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我所知道的风机系统 技术科普,周岩峰 2006-11-03,目录,风力发电基础知识 风力发电发展历程和各种技术发展路线 为什么说这是一个高科技的产品 主要功能、需求说明 电机保护： Du/dt 及共模电压 开口电压和转子电压的关系 低压穿越 LVRT 系统功率控制：最大功率点跟踪 Cp和桨矩控制 有功无功控制，Crowbar 系统谐振点问题 无功补偿器 风冷、水冷问题,陆地和海上风力发电机,海上和陆地风机安装方式,Vestas V90-3MW: 叶片扇面直径 : 90 (m) 顶端重量: 111(T),Boeing 747 65m Wingspan,Yaw Mechanism,Rotor,Nacelle,Generator,Cooling,Brake Motor,High Speed Shaft,Low Speed Shaft,Pitch Mechanism,Controls,Gearbox,风力发电机内部结构,Tower,风机最基本公式,风力发电能量,风速和能量是3次方关系 从发电机安装高度：越高越好,世界风区 (January & July),Source: /Newsroom/NewImages/images.php3?img_id=5181,Wind Speed (meters/ sec),(Measurement Height not documented),Many rich countries suit for wind power: USA JAPAN England Germany lead wind power market but its wind resource is not abundance. India is developing country. So, suitable policy is the major drive for this market.,我国风区和平均风速（10m高度）,China,一般风电厂的生命周期,周期 3+ yrs,风机系统初始投资价值构成（陆地安装）,Source: Riso: morthorst_2004_1 P28 Source:,目录,风力发电基础知识 风力发电发展历程和各种技术发展路线 为什么说这是一个高科技的产品 主要功能、需求说明 电机保护： Du/dt 及共模电压 开口电压和转子电压的关系 低压穿越 LVRT 系统功率控制：最大功率点跟踪 Cp和桨矩控制 有功无功控制，Crowbar 系统谐振点问题 无功补偿器 风冷、水冷问题,风力发电机分类,中小风机市场较小，门槛低，不适合我司。,风机发展历程,风机发展趋势:从陆地到大海,在海上安装型风机里面，直驱方式为主流 而且该方式将向高压直流输电演进 海上安装主要是安装费用、基础设施费用、电力接入费用会大很多 我们在双馈做到一定程度后，会开始直驱的开发,可以留给儿女们干的事业：潮汐发电,传统异步机并网 Traditional Induction Generator,Direct Grid Connection Minimal Power Electronics,Fixed Speed,双馈方案 Doubly Fed Induction Generator,Variable Slip Allows for 30% Variation in Wind Speed,Cheaper Power Electronics Only Have to Handle Rotor Current. Require 1/3 Rating Power Electronics,Variable Speed,直驱方案 Direct Drive Generator,Require Full Rating Power Electronics,No Gearbox,Variable Speed,Permanent Magnet Generators.,混合直驱方案 Hybrid Direct Drive Generator,这是2005年推出的产品 并网性能和直驱相同，依然属于直驱大类 最早由Multibrid公司发明，技术转让给WinwinD,Variable Speed,Require Full Rating Power Electronics,Source Up Table : Windworld2005workshopsession P23 Source Down Table : Danish wind turbine technical regulations P2,为什么直驱和双馈必将取代传统异步机方案,高的空气动力学效率 (年平均发电量提高10),具体有功无功调节能力，满足电力系统调度要求,机械应力降低，降低了对机械系统强度的要求。在MW级场合，定速风机因机械强度问题很难设计，成本大幅度增加。,COE: Cost of Energy 风机不是越大越好,Source: NERL: WindPACT Turbine Study NREL_SZ P38 Source: EWEA 2005-P49,最优功率点的提升主要限制因素 运输、安装 维护 生产能力 主要由于成本问题，双馈暂时更适合我国现状,目录,风力发电基础知识 风力发电发展历程和各种技术发展路线 为什么说这是一个高科技的产品 主要功能、需求说明 电机保护： Du/dt 及共模电压 开口电压和转子电压的关系 低压穿越 LVRT 系统功率控制：最大功率点跟踪 Cp和桨矩控制 有功无功控制，Crowbar 系统谐振点问题 无功补偿器 风冷、水冷问题,从技术类型上，这是我们的领域,MDI+UPS Wind Power Converter,Grid connection technology were mature in UPS product line from our NX-A product.,Generator rotor side control technology were mature in our MDI product line.,Wind power converter topology is the same as our iTrust-UL33 UPS.,最关键的技术指标：可靠性是风机系统的生命,可靠性 如果维护一个比波音飞机还大的东西？ Vestas V90-3MW, 转子直径 : 90 (m) 塔顶重量: 111(T) 停一小时，损失电费1500元 包括环境适应性 成本 维护、安装、运输 并网能力和电网适应性 高效率 重量轻.,Boeing 747 65m Wingspan,功率设计: Topology,我司最大功率自行设计产品 第一个690V产品 第一个功率完全四象限流动产品,控制单板 （含子系统）-约14种,单板软件: 系统控制,电机电网电力电子的混合学科 电机、电网、电力电子装置循环耦合,Combined Technologies,单板软件: 矢量控制,结构、工艺、测试,我们的核心技术包括：结构、工艺、测试 结构、工艺IP54 可维护性，模块化设计 沿海应用: 饱和水蒸气、盐雾 沙漠应用: 沙尘暴 寒冬应用: 东北的冬天 测试 IEC61400 系列标准及其引用的高压变频器等标准 电机类标准 并网类标准 认证体系：CE 、LIyod 等,目录,风力发电最基本原理 风力发电发展历程和各种技术发展路线 为什么说这是一个高科技的产品 主要功能、需求说明 电机保护： du/dt 及共模电压 开口电压和转子电压的关系 低压穿越 LVRT和Crowbar 系统功率控制：最大功率点跟踪 Cp和桨矩控制 系统谐振点问题 风电场技术要求 无功补偿器（SVC,STATCOM） 风冷、水冷问题,电机保护： du/dt 及共模电压,NEMA MGI-1993 对电机谐波发热、du/dt和共模电压等方面做了规定 要求各次谐波小于1%，否则要专门的电机 共模电压 我们是无零线系统（并网变压器侧应该是带零线的），也可以称为零序电压。可能会影响电机绝缘 du/dt 影响电机的绝缘，尤其是我们PWM整流器 拓扑和母线电压 开关速度越高，du/dt越大 长电缆行波反射，导致更大的电压，和电压击穿风险 双馈风机如果安装在机座而不是塔袈里面，因每线缆长度都有50m，将可能面临严重的行波反射问题。,开口电压和转子电压的关系,开口电压 是将电机想成变压器，电机静止，定子加额定电压情况下的转子电压 测试的时候一般是在定子加个很小的电压，转子测量电压后，推算出开口电压 V rotor= K*S* V stator S 是转差率, K是类似变压器的变比 风机中调速范围是30%，目前MW级双馈风机开口电压约2000V，所以开口电压一般约690V,低压穿越 LVRT,低压穿越模式一般的工作区间是额定电压的80%15% LVRT 起因一般是电网远端短路。一般风机系统在输出电压降低到额定的80%的时候会脱离电网。低压穿越的目的就是风机尽量不脱网。 目前只有德国将LVRT写进了标准要求 因涉及电压源、电流源快速、平滑切换，电机耦合等因素，这是一个世界性难题，世界上没有一个公司能够在双馈方案下很好的解决这个问题。能将这个问题解决的好的人，当一个IEEE的Senior 委员毫无问题。,Alstom 双馈变换器低压穿越仿真,Crowbar LVRT,Crowbar 来源是电网突变（如突降），类似电网短路，会引起转子侧过电流 即将双馈电机暂时当普通异步电机用,系统功率控制：最大功率点跟踪 Cp和桨矩控制,风能利用系数Cp0.593，也叫Betz系数 右图是各种工况，下图是实际风机主控制器实用的控制曲线 在低于额定功率情况下，桨矩不调节；达到额定功率后，用桨矩调节降低系统Cp，控制风机系统功率,系统功率控制：最大功率点跟踪 Cp和桨矩控制,这是概念性的风机功率调节框图 Pe是有功给定 是桨矩角度 从保护角度，系统中有UPS给桨矩控制系统供电。,陷波滤波,最大功率跟踪曲线,系统谐振点问题,这个机械系统是有固有谐振点的，主谐振点之外还有很多次谐振点。 避免谐振的方法之一是 控制系统转速，控制加陷波滤波器 一个典型的MW级风机系统主谐振点是1.67Hz 另外，风机系统中有振动保护器,风电场技术要求（1）,风电场的接入位置 电力系统中: 低压(LV)电网: 1kV以下. 中压(MV)电网: 1kV35kV 高压(HV)电网: 35kV以上.,风电场技术要求（2）,有关功率控制 输出有功功率根据电力系统调度而动 最大功率变化率（Maximum power ramp rate）受控 无功功率控制 功率因数的调节（lead or lag 0.95） 电容投切装置 无功补偿器 电压控制 频率控制 电能质量 闪变Flicker: 满足 GB 12326的要求 谐波Harmonics: 满足 GB/T 14549的要求,无功补偿器（SVC,STATCOM）,电压型PWM变换器（电流源模式） 在风机停机时，电力系统调度希望我们能成为其无功补偿器,右边就是 电压型无功补偿器,风冷、水冷问题,下图是Alstom的水冷系统和风冷系统 在大功率领域水冷系统具备： 更大的功率密度，小的体积及小的单位功率成本 环境适应性会更强 系统成本及工艺方面需评估,2006年，我们共同站在历史的起点上,Just Start,风电产业在 2020 将达到800亿欧元 在我们的有生之年，风电将继续蓬勃发展,Source: GWEC (Global Wind Energy Council): WF2005-12 P3,The Power is On! The Power is changing!,Thanks!,直流电机,Ea=Ce*n T=Cm* *Ia Cm/Ce=9.55