風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)

上傳人:san****019 文檔編號(hào):15970703 上傳時(shí)間:2020-09-14 格式:PPT 頁(yè)數(shù):74 大小:5.32MB
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1、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(shuō)明發(fā)電機(jī)對(duì)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(shí),槳葉的距角,槳葉圍繞翼展長(zhǎng)度方向的軸線旋轉(zhuǎn)的角度。顯然,槳距角的變動(dòng)對(duì)槳葉的升力影響很大。,槳葉的升力與阻力,9,風(fēng)

2、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: Tip Speed Rate,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

3、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(wú)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(duì)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(wú)功、波形畸變率、三相不平衡度、 并網(wǎng)沖擊、電壓

4、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(wú)齒輪箱(直驅(qū))、變速(MPPT)、變槳(恒功) (4)安全、可靠運(yùn)行 過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)速、過(guò)熱等狀態(tài)監(jiān)測(cè)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)

5、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)

6、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(shì),(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?lè)较蛐D(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(duì)運(yùn)動(dòng),(3)導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體感

7、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則判斷!,交變頻率:,p:磁極的極對(duì)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(chǎng)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(shì)方程式,相量圖(忽略R),式中, Xd XsXad XqXsXaq,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

8、性 E0f ( 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(shì)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(shì)產(chǎn)生磁場(chǎng)、并在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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 Uf ( 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nnN ,ifconst,cosconst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(shì)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

9、定運(yùn)行時(shí)(UN、IN、cosN)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(shì)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

10、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(wèn)題,(1)并網(wǎng)問(wèn)題:并網(wǎng)控制復(fù)雜,對(duì)調(diào)速器要求過(guò)高,并網(wǎng)過(guò)程長(zhǎng),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(wèn)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(guò)載問(wèn)題:高風(fēng)速時(shí),對(duì)變槳調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高,無(wú)法利用轉(zhuǎn)子慣量緩沖。留給過(guò)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(wú)功補(bǔ)

11、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(chǎng),(1) 向?qū)ΨQ三相繞組中通入對(duì)稱三相交流電流,可形成行波磁場(chǎng); (2) 如果繞組分布在圓周上,則行波磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng); (3) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng),以同步轉(zhuǎn)速n1 旋轉(zhuǎn),(2)旋轉(zhuǎn)磁

12、場(chǎng)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e和電流i,(3)i 在磁場(chǎng)中受力f,產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T,(4)若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速nn1, 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(1s)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)

13、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(wú)功補(bǔ)償:發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無(wú)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

14、定電容難以做到完全補(bǔ)償。可能出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象,造成電網(wǎng)電壓浮動(dòng)??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(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(guò)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??煽紤]在輕載區(qū),將定子繞組由

15、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(tái)發(fā)電機(jī)的定子鐵心中,埋設(shè)兩套不同極對(duì)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(tái)不同容量、不同極對(duì)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 :Rotor Curre

16、nt Control,轉(zhuǎn)子電流控制,定義: 轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過(guò)電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)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(méi)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,

17、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(duì)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| , Tf (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

18、電子主回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)

19、,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(wú)功發(fā)生器參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功;對(duì)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(guó)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(guó)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

20、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(tái)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(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位,控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場(chǎng),從而在轉(zhuǎn)

21、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(guò)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(wú)功功率; (4)轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無(wú)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,S0 時(shí),右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電流源。,S0 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(chǎng)定向矢量控制;電網(wǎng)側(cè)變頻器采用電網(wǎng)電壓定向

22、矢量控制。通過(guò)二者之間的協(xié)調(diào)控制,保持直流母線電壓恒定??蓪?shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)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(chǎng)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(chǎng)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

23、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(duì)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(jiǎn)單,無(wú)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(guò)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

24、本低于全功率變換 ; (4)電能質(zhì)量好,并網(wǎng)簡(jiǎn)單,無(wú)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(wú)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(shì)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控PWM整流

25、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(duì)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(lái)十年內(nèi)繼續(xù)成為風(fēng)電市場(chǎng)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。,

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