調節(jié)發(fā)電機電勢和電網(wǎng)電壓向量的相對位置,改變了電機功率角,可以調節(jié)有功和無功.,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),雙饋異步發(fā)電機 繞線型轉子三相異步發(fā)電機的一種； 定子繞組直接接入交流電網(wǎng)； 轉子繞組端接線由三只滑環(huán)引出，接至一臺雙向功率變換器（變頻器）； 轉子繞組通入變頻交流勵磁； 轉子轉速低于同步轉速時也可運行于發(fā)電狀態(tài)

10、； 定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率；但轉子繞組端口電功率的流向取決于轉差率；,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),控制原理簡圖,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),雙饋系統(tǒng)（變換器系統(tǒng)）: (1)交交變頻器(雙饋中有一定應用) 優(yōu)點:自然換流,四象限可靠運行;無直流濾波,變頻效率高 。 缺點:變壓器始終吸收無功、功率因數(shù)低;諧波大,輸出頻率低,需要隔離變壓器 (2)交直交變頻器(大量應用) 優(yōu)點:雙PWM實現(xiàn)能量的雙向傳遞;結構簡單、電流諧波含量小、輸入功率因數(shù)可控 缺點:直流環(huán)節(jié)的濾波電容體積較大,壽命較短,且雙側采用PWM控制,開關損耗較大. (3)矩陣變換器(研發(fā)階段) 優(yōu)點:四象限運行;可輸出幅值、頻率、相

11、位和相序均可控的電壓,諧波含量較小. 缺點:換流過程不允許兩個開關同時導通或同時關斷,實現(xiàn)比較困難,風力發(fā)電系統(tǒng)簡圖,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),基于IGBT（絕緣柵雙極晶閘管）技術的雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)交直交雙向功率變換器,大的機側小的網(wǎng)側,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),IGBT原理圖,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),交直交雙向功率變換器 兩套PWM控制型三相開關橋“背靠背”，中間存在電容支撐的直流母線； 在任一時刻，一套三相橋處于脈沖整流狀態(tài)；而另一套處于逆變狀態(tài)； 發(fā)電機側三相開關橋采用定子磁場定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法； 電網(wǎng)側三相開關橋采

12、用電網(wǎng)電壓定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法； 可實現(xiàn)發(fā)電機輸出的有功和無功功率解耦控制。,雙饋異步風力發(fā)電機的運行原理,引入轉子交流勵磁變流器，控制轉子電流； 轉子電流的頻率為轉差頻率，跟隨轉速變化； 通過調節(jié)轉子電流的相位，控制轉子磁場領先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉速高于和低于同步轉速時都能保持發(fā)電狀態(tài)； 通過調節(jié)轉子電流的幅值，可控制發(fā)電機定子輸出的無功功率； 轉子繞組參與有功和無功功率變換，為轉差功率，容量與轉差率有關。,雙饋異步風力發(fā)電機的等值電路,S0 時,S0 時，右邊的轉子支路轉變?yōu)橐粋€電流源。,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng),亞同步發(fā)電運行 nr n1時 ，（即 0S

13、1） f2取正號，如果忽略各種損耗，則發(fā)電機的能量關系為： P電磁=P機械+P轉差 P上網(wǎng)=P電磁 （定子饋電，轉子由變頻器提供勵磁） b.超同步發(fā)電運行 nr n1時，（即 S1） f2取負號，如果忽略各種損耗，則發(fā)電機的能量 關系為： P機械=P轉差+P電磁 P上網(wǎng)=P轉差+P電磁（定子饋電+轉子饋電）,將定轉子電壓、電流和磁鏈各量投影到由定子磁場確定的同步旋轉坐標系中，進行調節(jié)控制的方法。,定子磁場定向矢量控制,雙饋發(fā)電機的功率轉速關系,此圖參考1.5MW風機,雙饋發(fā)電機的負載電流關系,雙饋發(fā)電機的負載轉子電壓關系,雙饋發(fā)電機的效率曲線,雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的特點,（1）連續(xù)變速運行，

14、風能轉換率高； （2）部分功率變換，變流器成本相對較低； （3）電能質量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）； （4）并網(wǎng)簡單，無沖擊電流； （5）降低槳距控制的動態(tài)響應要求； （6）改善作用于風輪槳葉上機械應力 狀況 ； （7）雙向變流器結構和控制較復雜； （8）電刷與滑環(huán)間存在機械磨損。,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),轉子電流混合控制的

15、異步風力發(fā)電機系統(tǒng),混合控制 雙饋斬波,轉子電流混合控制的特點,優(yōu)點： （1）簡化了主回路結構和控制策略，成本低； （2）兼具雙饋控制和RCC控制的優(yōu)點。 缺點： （1）轉速范圍縮??； （2）超同步速運行時，無功功率不可調，功率因數(shù)略低。,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng),變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng),系統(tǒng)特點

16、籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)； 運行于小轉差率范圍，發(fā)電機機械特性硬，運行效率高； 發(fā)電機機端電壓可調，輕載運行效率高； 發(fā)電機與電網(wǎng)被可控的變流器隔離，系統(tǒng)對電網(wǎng)波動的適應性好； 變流器與發(fā)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng),發(fā)展同步發(fā)電機的必要性： 同步發(fā)電機用作

17、風力發(fā)電機時，即可直接向交流負載供電，也可經整流器變換為直流電，向直流負載供電。因此，同步風力發(fā)電機已成為中小容量風力發(fā)電機組的首選機型。 近年來，在大容量風力發(fā)電機組產品中，同步風力發(fā)電機也已暫露頭角，有望成為未來的主力機型。,直接驅動同步風力發(fā)電機,去除齒輪箱，直接驅動的理由： 由齒輪箱引起的風電機組故障率高； 齒輪箱的運行維護工作量大，易漏油污染； 系統(tǒng)的噪聲大，效率低，壽命 短。 直驅帶來的問題： 發(fā)電機轉速低、轉矩大，體積重量明顯增大； 全功率整流逆變，變流器成本高。,直接驅動同步風力發(fā)電機,同步風力發(fā)電機的定、轉子結構,定子鐵心 定子繞組 發(fā)電機轉子,同步風力發(fā)電機的基本工作原理,

18、同步發(fā)電機原理：產生感應電動勢 風力機拖著發(fā)電機的轉子以恒定轉 速n1相對于定子沿逆時針方向旋轉； 安放于定子鐵心槽內的導體與轉子 上的主磁極之間發(fā)生相對運動 ； 根據(jù)電磁感應定律可知，相對于磁 極運動（即切割磁力線）的導體中 將感應出電動勢： 導體感應電動勢的方向可用右手定則判斷 。,同步風力發(fā)電機的基本工作原理,如果發(fā)電機的轉速為n1，單位為r/min，即發(fā)電機轉子每秒轉了n1/60圈，則定子導體中感應電動勢的頻率為： 當發(fā)電機的極對數(shù)p與轉速n1一定時，發(fā)電機內感應電動勢的頻率f就是固定的數(shù)值。,同步風力發(fā)電機的基本工作原理,同步發(fā)電機原理： 產生電磁力 如果在同步發(fā)電機定子導體A中有電

19、流流過，那么根據(jù)電磁作用力定律，導體A在主磁極的磁場作用下，將受到一個電磁力 ： 電磁力的方向可用左手定則判斷 。,同步風力發(fā)電機的電動勢方程式,電動勢方程式:,式中， Xd XsXad XqXsXaq,Xad 、Xaq 每相電樞繞組的直 軸、交軸電樞反應電抗。,Xd 、Xq 每相電樞繞組的直軸、 交軸同步電抗。,相量圖（忽略R）,同步發(fā)電機的空載特性,E0:定子一相感應電動勢的有效值,空載特性 E0f ( if ),if:轉子勵磁電流,空載特性反映了轉子勵磁磁動勢產生磁場、并在定子繞組中感應電動勢的能力。,同步發(fā)電機的外特性,外特性反映負載性質不同時，端電壓隨負載大小變化而變化的情況。,外特

20、性：同步發(fā)電機在nnN ，ifconst，cosconst的條件下，端電壓U和負載電流I 的關系曲線。,負載的 cos不同，U 隨I 變化的趨勢有所不同。,同步發(fā)電機的電壓調整率,保持發(fā)電機額定運行時（UN、IN、cosN）的額定勵磁電流ifN和轉速不變，去掉全部負載后，空載電動勢為E0 ，則電壓調整率為,式中E0和UN同為相值或線值。,同步發(fā)電機的功角特性,電磁功率可用電樞感應電動勢、電樞電流及它們之間的夾角表示。對隱極同步發(fā)電機（不計飽和）:,電磁功率的表達式,同步發(fā)電機的功角特性,功角特性,勵磁電磁功率,磁阻電磁功率,隱極同步發(fā)電機，最大電磁功率 出現(xiàn)在 90處。,凸極同步發(fā)電機，最大電

21、磁功率 出現(xiàn)在 90處。,電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng),電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng),系統(tǒng)特點： 通過調節(jié)轉子勵磁電流，可保持發(fā)電機的端電壓恒定； 定子繞組輸出電壓的頻率隨轉速變化； 可采用不控整流和PWM逆變，成本較低； 轉子可采用無刷旋轉勵磁； 轉子結構復雜，勵磁消耗電功率； 體積大、重量重，效率稍低。,典型風力發(fā)電機系統(tǒng),定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng),永磁直接驅動同步風力發(fā)電機,永磁同步發(fā)電機的功率變換電路,永磁直接驅動同步發(fā)電機系統(tǒng),系統(tǒng)特點： 永磁發(fā)電機具有最高的運行效率； 永磁發(fā)電機的勵磁不可調，導致其感應電動勢隨轉速和負載變化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時可控制發(fā)電機電磁轉矩以調節(jié)風輪轉速； 在電網(wǎng)側采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對電網(wǎng)波動的適應性好； 永磁發(fā)電機和全容量全控變流器成本高； 永磁