風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng) 2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng) 目的介紹現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 運(yùn)行原理和控制方法 說明發(fā)電機(jī)對風(fēng)力機(jī)和電力系統(tǒng)的影響 1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 內(nèi)容 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu) 4 風(fēng)力機(jī) 輪轂 槳葉 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 齒輪箱 發(fā)電機(jī) 控制器 調(diào)槳 偏航 啟停 并網(wǎng) 結(jié)構(gòu)件 機(jī)艙 塔筒 基礎(chǔ) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu) 5 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu) 7 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 8 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)知識 槳葉的距角 槳葉圍繞翼展長度方向的軸線旋轉(zhuǎn)的角度 顯然 槳距角的變動(dòng)對槳葉的升力影響很大 槳葉的升力與阻力 9 風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率特性 風(fēng)輪的功率風(fēng)能轉(zhuǎn)換率葉尖速比 TSR TipSpeedRate 10 定槳距槳葉 槳距角固定 大風(fēng)速時(shí) 翼型的尾部氣流紊亂 升力不增反降 稱為失速現(xiàn)象 變槳距槳葉 槳距角可調(diào) 大風(fēng)速時(shí) 增大槳距角 可保持風(fēng)力機(jī)吸收功率恒定 也可完全釋放功率 變槳距有利于大風(fēng)速下穩(wěn)定風(fēng)力機(jī)吸收的功率 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制 11 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制 定速發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本恒定 例如籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī) 變速發(fā)電機(jī) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化 需要變頻器保證饋入電網(wǎng)的電能頻率恒定 變速發(fā)電機(jī)有利于小風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)吸收更多的功率 12 風(fēng)力機(jī)的輸出功率 定槳定速vs 變槳變速風(fēng)力機(jī)輸出功率的比較 13 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 兩大核心系統(tǒng) 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)一個(gè)靈魂 系統(tǒng)控制器 風(fēng)力機(jī)系統(tǒng) 槳葉輪轂主軸調(diào)槳機(jī)構(gòu) 液壓或電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu) 偏航機(jī)構(gòu) 電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu) 剎車 制動(dòng)機(jī)構(gòu)風(fēng)速傳感器 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 電力電子變換器 并網(wǎng)開關(guān)軟并網(wǎng)裝置無功補(bǔ)償器主變壓器轉(zhuǎn)速傳感器 14 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)電機(jī)組對發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本要求 1 將旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能高效率地轉(zhuǎn)換為電能轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 效率 電壓 電流 體積 重量 2 輸出的電能質(zhì)量應(yīng)滿足電力系統(tǒng)的并網(wǎng)要求頻率 有功 無功 波形畸變率 三相不平衡度 并網(wǎng)沖擊 電壓跌落跨越 3 與風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)匹配 最大限度發(fā)揮風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率有無齒輪箱 直驅(qū) 變速 MPPT 變槳 恒功 4 安全 可靠運(yùn)行過壓 過流 過速 過熱等狀態(tài)監(jiān)測與保護(hù) 15 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)電機(jī)組的分類 1 按風(fēng)輪槳葉分類失速型 高風(fēng)速時(shí) 因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動(dòng)作 限制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與功率 變槳型 高風(fēng)速時(shí) 調(diào)整槳距角 限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率 2 按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類定速型 風(fēng)輪保持一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低 變速型 雙速 可在兩個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率 連續(xù)變速 連續(xù)可調(diào) 可捕捉最大風(fēng)能功率 16 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)電機(jī)組的分類 3 按傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類升速型 用齒輪箱連接低速風(fēng)力機(jī)和高速發(fā)電機(jī) 直驅(qū)型 將低速風(fēng)力機(jī)和低速發(fā)電機(jī)直接連接 4 按發(fā)電機(jī)分類異步型 籠型單速異步發(fā)電機(jī) 籠型雙速變極異步發(fā)電機(jī) 繞線式異步發(fā)電機(jī) 同步型 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī) 永磁同步發(fā)電機(jī) 5 按并網(wǎng)方式分類并網(wǎng)型 直接或間接并入電網(wǎng) 可省卻儲(chǔ)能環(huán)節(jié) 離網(wǎng)型 需配儲(chǔ)能環(huán)節(jié) 也可與柴發(fā) 光伏并聯(lián)運(yùn)行 17 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的分類 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 1 同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 2 籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 3 繞線轉(zhuǎn)子RCC異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 1 變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 高速 2 變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 高速 3 變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 4 變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 5 變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 18 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 三要素 1 同步發(fā)電機(jī) 2 調(diào)速器 3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 19 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 定子鐵心 定子繞組 轉(zhuǎn)子磁極 20 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 1 風(fēng)力機(jī)拖著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n1沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn) 2 定子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子上的主磁極之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng) 3 導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢 導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可用右手定則判斷 交變頻率 p 磁極的極對數(shù) 21 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理 產(chǎn)生電磁制動(dòng)力 1 載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力 2 繞組電流受力形成電磁轉(zhuǎn)矩 3 電磁轉(zhuǎn)矩阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 是一種制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡 電磁制動(dòng)力的方向可用左手定則判斷 22 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢方程式 相量圖 忽略R 式中 Xd Xs XadXq Xs Xaq Xad Xaq 每相電樞繞組的直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗 Xs 每相電樞繞組的漏電抗 Xd Xq 每相電樞繞組的直軸和交軸同步電抗 23 空載特性E0 f if 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載電壓特性 E0 定子一相感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值 if 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流 空載特性反映了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢產(chǎn)生磁場 并在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢的能力 額定點(diǎn) 24 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外特性 外特性U f I 外特性反映負(fù)載性質(zhì)不同時(shí) 端電壓隨負(fù)載大小變化而變化的情況 外特性 同步發(fā)電機(jī)在n nN if const cos const的條件下 端電壓U和負(fù)載電流I的關(guān)系曲線 負(fù)載的cos 不同 U隨I變化的趨勢有所不同 25 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率 保持發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí) UN IN cos N 的額定勵(lì)磁電流ifN和轉(zhuǎn)速不變 去掉全部負(fù)載后 空載電動(dòng)勢為E0 則電壓調(diào)整率為 式中E0和UN同為相值或線值 26 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功角特性 勵(lì)磁電磁功率 磁阻電磁功率 隱極同步發(fā)電機(jī) 最大電磁功率出現(xiàn)在功角 90 處 凸極同步發(fā)電機(jī) 最大電磁功率出現(xiàn)在功角 90 處 27 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)條件 發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電壓與電網(wǎng)電壓應(yīng)滿足四同條件 即 同相序 同幅值 同頻率 同相位 同相序 由正確的旋轉(zhuǎn)方向保證同幅值 由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)保證同頻率 由調(diào)速器保證 槳距調(diào)節(jié)可用作并網(wǎng)調(diào)速器同相位 由調(diào)速器微調(diào)實(shí)現(xiàn) 28 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要問題 1 并網(wǎng)問題 并網(wǎng)控制復(fù)雜 對調(diào)速器要求過高 并網(wǎng)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(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 2 運(yùn)行問題 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的鉗制 發(fā)電機(jī)呈現(xiàn)剛性機(jī)械特性 轉(zhuǎn)子受到的沖擊應(yīng)力大 電磁功率波動(dòng)快 風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低 3 過載問題 高風(fēng)速時(shí) 對變槳調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高 無法利用轉(zhuǎn)子慣量緩沖 留給過速保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間太短 恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)極少被采用 29 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 三要素 1 異步發(fā)電機(jī) 2 調(diào)速器 3 無功補(bǔ)償器 30 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 31 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場 1 向?qū)ΨQ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(zhuǎn)磁場 3 旋轉(zhuǎn)磁場在一個(gè)圓周內(nèi) 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(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序 轉(zhuǎn)速n1取決于電流的頻率f和極對數(shù)p 同步轉(zhuǎn)速 32 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理 電磁感應(yīng) 1 定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn) 2 旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e和電流i 3 i在磁場中受力f 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T 4 若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n n1 向n1的方向旋轉(zhuǎn) T為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)差率 同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值 稱為轉(zhuǎn)差率 用s表示 即 n 1 s n1 或 33 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)狀態(tài) 電動(dòng)機(jī)狀態(tài) 用轉(zhuǎn)差率s可以表示異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 34 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等值電路 一相等值電路定子漏阻抗 轉(zhuǎn)子漏阻抗 折合 勵(lì)磁阻抗轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀況 35 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁功率表述 定子輸出功率 定 轉(zhuǎn)子銅損耗 電磁功率 鐵損耗 36 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等值電路 一相等值電路定子漏阻抗 轉(zhuǎn)子漏阻抗 折合 勵(lì)磁阻抗轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀況 37 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流程圖 38 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電磁轉(zhuǎn)矩 軟特性vs 硬特性 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線 39 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 1 無功補(bǔ)償 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無功功率 皆取自電網(wǎng) 應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機(jī) 并在機(jī)端并聯(lián)電容 由于負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng) 固定電容難以做到完全補(bǔ)償 可能出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象 造成電網(wǎng)電壓浮動(dòng) 可考慮在變電站加裝可控?zé)o功補(bǔ)償裝置SVC 2 軟并網(wǎng) 并網(wǎng)瞬間與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)相似 存在很大的沖擊電流 應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)并網(wǎng) 并加裝可控硅軟起動(dòng)限流裝置 40 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 3 過載能力 發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線較硬 允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍小 導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低 風(fēng)速不穩(wěn)時(shí) 風(fēng)電機(jī)組容易受到?jīng)_擊機(jī)械應(yīng)力 軟特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗較大 發(fā)熱嚴(yán)重 4 高效輕載 絕大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài) 要求發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦 在中低負(fù)載區(qū)效率較高 可考慮在輕載區(qū) 將定子繞組由角接改為星接 降低鐵耗 41 恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 籠型雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn) 1 變極雙速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案在同一臺發(fā)電機(jī)的定子鐵心中 埋設(shè)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(yùn)行轉(zhuǎn)速 高速繞組角接 低速繞組星接 以降低輕載運(yùn)行時(shí)的鐵心磁密和損耗 2 大 小電機(jī)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(jī)同軸串聯(lián) 高速發(fā)電機(jī)角接 低速發(fā)電機(jī)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(jī)的負(fù)荷率較高 發(fā)電效率更高 42 恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) RCC RotorCurrentControl 轉(zhuǎn)子電流控制 定義 轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制 PWM 來控制繞線型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的一項(xiàng)技術(shù) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征 1 采用變槳風(fēng)力機(jī) 2 采用繞線型異步發(fā)電機(jī) 但沒有滑環(huán) 3 采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)器件斬波控制轉(zhuǎn)子電流 動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性 43 恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 繞線型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子采用類似于定子的三相交流繞組 一般接成Y接 轉(zhuǎn)子三相繞組可在轉(zhuǎn)子內(nèi)部聯(lián)接 也可經(jīng)滑環(huán) 電刷裝置將轉(zhuǎn)子三相繞組端接線引出 轉(zhuǎn)子三相繞組的端接線在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短接時(shí) 發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性類似于籠型異步發(fā)電機(jī) 外接附加電阻時(shí) 機(jī)械特性變軟 44 恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) Rs增大 轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性 三相繞線型異步電機(jī)的參數(shù)和U1 f1一定 轉(zhuǎn)子每相中串入附加電阻Rs Rs 時(shí) Tm不變 smax T f s 更傾斜 45 恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流斬波控制電路 原理 控制附加電阻的接入時(shí)間 從而控制轉(zhuǎn)子電流 46 恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn) 1 風(fēng)速變化引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的低頻分量由變槳調(diào)速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié) 其高頻分量由RCC調(diào)節(jié) 可明顯減輕槳葉應(yīng)力 平滑輸出電功率 2 利用風(fēng)輪作為慣性儲(chǔ)能元件 吞吐伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化形成的動(dòng)能 提高風(fēng)能利用率 3 電力電子主回路結(jié)構(gòu)簡單 不需要大功率電源 缺點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)電力電子開關(guān)電路檢修 更換困難 47 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 48 變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 四象限背靠背變頻器 全功率容量 49 變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn) 1 交直交變頻器使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的關(guān)聯(lián)解耦 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于變速變頻發(fā)電狀態(tài) 可利用發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 跟蹤其最大功率點(diǎn) 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率小 發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬 運(yùn)行效率高 2 發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器運(yùn)行于升壓整流狀態(tài) 機(jī)端電壓可調(diào) 輕載運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的鐵耗小 效率高 50 變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn) 3 電網(wǎng)側(cè)變頻器運(yùn)行于逆變狀態(tài) 將發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功傳送至電網(wǎng) 并可作為無功發(fā)生器參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功 對電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好 可以將電網(wǎng)的波動(dòng)屏蔽于發(fā)電機(jī)之外 4 變頻器與發(fā)電機(jī)功率容量相等 系統(tǒng)成本高 51 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 交直交雙向功率變換器 52 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 國產(chǎn)MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 53 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 國產(chǎn)1 5MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變頻器 54 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 55 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 繞線型繞組的聯(lián)結(jié)方式 繞線型轉(zhuǎn)子繞組通常采用Y聯(lián)結(jié) 56 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步發(fā)電機(jī) 1 繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機(jī)的一種 2 定子繞組直接接入交流電網(wǎng) 轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑環(huán)引出 接至一臺雙向功率變換器 3 轉(zhuǎn)子繞組通入受控的變頻交流勵(lì)磁電流 4 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)也可運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài) 5 定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率 但轉(zhuǎn)子繞組端口電功率的流向取決于轉(zhuǎn)差率 57 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁 1 轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率 跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化 2 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位 控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場 從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)都能保持發(fā)電狀態(tài) 3 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值 可控制發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率 4 轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無功功率變換 為轉(zhuǎn)差功率 容量與轉(zhuǎn)差率有關(guān) 約為全功率的0 3倍 s 0 3 58 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步發(fā)電機(jī)的等值電路 S 0時(shí) 右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電流源 S 0時(shí) 變頻器 59 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 交直交電壓型變頻器 由兩個(gè)共用直流環(huán)節(jié)的背靠背三相整流 逆變器組成 可實(shí)現(xiàn)變頻 變壓和功率雙向流動(dòng) 控制方式 發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器采用定子磁場定向矢量控制 電網(wǎng)側(cè)變頻器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制 通過二者之間的協(xié)調(diào)控制 保持直流母線電壓恒定 可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率之間的解耦控制 電壓調(diào)制 空間電壓矢量正弦型脈寬調(diào)制 60 定子磁場定向矢量控制 將定 轉(zhuǎn)子電壓 電流和磁鏈各量投影到由定子磁場確定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中 進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的方法 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 61 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系 62 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率電流關(guān)系 63 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)子電壓關(guān)系 64 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率效率曲線 65 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn) 1 連續(xù)變速運(yùn)行 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高 2 部分功率變換 變頻器成本相對較低 3 電能質(zhì)量好 輸出功率平滑 功率因數(shù)高 4 并網(wǎng)簡單 無沖擊電流 5 降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求 6 改善作用于風(fēng)輪槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況 7 雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜 8 電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損 66 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 半直驅(qū)或直驅(qū) 67 變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn) 1 連續(xù)變速運(yùn)行 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高 2 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流 可保持發(fā)電機(jī)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(zhì)量好 并網(wǎng)簡單 無沖擊電流 5 降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求 改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況 6 轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁 7 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜 勵(lì)磁消耗電功率 8 體積大 重量重 效率稍低 68 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 半直驅(qū)或直驅(qū) 69 變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 不控整流 升壓斬波 PWM逆變器 70 變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn) 1 連續(xù)變速運(yùn)行 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高 可降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求 改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況 2 具有最高的運(yùn)行效率 3 勵(lì)磁不可調(diào) 感應(yīng)電動(dòng)勢隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化 采用可控PWM整流或不控整流后接DC DC變換 可維持直流母線電壓基本恒定 同時(shí)還可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 71 變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)特點(diǎn) 4 在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電 對電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好 5 永磁發(fā)電機(jī)體積大 重量重 成本高 全容量全控變流器控制復(fù)雜 成本高 6 永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩 給機(jī)組起動(dòng)造成困難 72 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 半直驅(qū)或直驅(qū) 新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)與電力電子變流器相結(jié)合 有望大幅度減小大功率低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)的空間尺寸和重量 73 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 中 低速 半直驅(qū)或直驅(qū) 新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)與電力電子變流器相結(jié)合 有望大幅度減小大功率低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)的空間尺寸和重量 74 本章小結(jié) 1 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)成本低 可靠性高 在定速和變速全功率變換風(fēng)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(jī)系統(tǒng)具有最高的性價(jià)比 特別適合于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電 將在未來十年內(nèi)繼續(xù)成為風(fēng)電市場上的主流產(chǎn)品 3 直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流技術(shù)發(fā)展迅速 利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機(jī)的體積和重量