專題4 風(fēng)力發(fā)電

專題4 風(fēng)力發(fā)電4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)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)（液壓或電動伺服機(jī)構(gòu)）、偏航機(jī)構(gòu)（電動伺服機(jī)構(gòu)）、剎車、制動機(jī)構(gòu)、風(fēng)速傳感器。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)，勵磁調(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。圖4.1為水平軸式風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖：圖4.1水平軸式風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類 1. 按風(fēng)輪槳葉分類失速型：高風(fēng)速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作，限制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與功率；變槳型：高風(fēng)速時，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)速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低；變速型：包括以下兩種方式雙速：可在兩個設(shè)定轉(zhuǎn)速下運行，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。3. 按傳動機(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)，可省卻儲能環(huán)節(jié)。離網(wǎng)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(diào)節(jié)方式分：定槳距（失速型)、變槳距按葉輪轉(zhuǎn)速是否恒定分： 恒速發(fā)電機(jī)、變速發(fā)電機(jī) 其它機(jī)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直 葉片徑向安裝，與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度 大型風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)少，轉(zhuǎn)速高，用于發(fā)電 小型風(fēng)力機(jī)葉片數(shù)多，轉(zhuǎn)速低，用于提水 4.3 水平軸式風(fēng)力機(jī)垂直軸式：利用空氣動力的阻力做功啟動轉(zhuǎn)矩較大風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流，受側(cè)向推力風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)4.31 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng):1. 分類（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)2. 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：由勵磁調(diào)節(jié)器自動保證同頻率：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)實現(xiàn)3. 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，對變槳調(diào)節(jié)的動態(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)時間太短。 因此恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)極少被采用！4. 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。5. 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。6. 籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點:（1）無功補(bǔ)償：發(fā)電機(jī)勵磁消耗無功功率，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，固定電容難以做到完全補(bǔ)償?？赡艹霈F(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象，造成電網(wǎng)電壓浮動?？煽紤]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)瞬間與異步電動機(jī)起動相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝可控硅軟起動限流裝置；（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，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?？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(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點（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，以獲得合適的運行轉(zhuǎn)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(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。4.32 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng):1. 變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分類：（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）2. 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點：（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。發(fā)電機(jī)的運行轉(zhuǎn)差率小，發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬，運行效率高；（2）發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器運行于升壓整流狀態(tài)，機(jī)端電壓可調(diào)，輕載運行時發(fā)電機(jī)的鐵耗小、效率高；（3）電網(wǎng)側(cè)變頻器運行于逆變狀態(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)波動的適應(yīng)性好，可以將電網(wǎng)的波動屏蔽于發(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。3. 雙饋異步發(fā)電機(jī)的運行原理 轉(zhuǎn)子交流勵磁（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)（約為電磁功率的0.3倍，|s|<0.3）4. 雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)特點：（1）連續(xù)變速運行，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。5. 變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）（1）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，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)勵磁；（7）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)系統(tǒng)（中、低速）系統(tǒng)特點：（1）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高，可降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況；（2）具有最高的運行效率；（3）勵磁不可調(diào)，感應(yīng)電動勢隨轉(zhuǎn)速和負(fù)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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；（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)組起動造成困難。4.4 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。