交流传动技术在风力发电中的应用--汪栋(共11页)

1、 二一二(y r) 二一三 学年(xunin)第 二 学期 信息科学(xn x k xu)与工程学院 课程报告 课程名称： 交流传动技术在风力发电中的应用 班 级： 自动化1101（卓越） 学 号： 201104134219 姓 名： 汪栋 任课教师： 刘惠康 二一四 年 六 月中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别(fnbi)为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设

2、风电场的重中之重。一、概况(gikung)直驱式风力(fngl)发电机，是一种由风轮直接驱动发电机的风力发电机组，亦称无齿轮风力发电机组，这种风力发电机采用多极发电机与风轮直接连接进行驱动的方式，免去了齿轮箱这一传统部件。由于目前在某些兆瓦级风力发电机组中齿轮箱是容易过载和损坏率较高的部件，而无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱磨损问题而造成的机组故障，可有效提高系统运行的可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场青睐。此外，直驱式风电系统主要采用全功率变流技术，该技术可使风轮和发电机的调速范围扩展到0 %150% 的额定转速，提高了风能利用范围。且全功率变流技术对低电压穿越技术有很好的解

3、决途径，为直驱式风力发电机进一步发展增加了优势。二、直驱式与双馈式发电机原理2.1 直驱式永磁发电机一些企业认为齿轮箱是故障较高的部件，采用无齿轮箱结构能大大提高风电机组可靠性，降低故障率，提高风电机组寿命，因此，这些企业看好直驱机组未来发展潜力和市场需求，使得拥有直驱风电机组生产技术的厂商数量在逐渐增加，包括Enercon、金风科技、西门子、GE、湘电风能、航天万源和东方电机等。直驱式永磁发电机的结构及其原理直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机、变流器、控制系统等组成。为了提高低速发电机效率，直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数（一般极数提高到100左右）来

4、提高风能利用率，采用全功率变流器实现风力发电机的调速。直驱风力(fngl)发电变速恒频机组示意图直驱发电机按照励磁方式可分为电励磁和永磁两种。电励磁直驱风力发电机组采用与水轮发电机相同的工作原理。永磁直驱是近年来研发的风电技术，该技术用永磁材料替代复杂的电励磁系统，发电结构简单，重量相对励磁直驱机组较轻。但永磁部件存在(cnzi)长期强冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳定性问题，永磁材料的抗盐雾腐蚀问题，空气中微小金属颗粒在永磁材料上的吸附从而引起发电机磁隙变化问题，以及在强磁条件下机组维护困难问题等。此外，永磁直驱式风力发电机组在制造过程中，需要稀土这种战略性资源的供应，成本较高。直驱式永

5、磁风力(fngl)发电机的特点永磁同步发电机的定子结构与一般同步发电机相同，转子采用永磁结构，无励磁绕组及滑环碳刷。发电机轴直接连到风力机轴上，转子的转速随风速变化。 由于发电机为直接驱动结构， 省去了齿轮箱，系统运行噪声低、可靠性高。但是直接耦合的永磁发电机转速很低， 发电机极数多、体积大、制造成本高。 直驱式永磁风力发电机具有一下特点：（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率； （2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率； （3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音； （4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本； （5）机械传动部件的

6、减少降低了机械损失，提高了整机效率； （6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿； （7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。在直驱式永磁风力发电机的结构上还有一个重要的特点，那就是绕组的槽数与磁极数不成整数关系，这是因为当所有磁极与槽数整齐对应时，磁力线有最短磁路，转子与定子间的强大吸引力会使发电机起动非常困难。而且叶轮轴直接与发电机轴相连，电力并不稳定，通过整流器，滤波器和逆变器一些列设备将电能(dinnng)输送电网，但是期间为了保证质量较高较稳定的电能输出，逆变器起到了及其关键的作用，同时，逆变器的高昂价格也成为制约直驱式永磁风力发电机在风力发电应用的一个主要因素。2.2双馈异

7、步风力(fngl)发电机双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异， 这种发电机始于上世纪80年代， 日本日立公司、 东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。 目前美国GE能源、EMD；德国VEM Sachsenwerk GmbH， LDW； 瑞士ABB等公司的很多风力发电机产品， 采用变速双馈风力发电的技术方案。 目前， 市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组， 其风轮桨距角可以调节， 同时发电机可以变速， 并输出恒频恒压电能， 效率较高。 在低于额定风速时， 它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下运行， 输出最大的功率， 而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输

8、出稳定在额定功率。 这种形式的性价比和效率均较高， 逆变器功率较小。 调速范围达到30%额定转速， 变流的容量只有系统容量的30%左右， 变速恒频驱动和MPPT控制， 有功、 无功功率可独立进行控制。 双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似， 定子、 转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入， 定子接入电网， 电网通过四象限AC-DC-AC变频器向发电机的转子供电(n din)， 提供交流励磁。 但存在滑环和变速箱的问题， 对电网的冲击较大。双馈异步风力发电机的结构及其原理双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，主要结构包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统、控制系统等。

9、双馈式风力发电机组系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕组直接(zhji)和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器相连(xin lin)。变流器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送(ku sn)能量，这时变流器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变流系统双向馈电，故称双馈技术。双馈风力发电变速恒频机组示意图变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁，使得双馈发电机的定子侧输出电压的

10、幅值、频率和相位与电网相同，并且可根据需要进行有功和无功的独立控制。 变流器控制双馈异步风力发电机实现并网，减小并网冲击电流对电机和电网造成的不利影响。 提供多种通信接口，用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。提供实时监控功能，用户可以实时监控风机变流器运行状态。 变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术。在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略，电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略；系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网和最大功率点跟踪控制功能。功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件，保证良好的输出波形，改善双馈异步发电机的运行状态

11、和输出电能质量。这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统，实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功和无功的解耦控制，是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。 双馈异步发电机的定子结构与异步风力发电机相同，但转子中带有集电环和电刷，转子侧可加入交流励磁，既能输入电能也可输出电能。其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一个频率、相位、幅值可调的 AC-AC 或 AC-DC-AC 变流器提供低频励磁电源， 实现恒频输出。 其风力发电系统工作原理见图2。 当转子绕组通过低频励磁电流时，转子中形成一个低频旋转磁场(cchng)，该磁场的旋转速度 n2 与转子的机械转速 n1 叠加等于定子的同

12、步转速 ne， 即 n1 n2 =ne， 在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速 n1 随之变化，在 n1 变化的同时(tngsh)， 相应改变转子励磁电流的频率和旋转磁场的速度 n2，以补偿转子机械转速 n1 的变化，从而达到变速恒频发电的目的。 双馈异步发电机的运行(ynxng)方式根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈发电机三种运行方式：1）亚同步运行状态：在此种状态下发电机本身旋转速度nn1，改变通入转子绕组的频率为f2 的电流相序，侧其所产生的旋转磁场转速n2的转向与转子的转向相反，因此有n-n2=n1为了实现n2的转向相反，在有亚同步运行转向超同步运行

13、时，转子三相绕组必须能自动改变其相序；反之，也是一样。3）同步运行状态：此种状态下 n=n1，通入交流频率f2=0，这表明通入转子绕组的电流的频率为0，也即是直流电流，此时与普通的发电机一样。三、直驱式与双馈式发电机的区别（一）从实际应用角度，比对两种类型风机的特性可靠性 1）双馈异步风力发电机组采用的双馈异步恒频技术为国际先进成熟的技术，变流器容量小，采用空冷冷却方式；直驱发电机组采用全功率变流器，在低电压穿越等情况下IGBT模块的可靠性较低，同时全功率变流器通常(tngchng)需采用水冷冷却方式，在实际运行中的很多工况下，水冷系统容易出现故障，易导致变流器IGBT模块烧毁。2）联合动力公

14、司风机机型采用准三分之一变频，变流器容量小，成本低，双馈机型发电机可控参数多，能对发电机电压、频率、转速(zhun s)、无功功率和有功功率等参数方便可控，系统的稳定性高。3）中国的风机制造厂商针对直驱机型采用永磁同步发电机，永磁同步发电机存在过退磁现象（大容量的磁铁和铁心粘合的工艺较难实现；永磁材料会有不可逆退磁、高温退磁等现象；永磁的功率因数也不易调节(tioji)），在风机使用寿命期内，存在因退磁影响发电机效率的可能，所以直驱风机尤其不适用于在温度较高的地区。 4）在装配质量层面上，风场现场的作业操作越少越好。直驱机型发电机在户外单独分体吊装，会降低吊装作业速度，在恶劣气候环境下，严重降

15、低装配质量。造价：由于直驱机型采用永磁同步发电机，永磁材料为稀有金属，致使电机成本高；而双馈机型变流器容量小，容量仅为机组总容量的30%左右，使得变流器成本降低。故直驱机型比双馈机型成本高。维护： 直驱机型的发电机尺寸和重量均比双馈机型大，一旦发生故障，发电机维护费用将非常昂贵，但直驱机型没有齿轮箱，所以针对传动链的维护量相对较小；双馈机型存在齿轮箱易坏且维护量大的事实，同时，电机的滑环碳刷等也需要经常维护。 生产运行： 目前国内直驱机型的产业技术成熟度低于双馈机型的产业成熟度。由此导致直驱机型运行稳定性比双馈机型低，例如在承德围场某风场，直驱风机在遇阵风后通常会出现非正常切出现象，严重影响风

16、机发电量。在实际运行中，现场反映机组运行的故障率比相邻风场的双馈机型高。据现场运行人员提供数据，2010年1月中旬到2月中旬，在同为5万容量的相邻两个风场，直驱机型的发电量约为双馈机型的三分之二。（二）从技术细节角度(jiod)，比对两种类型风机的特性明细异步双馈 永磁直驱 驱动链结构有齿轮箱，维护成本高 无齿轮箱或低传动比（半直驱） 电机种类电励磁 永磁（需考虑永磁体退磁问题） 电机尺寸、重量、造价小，轻，低 高，大，重 电机电缆的电磁释放有释放，需要屏蔽线 无释放 电机滑环半年更换碳刷，2年更换滑环 无碳刷，无滑环 变流单元IGBT，单管额定电流小，技术难度大 IGBT，单管额定电流大，技

17、术难度小 变流容量全功率的1/4 全功率逆变 变流系统稳定性中 高 电网电压突降的影响电机端电流、电机转矩急增 电流、转矩稳定 塔内电缆工作电流类型高频非正弦波，谐波分量较大，必须使用屏蔽电缆 正弦波 可承受瞬间电压波动-10%, +10% -85%, +10% 谐波畸变难以控制，因为要随电机转速变化进行变频 易控制，因为谐波频率稳定 50Hz/60Hz之间的配置变化变流滤波参数需调整，齿轮箱需改变 变流滤波参数需调整电控系统体积、价格、维护成本中、中、高 大、高、低 电控系统平均效率中 高 （三）从本质属性角度(jiod)，比对两种类型的优劣直驱型风力(fngl)发电设备直驱型风力(fngl

18、)发电机结构示意图直驱风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的双馈式异步发电机组其优点如下：（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性；（2）发电机与电网之间采用全功率变流器，发电机与电网之间的相互影响减小；（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；（6）可以实现对电网有功、无功功率的灵活控制；（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。虽然直接(zhji)驱动与采用交直交变频器相结合的变速

19、恒频方式有一定(ydng)的优势，但这种结构方式也有其缺点，缺点如下：（1）采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，成本高。由于(yuy)运输问题，电机的直径不能超过4m，随着机组容量的增大，给电机设计、加工制造带来困难。（2）定子绕组绝缘等级要求较高。（3）采用全容量逆变装置，功率变换器设备投资大，增加控制系统成本。（4）由于结构简化，使机舱重心前倾，设计和控制上难度加大。双馈型风力发电设备双馈型风力发电机结构示意图传统的双馈式风力发电机组的组成通常包含三个主要部分：风轮、增速箱和发电机。现代风力发电机组增加了偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。在风力发电系统中，当风力发电机组与电网并网时，要求风力发电机组发电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。双馈式风力发电机组就是采用双馈发电机，转子采用双向四象限运行变流器并网的一种变速恒频机组。交流励磁变速恒频双馈发电系统有如下优点：（1）在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电。双馈感应发电机可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出(fch)恒定频率的电能