专题4 风力发电.doc

专题4 风力发电4.1 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。图4.1为水平轴式风力发电装置结构图：图4.1水平轴式风力发电装置结构图4.2 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。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、无齿轮箱型水平轴式：图4.2 水平轴式桨叶与桨叶方案 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 4.3 水平轴式风力机垂直轴式：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4.4 垂直式桨叶 4.5 简单风力发电系统原理图4.3 风力发电机4.31 恒速恒频风力发电机系统:1. 分类（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2. 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3. 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。 因此恒速恒频同步风力发电机系统极少被采用！4. 笼型异步风力发电机的工作原理旋转磁场（1）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2p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。5. 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n1 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nn1, 向n1的方向旋转， T 为制动转矩转差率: 同步转速n1与转子转速 n 的差与同步转速n1的比值，称为转差率，用s表示。6. 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；（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。7. 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。4.32 变速恒频风力发电机系统:1. 变速恒频笼型异步风力发电机系统分类：（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）2. 变速恒频双馈异步风力发电机系统特点：（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。3. 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）4. 双馈异步发电机系统特点：（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。5. 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。6. 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