风机工作原理ppt课件

风机工作原理 新能源试验研究院鲁志平 案例历史气动性能设计流程风机控制双馈系统提效 发电机编码器松动变流器CT同名端反接风机振动过大 安全链触发 了解风机的基本运行原理 可以指导我们进行故障排查 了解风机的基本运行原理 可以帮助我们更好的进行风机选型 风场产能评估 风机运行维护 风机的历史 阿富汗风机 900AD JacobsTurbine 1920 1960 WinCharger 1930s 40s Smith Putnam风机1940 s 现代风机 海上风场 风机分类 叶片数量 1 叶片安装容易比2叶片风机风能吸收效率低10 叶片数量 2 叶片容易安装轮毂需要跷跷板式结构比3叶片风机风能吸收效率低5 叶片数量 3 现代商业运行风机的选择 有齿轮箱风机 无齿轮箱风机 总揽 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 风电机组2 垂直轴3 水平轴4 定桨定速风机5 定速主动失速风机6 变桨变速型风机7 直驱型风机8 有齿轮箱固定转速比风机9 有齿轮箱变速比风机10 中速发电机11 高速发电机12 双馈型13 全功率型 其他标准 耐受风等级和湍流强度 IECIA IIA IIB 气候条件 常温型 低温型安装位置 海上 陆上轴承概念 单轴承 双轴承变桨驱动类型分类 电驱 液压 现阶段主流风机设计类型 双馈系统有齿轮箱和高速发电机低功率变频转换直驱系统全功率变频转换半直驱系统有齿轮箱和中速发电机全功率变频转换 风机的并网方式 双馈式风机设计 优点 技术成熟性最高成本低组件供应链完善缺点 齿轮箱可靠性差齿轮箱和发电机不能同时适用于50 60Hz的频率 例1 华锐风电1 5MW 陆上风机设计高速双馈发电机 低电压变频转换电动变桨系统常规 高温 低温气候设计 例2 S88 2 1MWSuzlon 陆上风机设计高速 低压发电机电动变桨系统在产能质量和电网支持上有局限性 转子电阻控制 直驱式风机设计 优点 无齿轮箱 增大整机寿命电能能质量好缺点 造价昂贵 结构复杂 发电机重量大巨大的直驱发电机是可靠性的唯一保障巨大的直驱发电机运输问题 例1 金风科技1 5MW 陆上风机设计低速 低电压永磁直驱发电机电动变桨系统全功率变频转换 例2 E 126 6MWEnercon 陆上风机设计低速 低电压永磁直驱发电机电动变桨系统 全功率变换风机设计 优点 非常好的电能质量齿轮箱和发电机同适于50 60Hz的频率缺点 比双馈产品要上更大的变频系统 例1 5MWMultibrid 海上风机设计中速 中压发电机电动变桨系统 例2 V90 V112 3MWVestas 陆上风机设计高速 低电压永磁同步发电机传统的长轴驱动链液压变桨系统 例3 GE2 5XL 陆上风机设计高速 低电压永磁同步发电机传统的长轴驱动链 风机载荷 叶片结构分析 升力 阻力 升力垂直于来流方向 我们希望升力更大 阻力平行于来流方向 我们希望阻力更小 low medium 10degrees HighStall 翼型 想飞机的机翼 风机叶片利用翼型产生升力并争取效率最大化 TheBernoulliEffect 1 2升力系数与阻力系数 升力系数与阻力系数随攻角变化示意 风机叶片承受的升力和阻力 升力沿着旋转方向分量 阻力沿着水平方向的分量 驱动力 r 气动扭矩 风含功率 Powerinthewind扫掠面积 A风俗 V空气密度 R 风含功率 AV3 3 3 1最优叶尖速比控制 1 如何使风电机组在额定风速以下出力最大 风电机组输出功率 风电机组最优输出功率 45 风能的特性 风速风能按风速的三次方增加风速增加10 会增加30 的电功率2倍风速 8倍电功率 46 风能的特性 空气密度风功率与空气密度成正比潮湿环境比干燥环境空气密度大低海拔比高海拔空气密度大扫掠面积风能与扫掠面积成正比直径增加10 扫掠面积增加21 BetzLimit 风能不能被风轮全部吸收 风在叶轮后不能变得静止不动 理论上最大的风能利用效率是59 现代风机风能利用效率大约在35 45 范围内 叶尖速比 某一最佳攻角产生最大升阻比攻角依赖于风速和转子转速 定义叶尖速比 角速度R 半径V 来流速度 R R 升力沿着旋转方向分量 阻力沿着水平方向的分量 驱动力 r 气动扭矩 功率系数随叶尖速比改变 叶片实度 实度是叶片面积和扫掠面积的比值低实度 0 10 高转速 低扭矩高实度 0 80 低转速 高扭矩 A R a Solidity 3a A 1 5为什么采用三叶片 桨叶实度对CP影响 变桨控制 Sincemostdesignsusetwistedblades powerqualityisneveridealacrosstheentirerotorblade Twist Taper 叶片从根部到叶尖旋转速度不同 因而合成风速不同所以攻角是变化的为维持最佳攻角 叶片需要扭转 1 1风力机叶片翼型理论 叶片弦长 扭角示意 1 1风力机叶片翼型理论 叶片和塔架的基本形状 风轮的锥角与仰角 轮毂高度 1 2升力系数与阻力系数 变桨距调节 1 5最优叶尖速比 4 1变速变桨机型与定速定桨功率曲线 功率曲线和Cp曲线 风机控制 3 3 1最优叶尖速比控制 双馈风电机组转速与输出功率关系曲线 3 3 2最大风能追踪过程 通过控制发电机的电磁转矩 实现对风力机的转速控制 使风力发电机组获得最大的风能利用系数 3 3 3查表法 转速转矩表 3 4爬坡算法 1 2升力系数与阻力系数 升力系数与阻力系数随攻角变化示意 变桨控制 Sincemostdesignsusetwistedblades powerqualityisneveridealacrosstheentirerotorblade 偏航 保持正对风 主动偏航 LargeTurbines 自动控制 控制系统控制电机对风被动偏航 SmallWind 风力自动对风r尾翼下风向风机 Source GLGHReviewReport 平均风机偏航误差 度 50 以上的风机 偏航误差大于6度 有些可以大至30度 这些可以导致很大的年发电量损失和风机的额外载荷 每种机型 每台风机的偏航误差都不一样 典型的风机偏航误差在7 10度 相当于2 3 的发电量损失 2 5 7 2 0 2 在欧洲 在随机抽取的检测风机中 80 以上的风机有2度以上的平均偏航误差 偏航误差引起的年度发电量损失 PitchControlMechanisms 2 7 1低电压穿越的概念 2 7 2低电压穿越的概念 在发电机转子侧装上撬棒电路 检测到电网系统出现电压跌落时 闭锁机侧变流器 同时投入转子回路的旁路保护装置 达到限制通过变流器的电流和转子绕组过电压的作用 一次来维持发电机不脱网运行 未来的趋势 2005 2010年装机平均功率 kW 2005 2010年装机平均功率逐年增加 德国丹麦等国家平均功率达到2 5MW 产品功率等级所占市场份额2008 2010 商用兆瓦级风机 1of3 商用兆瓦级风机 2of3 商用兆瓦级风机 3of3 DD 直驱 DFIG 双馈 FSG 高速齿轮驱动 MSG 中速齿轮驱动 PMG 永磁发电机DD 8FSG 10MSG 1 DFIG 2 1双馈异步电机的概念 双馈感应发电机 Doubly FedInductionGenerator 简称DFIG 是一种绕线式转子电机 由于其定 转子都能向电网馈电 故简称双馈电机 双馈电机的转差率 则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应 2 2变速恒频的工作原理 在异步电机转子以变化的转速转动时 只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率 即f1S 的电流 则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势 所以根据上述原理 只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电 2 3双馈电机等效电路 发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例 转子侧电压电流的正方向按电动机惯例 电磁转矩与转向相反为正 转差率s按转子转速小于同步转速为正 参照异步电机的分析方法 在一系列理想条件下 可得双馈发电机的等效电路 双馈电机等效电路 普通绕线式转子电机等效电路 亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图 超同步运行时双馈电机的功率流向示意图 2 6 1变频器交流励磁控制 采用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 2 6 1变频器交流励磁控制 ua ub uc PW