專題4 風力發(fā)電

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1、專題4 風力發(fā)電 4.1 風力發(fā)電機系統(tǒng) 兩大核心系統(tǒng)：風力機系統(tǒng)＋ 發(fā)電機系統(tǒng) 一個靈魂： 系統(tǒng)控制器 風力機系統(tǒng)：槳葉，輪轂，主軸，調槳機構（液壓或電動伺服機構）、偏航機構（電動伺服機構）、剎車、制動機構、風速傳感器。 發(fā)電機系統(tǒng)：發(fā)電機，勵磁調節(jié)器（電力電子變換器），并網開關，軟并網裝置，無功補償器，主變壓器，轉速傳感器。圖4.1為水平軸式風力發(fā)電裝置結構圖： 圖4.1水平軸式風力發(fā)電裝置結構圖 4.2 風力發(fā)電機組分類 1. 按風輪槳葉分類 失速型：高風速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作，限制風力機

2、的輸出轉矩與功率； 變槳型：高風速時，調整槳距角，限制輸出轉矩與功率。 2. 按風輪轉速分類 定速型：風輪保持一定轉速運行，風能轉換率較低； 變速型：包括以下兩種方式 雙速：可在兩個設定轉速下運行，改善風能轉換率； 連續(xù)變速：連續(xù)可調，可捕捉最大風能功率。 3. 按傳動機構分類 升速型：用齒輪箱連接低速風力機和高速發(fā)電機。 直驅型：將低速風力機和低速發(fā)電機直接連接。 4. 按發(fā)電機分類 異步型：籠型單速異步發(fā)電機、籠型雙速變極異步 發(fā)電機；繞線式異步發(fā)電機。 同步型：電勵磁同步發(fā)電機；永磁同步發(fā)電機。 5. 按并網方式分類 并網型：直接或間接并入電網，可省卻儲能環(huán)

3、節(jié)。 離網型：需配儲能環(huán)節(jié)，也可與柴發(fā)、光伏并聯(lián)運行。 按功率調節(jié)方式分：定槳距（失速型)、變槳距 按葉輪轉速是否恒定分： 恒速發(fā)電機、變速發(fā)電機 其它機型：主動失速型、無齒輪箱型 水平軸式： 圖4.2 水平軸式槳葉與槳葉方案 ◇風輪旋轉平面與風向垂直 ◇葉片徑向安裝，與風輪旋轉平面成一角度 ◇大型風力機葉片數(shù)少，轉速高，用于發(fā)電 ◇小型風力機葉片數(shù)多，轉速低，用于提水 4.3 水平軸式風力機 垂直軸

4、式： ◇利用空氣動力的阻力做功 ◇啟動轉矩較大 ◇風輪產生不對稱氣流，受側向推力 ◇風能利用系數(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 簡單風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖 4.3 風力發(fā)電機 4.31 恒速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng): 1. 分類 （1）同步發(fā)電機系統(tǒng) （2）籠型異步發(fā)電機系統(tǒng) （3）繞線轉子RCC異步發(fā)電機系統(tǒng) 2. 同步風力發(fā)電機的并網條件: 發(fā)電機輸出的三相交流電壓與電網電壓應滿足四同條件，即：“同相序、同幅值、同頻率、同相位”

5、。 同相序：由正確的旋轉方向保證 同幅值：由勵磁調節(jié)器自動保證 同頻率：由調速器保證，槳距調節(jié)可用作并網調速器 同相位：由調速器微調實現(xiàn) 3. 同步風力發(fā)電機系統(tǒng)的主要問題: （1）并網問題：并網控制復雜，對調速器要求過高，并網過程長，成功率較低，沖擊電流不易控制，不適合于頻繁脫、并網的風力發(fā)電機。 （2）運行問題：轉子轉速受電網頻率的鉗制，發(fā)電機呈現(xiàn)剛性機械特性。轉子受到的沖擊應力大，電磁功率波動快，風力機的風能轉換率偏低。 （3）過載問題：高風速時，對變槳調節(jié)的動態(tài)響應要求高，無法利用轉子慣量緩沖。留給過速保護的響應時間太短。 因此恒速恒頻同步風力發(fā)電機系統(tǒng)極少被

6、采用！ 4. 籠型異步風力發(fā)電機的工作原理—旋轉磁場 （1）向對稱三相繞組中通入對稱三相交流電流，可形成行波磁場； （2）如果繞組分布在圓周上，則行波磁場為旋轉磁場； （3）旋轉磁場在一個圓周內，呈現(xiàn)出的磁極（N、S極）數(shù)目稱為極數(shù)，用2p表示。 （4）旋轉磁場的轉向取決于三相電流的相序，轉速n1取決于電流的頻率f 和極對數(shù)p。 5. 籠型異步風力發(fā)電機的工作原理—電磁感應 （1）定子三相電流產生旋轉磁場，以同步轉速n1 旋轉 （2）旋轉磁場在轉子導條中產生感應電動勢e 和電流i （3）i 在磁場中受力f，產生電磁轉矩T （4）若轉子以轉速n>n1, 向n1的方向旋轉，

7、T 為制動轉矩轉差率: 同步轉速n1與轉子轉速 n 的差與同步轉速n1的比值，稱為轉差率，用s表示。 6. 籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的特點: （1）無功補償：發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網。應選用較高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容；（由于負荷經常變動，固定電容難以做到完全補償?？赡艹霈F(xiàn)過補或欠補現(xiàn)象，造成電網電壓浮動?？煽紤]在變電站加裝可控無功補償裝置SVC）。 （2）軟并網： 并網瞬間與異步電動機起動相似，存在很大的沖擊電流，應在接近同步轉速時并網，并加裝可控硅軟起動限流裝置； （3）過載能力：發(fā)電機的機械特性曲線較硬，允許轉子轉速變動范圍小，導致風力機的風能轉換率偏低。風速不穩(wěn)

8、時，風電機組容易受到沖擊機械應力；（軟特性發(fā)電機的轉子損耗較大，發(fā)熱嚴重） （4）高效輕載：絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求發(fā)電機的效率曲線平坦，在中低負載區(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. 籠型雙速異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的特點 （1）變極雙速籠型異步風力發(fā)電機方案在同一臺發(fā)電機的定子鐵心中，埋設兩套不同極對數(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，以獲得合適的運行轉速。高速繞組角接，低速繞組星接，以降低輕載運行時的鐵心磁密和損耗。 （2）大、小電機方案： 采用兩臺不同容量、不同極對數(shù)的單速籠型異步發(fā)電機同軸串聯(lián)。高速發(fā)電機

9、角接，低速發(fā)電機繞組星接。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換。與變極雙速方案相比，小電機的負荷率較高，發(fā)電效率更高。 4.32 變速恒頻風力發(fā)電機系統(tǒng): 1. 變速恒頻籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng)分類： （1）變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機系統(tǒng)（高速） （2）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)（高速） （3）變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） （4）變速恒頻永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） （5）變速恒頻橫向磁通發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） 2. 變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)特點： （1）交直交變頻器使發(fā)電機轉速與電網頻率間的關聯(lián)解耦；籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；可利用發(fā)電機的電磁轉矩控制風

10、力機轉子的轉速，跟蹤其最大功率點。發(fā)電機的運行轉差率小，發(fā)電機機械特性硬，運行效率高； （2）發(fā)電機側變頻器運行于升壓整流狀態(tài)，機端電壓可調，輕載運行時發(fā)電機的鐵耗小、效率高； （3）電網側變頻器運行于逆變狀態(tài)，將發(fā)電機發(fā)出的有功傳送至電網，并可作為無功發(fā)生器參與調節(jié)電網無功；對電網波動的適應性好，可以將電網的波動屏蔽于發(fā)電機之外； （4）變頻器與發(fā)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。 3. 雙饋異步發(fā)電機的運行原理— 轉子交流勵磁 （1）轉子電流的頻率為轉差頻率，跟隨轉子轉速變化； （2）通過調節(jié)轉子電流的相位，控制轉子磁場領先于由電網電壓決定的定子磁場，從而在轉速高于和低于同步轉速時

11、都能保持發(fā)電狀態(tài)； （3）通過調節(jié)轉子電流的幅值，可控制發(fā)電機定子輸出的無 功功率； （4）轉子繞組參與有功和無功功率變換，為轉差功率，容量 與轉差率有關（約為電磁功率的0.3倍，|s|<0.3） 4. 雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)特點： （1）連續(xù)變速運行，風能轉換率高； （2）部分功率變換，變頻器成本相對較低； （3）電能質量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）； （4）并網簡單，無沖擊電流； （5）降低槳距控制的動態(tài)響應要求； （6）改善作用于風輪槳葉上機械應力狀況； （7）雙向變頻器結構和控制較復雜； （8）電刷與滑環(huán)間存在機械磨損。 5. 變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中

12、、低速） （1）連續(xù)變速運行，風能轉換率高； （2）通過調節(jié)轉子勵磁電流，可保持發(fā)電機的端電壓恒定； （3）可采用不控整流和PWM逆變，成本低于全功率變換； （4）電能質量好，并網簡單，無沖擊電流； （5）降低槳距控制的動態(tài)響應要求，改善槳葉上機械應力狀況； （6）轉子可采用無刷旋轉勵磁； （7）轉子結構復雜，勵磁消耗電功率； （8）體積大、重量重，效率稍低。 6. 變速恒頻永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） 系統(tǒng)特點： （1）連續(xù)變速運行，風能轉換率高，可降低槳距控制的動態(tài)響應要求，改善槳葉上機械應力狀況； （2）具有最高的運行效率； （3）勵磁不可調，感應電動勢隨轉速

13、和負載變化。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，同時還可控制發(fā)電機電磁轉矩以調節(jié)風輪轉速； （4）在電網側采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對電網波動的適應性好； （5）永磁發(fā)電機體積大、重量重，成本高；全容量全控變流器控制復雜，成本高； （6）永磁發(fā)電機存在定位轉矩，給機組起動造成困難。 4.4 小結 1. 籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng)成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要角色； 2. 雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)具有最高的性價比，特別適合于變速恒頻風力發(fā)電。將在未來十年內繼續(xù)成為風電市場上的主流產品； 3. 直驅型同步風力發(fā)電機及其變流技術發(fā)展迅速，利用新技術有望大幅度減小低速發(fā)電機的體積和重量。