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风力发电机分类及特点

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  风力发电机分类及特点_物理_自然科学_专业资料。风力发电机分类及特点 李少龙 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 ? 了解风力发电机的分类 ? 双馈式和直驱式风力发电机介绍 电气工程与自动化学院 第三章 课件 按照风轮形式分类

  风力发电机分类及特点 李少龙 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 ? 了解风力发电机的分类 ? 双馈式和直驱式风力发电机介绍 电气工程与自动化学院 第三章 课件 按照风轮形式分类 风力发电 2019/8/5 (1)垂直轴风力发电机组 垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。 阻力型的气动力效率远小于升力型,故当今大型并网型垂 直轴风力机的风轮全部为升力型。 阻力型的风轮转矩是由两边物体阻力不同形成的,其 典型代表是风杯,大型风力机不用。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 风杯式风力机风轮的轴垂直于地面安装,是垂直轴风力机,任何方 向的水平风力都可以使它旋转 ,下图为四个风杯的风力机。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 升力型的风轮转矩由叶片的升力提供,是垂直轴风力发电机的主 流,尤其是风轮像打蛋形的最流行,当这种风轮叶片的主导载荷是 离心力时,叶片只有轴向力而没有弯矩,叶片结构最轻。 电气工程与自动化学院 第三章 课件 水平轴风力发电机组 风力发电 2019/8/5 水平轴(风轮)风力发电机组,是指风轮轴线基本与地面平 行安置在垂直地面的塔架上。水平轴风力发电机机舱里主要设 备有主传动轴、齿轮箱、发电机、刹车装置、机架、控制设备 等。 水平轴风力机的风轮转轴与风向平行,其风能利用系数高, 技术非常成熟,水平轴风力发电机是目前应用最广泛的风力发 电机。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 水平风力发电机机舱结构与设备布置图 2019/8/5 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 大型风力机的管柱型 塔架主要采用钢筋混凝 土结构或钢结构,但钢 塔架运输困难,可现场 制作的混凝土塔架用得 越来越多。塔架内敷设 有发电机的电力电缆、 控制信号电缆等,塔底 有塔门,塔架内分若干 层,层间有直梯便于人 员上下。 2019/8/5 电气工程与自动化学院 课件 荷兰风车 第三章 风力发电 2019/8/5 电气工程与自动化学院 第三章 课件 按照有无齿轮箱分类 风力发电 2019/8/5 目前,市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式 和直驱式两大类。 双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨 运行,传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网。 直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动 方式,发电机多采用多极同步电机,通过全功率变频装置并网。 直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 双馈式风力发电机有齿轮箱 2019/8/5 风力发电机采用变速运行可使风力机最大限度的吸收风能,提 高风力机运行效率,大容量的变速恒频风力发电系统是风力发电技 术的主流方向,采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电机组仍是 目前的主流机型。 双馈式风力发电机组的优点是: 采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的 转速高,转矩小,重量轻,体积小,变流器容量小。 双馈式风力发电机组的缺点是: 为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配,必须在风轮和发电 机之间用齿轮箱来联接,这就增加了机组的总成本;而齿轮箱噪音 大、故障率高、需要定期维护,并且增加了机械损耗;机组中采用 的双向变频器结构和控制复杂;电刷和滑环间也存在机械磨损。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 双馈式风力发电机基本结构图 2019/8/5 双馈风力发电机一般采用4极或6极,2MW以下的发电机多采用4 极,2MW以上的发电机多采用6极,本节介绍的是4极发电机,定子铁 心与转子铁心都由硅钢片叠成,图1是定子铁心与转子铁心的冲片。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 在定子铁芯的槽内嵌放着三相交流绕组,三相绕组按4极绕制, 连接成星形,下图是嵌有三相绕组的定子。当绕组接入三相交流电 源就可在定子内产生旋转磁场。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 定子固定在机座内,机座外壳上有通风孔,便于电机散热 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 在转轴上安装三个集电环,三个集电环之间,环与转轴之间都 是互相绝缘的,转子绕组的三根引出端线通过转轴的凹槽连接到三 个集电滑环上。在转轴上安装两个轴流风扇用于发电机散热,发电 机整个旋转部分(转子)。 电气工程与自动化学院 第三章 课件 双馈异步发电机剖视图 风力发电 2019/8/5 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 双馈感应发电机组是具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电 机(DFIG),定子接入电网,转子通过电力电子变换器与电网相连, 如下图所示。 在风力发电中采用交流励磁双馈风力发电方案,可以获得以下 优越的性能: (1)调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电,满 足用电负载和并网的要求,即变速恒频运行。这样可以从能量最大 利用等角度去调节转速,提高发电机组的经济效益。 (2)调节励磁电流的有功分量和无功分量,可以独立调节发电机 的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数,补偿 电网的无功需求,还可以提高电力系统的静态和动态性能。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 (3)由于采用了交流励磁,发电机和电力系统构成了“柔性连接”,即 可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流,精确的 调节发电机输出电压,使其能满足要求。 (4)由于控制方案是在转子电路实现的,而流过转子电路的功率是由交 流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率,它仅仅是额定功 率的一小部分,这样就大大降低了变频器的容量,减少了变频器的 成本。 齿轮箱 DFIG 电网 转子侧 变换器 网侧 变换器 双馈式变速恒频风力发电系统结构框图 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 直驱型风力发电机无齿轮箱 直驱式风力发电机,是一种由风力直接驱动发电机,亦称无齿轮 风力发动机,这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的 方式,免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力 发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件,因此,没有齿轮箱的 直驱式风力发动机,具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小 机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。 直驱式风力发电系统大多都使用永磁同步发电机发电,无需励磁 控制,电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小。随着永磁 材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出 现,在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用 的越来越广泛。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 直接驱动式变速恒频(DDVSCF)风力发电系统框图如图所示, 风轮与同步发电机直接连接,无需升速齿轮箱。首先将风能转化为 频率、幅值均变化的三相交流电,经过整流之后变为直流,然后通 过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。通过中间电力电 子变流器环节,对系统有功功率和无功功率进行控制,实现最大功 率跟踪,最大效率利用风能。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 永磁同步 发电机 风力机 整流器 电容 逆变器 电网 直接驱动式风力发电系统框图 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 直驱风力发电机的优点是: 1)由于零件和系统的数量减少, 维修工作量大大降低。 2)最近开发的直驱机型多数是永 磁同步发电机,不需要激磁功 率,传动环节少,损失少,风 能利用率高。 3)运动部件少,由磨损等引起的 故障率很低,可靠性高。 4)采用全功率逆变器联网,并网、 解列方便。 5)采用全功率逆变器输出功率完 全可控,如果是永磁发电机则 可独立于电网运行。 缺点是: 由于直驱型风力发电机组 没有齿轮箱,低速风轮直接 与发电机相连接,各种有害 冲击载荷也全部由发电机系 统承受,对发电机要求很高。 同时,为了提高发电效率, 发电机的极数非常大,通常 在100极左右,发电机的结构 变得非常复杂,体积庞大, 需要进行整机吊装维护。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 直驱式永磁风力发电机基本结构图 把绕好线圈的定子安装在机座的机架上,为显示转子结构将定 子剖去一部分。 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 把装有永久磁极的内转子安装在机座的转轴上 2019/8/5 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 双馈型风力发电机和直驱型风力发电机的特性比较 机型和特性 统维护成本 系统价格 系统效率 电控系统体积 变流其容量 变流系统稳定性 电机滑环 电机重量 电机种类 双馈型风力发机组 永磁直驱风力发电机组 较高(齿轮箱故障多) 低 中 高 较高 高 中 较大 全功率的1/3 全功率变流 中 高 半年换碳刷,两年换滑环 无碳刷,滑环 轻 重 励磁 永磁,设计时要考虑永磁体 退磁问题 电气工程与自动化学院 第三章 风力发电 课件 2019/8/5 在目前风力发电机中,直驱式风力发电机用的越来越多, 在中小型风力发电机(包括垂直轴风力发电机)都有应用,目 前世界上最大的水平轴风力发电机就是直驱式的。 电气工程与自动化学院