專題4 風(fēng)力發(fā)電

1、專題4 風(fēng)力發(fā)電4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大核心系統(tǒng)：風(fēng)力機(jī)系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一個(gè)靈魂： 系統(tǒng)控制器風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)：槳葉，輪轂，主軸，調(diào)槳機(jī)構(gòu)（液壓或電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)）、偏航機(jī)構(gòu)（電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)）、剎車、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、風(fēng)速傳感器。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（電力電子變換器），并網(wǎng)開關(guān)，軟并網(wǎng)裝置，無(wú)功補(bǔ)償器，主變壓器，轉(zhuǎn)速傳感器。圖4.1為水平軸式風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖：圖4.1水平軸式風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類 1. 按風(fēng)輪槳葉分類失速型：高風(fēng)速時(shí)，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動(dòng)作，限制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與功率；變槳型：高風(fēng)速時(shí)，調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。2. 按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類定速型：風(fēng)輪保

2、持一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低；變速型：包括以下兩種方式雙速：可在兩個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率；連續(xù)變速：連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風(fēng)能功率。3. 按傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類升速型：用齒輪箱連接低速風(fēng)力機(jī)和高速發(fā)電機(jī)。直驅(qū)型：將低速風(fēng)力機(jī)和低速發(fā)電機(jī)直接連接。4. 按發(fā)電機(jī)分類異步型：籠型單速異步發(fā)電機(jī)、籠型雙速變極異步發(fā)電機(jī)；繞線式異步發(fā)電機(jī)。同步型：電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；永磁同步發(fā)電機(jī)。5. 按并網(wǎng)方式分類并網(wǎng)型：直接或間接并入電網(wǎng)，可省卻儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。離網(wǎng)型：需配儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，也可與柴發(fā)、光伏并聯(lián)運(yùn)行。按功率調(diào)節(jié)方式分：定槳距（失速型)、變槳距按葉輪轉(zhuǎn)速是否恒定分： 恒速發(fā)電機(jī)、變速發(fā)電機(jī) 其它機(jī)型：主動(dòng)失速型

3、、無(wú)齒輪箱型水平軸式：圖4.2 水平軸式槳葉與槳葉方案 風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直 葉片徑向安裝，與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度 大型風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)少，轉(zhuǎn)速高，用于發(fā)電 小型風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)多，轉(zhuǎn)速低，用于提水 4.3 水平軸式風(fēng)力機(jī)垂直軸式：利用空氣動(dòng)力的阻力做功啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大風(fēng)輪產(chǎn)生不對(duì)稱氣流，受側(cè)向推力風(fēng)能利用系數(shù)低，提供的功率較低， 不宜用作發(fā)電4.4 垂直式槳葉 4.5 簡(jiǎn)單風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)4.31 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng):1. 分類（1）同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（2）籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（3）繞線轉(zhuǎn)子RCC異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)2. 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)條件: 發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電壓與電網(wǎng)電壓應(yīng)滿足

4、四同條件，即：“同相序、同幅值、同頻率、同相位”。同相序：由正確的旋轉(zhuǎn)方向保證同幅值：由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)保證同頻率：由調(diào)速器保證，槳距調(diào)節(jié)可用作并網(wǎng)調(diào)速器同相位：由調(diào)速器微調(diào)實(shí)現(xiàn)3. 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要問(wèn)題:（1）并網(wǎng)問(wèn)題：并網(wǎng)控制復(fù)雜，對(duì)調(diào)速器要求過(guò)高，并網(wǎng)過(guò)程長(zhǎng)，成功率較低，沖擊電流不易控制，不適合于頻繁脫、并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。（2）運(yùn)行問(wèn)題：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的鉗制，發(fā)電機(jī)呈現(xiàn)剛性機(jī)械特性。轉(zhuǎn)子受到的沖擊應(yīng)力大，電磁功率波動(dòng)快，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低。（3）過(guò)載問(wèn)題：高風(fēng)速時(shí)，對(duì)變槳調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高，無(wú)法利用轉(zhuǎn)子慣量緩沖。留給過(guò)速保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間太短。 因此恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

5、極少被采用！4. 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（1）向?qū)ΨQ三相繞組中通入對(duì)稱三相交流電流，可形成行波磁場(chǎng)；（2）如果繞組分布在圓周上，則行波磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；（3）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在一個(gè)圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（N、S極）數(shù)目稱為極數(shù)，用2p表示。（4）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序，轉(zhuǎn)速n1取決于電流的頻率f 和極對(duì)數(shù)p。5. 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理電磁感應(yīng)（1）定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步轉(zhuǎn)速n1 旋轉(zhuǎn)（2）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e 和電流i （3）i 在磁場(chǎng)中受力f，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T（4）若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n>n1, 向n1的方向旋轉(zhuǎn)， T 為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率: 同步轉(zhuǎn)速

6、n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 的差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示。6. 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn):（1）無(wú)功補(bǔ)償：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無(wú)功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機(jī)，并在機(jī)端并聯(lián)電容；（由于負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)，固定電容難以做到完全補(bǔ)償?？赡艹霈F(xiàn)過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象，造成電網(wǎng)電壓浮動(dòng)。可考慮在變電站加裝可控?zé)o功補(bǔ)償裝置SVC）。（2）軟并網(wǎng)： 并網(wǎng)瞬間與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)并網(wǎng)，并加裝可控硅軟起動(dòng)限流裝置；（3）過(guò)載能力：發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線較硬，允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍小，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低。風(fēng)速不穩(wěn)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組容易受到?jīng)_擊機(jī)械應(yīng)力；（軟特性發(fā)電機(jī)

7、的轉(zhuǎn)子損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重）（4）高效輕載：絕大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，要求發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦，在中低負(fù)載區(qū)效率較高?？煽紤]在輕載區(qū)，將定子繞組由角接改為星接，降低鐵耗。7. 籠型雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）變極雙速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案在同一臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子鐵心中，埋設(shè)兩套不同極對(duì)數(shù)的電樞繞組（通常為4/6極）。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換，以獲得合適的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。高速繞組角接，低速繞組星接，以降低輕載運(yùn)行時(shí)的鐵心磁密和損耗。（2）大、小電機(jī)方案： 采用兩臺(tái)不同容量、不同極對(duì)數(shù)的單速籠型異步發(fā)電機(jī)同軸串聯(lián)。高速發(fā)電機(jī)角接，低速發(fā)電機(jī)繞組星接。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換。與變極雙速方案相比，小電

8、機(jī)的負(fù)荷率較高，發(fā)電效率更高。4.32 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng):1. 變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分類：（1）變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（高速）（2）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（高速）（3）變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（4）變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（5）變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）2. 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）交直交變頻器使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的關(guān)聯(lián)解耦；籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；可利用發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，跟蹤其最大功率點(diǎn)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率小，發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬，運(yùn)行效率高；（2）發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器運(yùn)行于升

9、壓整流狀態(tài)，機(jī)端電壓可調(diào)，輕載運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的鐵耗小、效率高；（3）電網(wǎng)側(cè)變頻器運(yùn)行于逆變狀態(tài)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功傳送至電網(wǎng)，并可作為無(wú)功發(fā)生器參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功；對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好，可以將電網(wǎng)的波動(dòng)屏蔽于發(fā)電機(jī)之外；（4）變頻器與發(fā)電機(jī)功率容量相等，系統(tǒng)成本高。3. 雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁（1）轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化；（2）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場(chǎng)，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)都能保持發(fā)電狀態(tài)；（3）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，可控制發(fā)電機(jī)定子輸出的無(wú)功功率；（4）轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無(wú)功功率變換，為轉(zhuǎn)差功率，容量與轉(zhuǎn)差

10、率有關(guān)（約為電磁功率的0.3倍，|s|<0.3）4. 雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）部分功率變換，變頻器成本相對(duì)較低；（3）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；（4）并網(wǎng)簡(jiǎn)單，無(wú)沖擊電流；（5）降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求；（6）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（7）雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜；（8）電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。5. 變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，可保持發(fā)電機(jī)的端電壓恒定；（3）可采用不控整流和PWM逆變，成本低于全功率變換；（4）電能質(zhì)量好，并網(wǎng)簡(jiǎn)單，無(wú)沖擊電流；

11、（5）降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（6）轉(zhuǎn)子可采用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁；（7）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勵(lì)磁消耗電功率；（8）體積大、重量重，效率稍低。6. 變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高，可降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（2）具有最高的運(yùn)行效率；（3）勵(lì)磁不可調(diào)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控PWM整流或不控整流后DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時(shí)還可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；（4）在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好；（5）永磁發(fā)電機(jī)體積大、重量重，成本高；全容量全控變流器控制復(fù)雜，成本高；（6）永磁發(fā)電機(jī)存在定位