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1、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)
2、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(yùn)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(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。
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)
3、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(yùn)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
4、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”
5、。
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(shí)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(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
6、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),
7、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(diǎn):
(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)
8、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(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)
9、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(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)
10、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)行時發(fā)電機(jī)的鐵耗小、效率高;
(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(yùn)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
11、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(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
12、、低速)
(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(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)勵磁不可調(diào),感應(yīng)電動勢隨轉(zhuǎn)速
13、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。