风力发电机结构组成及其应用.pptx
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1、风力发风力发电电机组结构组成机组结构组成应应用用1国内外风力发电的发展概述2风力发电的基本原理3风力发电系统的分类4笼型异步风力发电机组5双馈型异步风力发电机组6直驱型同步风力发电机组7风电功率预测8风电场的并网技术9风电场的低电压穿越能力LVRT10储能装置的应用提 纲国内外风力发电的发展概述我国风能资源分布n n中国陆地上中国陆地上10m10m高度层上可开发的风能储量为高度层上可开发的风能储量为2.522.52亿千瓦亿千瓦n n近海可开发风能资源是陆地的近海可开发风能资源是陆地的3 3倍多倍多从1996年到2009年,世界累计风电装机容量的增长率超过20%,平均28%;2007年,世界累计
2、风电装机容量94112MW,增长26.8%;2007年,世界新增风电装机容量20073MW,增长32.1%;到2007年,我国风电装机容量6050MW,超过丹麦,成为世界第5;到2008年,我国风电装机12170MW,居世界第4;风电的快速发展2006年1月:可再生能源法2007年9月:可再生能源中长期发展规划2009年:新能源产业振兴规划有力的政策支持到2011年:风电装机3500万千瓦 其中陆地3000万千瓦,海上500万千瓦 新能源在能源结构中比例达2%(含水电10%)新能源发电占总装机比例5%(含水电25%)新能源产业增加直接投资9700亿 带动社会间接投资2万亿到2020年:风电装机
3、1.5亿千瓦 其中陆地1.2亿千瓦,海上3000万千瓦 建设六个陆上千万千瓦级风电基地及其外送联网工程 新能源在能源结构中比例达9%(含水电20%)新能源发电装机占总装机比例达15%(含水电35%)新能源产业增加直接投资45000亿 带动社会间接投资9万亿新能源产业振兴规划风电总装机容量快速增长,风电比重不断加大;单个风电场装机容量不断增加,已有多个10万千瓦级风电场投运,正建千万千瓦级大型风电基地;风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV);风电机组的种类不断增多,从早期的定速风电机组(1MW以下),到双馈感应风力发电和直驱同步风力发电(1MW以上)我国风电发展特点世界风电技术发展趋势风
4、电单机容量稳步上升:以德国为例,03年平均单机容量超过1.5MW,叶片直径大于64m的风机占77%;变浆调节方式迅速取代失速调节方式:德国03年装机的风电机组,超过91%采用了变浆调节方式;变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式:通过控制发电机转速,是风机叶尖速比接近最佳,提高风机运行效率。德国03年装机的风电机组,超过90%的风机采用了变速恒频方式;无齿轮箱的直驱同步发电机组的市场份额迅速扩大风力发电的基本原理我上到风机上了风力发电系统的分类按风轮桨叶分类:失速型:高风速时,因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作,限制风力机的输出转矩与功率;变桨型:高风速时通过调整桨距角,限制输出转矩与功率。按风轮转速
5、分类:定速型:风轮保持一定转速运行,风能转换率较低,与恒速发电机对应;变速型:(1)双速型:可在两个设定转速运行,改善风能转换率,与双速发电机对应;(2)连续变速型:在一段转速范围内连续可调,可捕捉最大风能功率,与变速发电机对应。按传动机构分类:齿轮箱升速型:用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机;(减小发电机体积重量,降低电气系统成本)直驱型:直接连接低速风力机和低速发电机。(避免齿轮箱故障)按发电机分类:异步型:(1)笼型单速异步发电机;(2)笼型双速变极异步发电机;(3)绕线式双馈异步发电机;同步型:(1)电励磁同步发电机;(2)永磁同步发电机。按并网方式分类:并网型:并入电网,可省却储能环
6、节。离网型:一般需配蓄电池等直流储能环节,可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。风力机风能转换效率特性风轮的功率风能转换率叶尖速比TSR:叶尖速比叶尖速比Tip Speed Rate :桨距角桨距角风力发电机组输出功率(定速vs变速)笼型异步风力发电机组n定速笼型异步风力发电机组n变速笼型异步风力发电机组定速笼型异步风力发电机组三相笼型异步风力发电机笼型异步风力发电机的内部结构发电机状态发电机状态发电机状态发电机状态电动机状态电动机状态电动机状态电动机状态用转差率用转差率s可以表示异步电机的运行状态可以表示异步电机的运行状态!nn10s00nn10s101n10ns笼型异步风力发
7、电机的工作状态(1)发电机励磁消耗无功功率,皆取自电网。应选用较高功率因数发电机,并在机端并联电容;(2)绝大部分时间处于轻载状态,要求在中低负载区效率较高,希望发电机的效率曲线平坦;(3)风速不稳,易受冲击机械应力,希望发电机有较软的机械特性曲线,max绝对值要大;(4)并网瞬间与电动机起动相似,存在很大的冲击电流,应在接近同步转速时并网,并加装软起动限流装置;笼型异步风力发电机的特点变速笼型异步风力发电机组(1)笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态;(2)运行于小转差率范围,发电机机械特性硬,运行效率高;(3)发电机机端电压可调,轻载运行效率高;(4)发电机与电网被可控的变流器隔离,系
8、统对电网波动的适应性好;(5)变流器与发电机功率容量相等,系统成本高。变速笼型异步风力发电机组的特点双馈型异步风力发电机组主电路:双馈异步发电机主电路:双馈异步发电机+交直交双向功率变换器交直交双向功率变换器国产1MW双馈型异步风力发电机绕线型转子三相异步发电机的一种;定子绕组直接接入交流电网;转子绕组端接线由三只滑环引出,接至一台双向功率变换器;转子绕组通入变频交流励磁;转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态;定子绕组端口并网后始终发出电功率;但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率;双馈异步发电机国产600kW交直交双向功率变换器(IGBT+DSP)两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”,中
9、间存在电容支撑的直流母线;在任一时刻,一套三相桥处于脉冲整流状态;而另一套处于逆变状态;发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法;电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法;可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。交直交双向功率变换器引入转子交流励磁变流器,控制转子电流;转子电流的频率为转差频率,跟随转速变化;通过调节转子电流的相位,控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场,从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态;通过调节转子电流的幅值,可控制发电机定子输出的无功功率;转子绕组参与有功和无功功率变换,为转差功率,容量与转差率有
10、关(约为全功率的S倍)。双馈型异步风力发电机组的原理双馈型异步发电机组的效率(1)连续变速运行,风能转换率高;(2)部分功率变换,变流器成本相对较低;(3)电能质量好(输出功率平滑,功率因数高);(4)并网简单,无冲击电流;(5)降低桨距控制的动态响应要求;(6)改善作用于风轮桨叶上机械应力状况;(7)双向变流器结构和控制较复杂;(8)电刷与滑环间存在机械磨损。双馈型异步风力发电机组的特点直驱型同步发电机组u电励磁直驱同步发电机组u永磁直驱同步发电机组u混合励磁直驱同步发电机组同步发电机用作风力发电机时,即可直接向交流负载供电,也可经整流器变换为直流电,向直流负载供电。因此,同步风力发电机已成
11、为中小容量风力发电机组的首选机型。近年来,在大容量风力发电机组产品中,同步风力发电机也已暂露头角,有望成为未来的主力机型。采用同步发电机的必要性由齿轮箱引起的风电机组故障率高;齿轮箱的运行维护工作量大,易漏油污染;系统的噪声大,效率低,寿命短。去除齿轮箱,直接驱动的理由:发电机转速低、转矩大,体积重量明显增大;全功率整流逆变,变流器成本高。直驱带来的问题:直驱型同步发电机组直驱型同步发电机组定子铁心 定子绕组 发电机转子电励磁直驱同步发电机组通过调节转子励磁电流,可保持发电机的端电压恒定;定子绕组输出电压的频率随转速变化;可采用不控整流和PWM逆变,成本较低;转子可采用无刷旋转励磁;转子结构复
12、杂,励磁消耗电功率;体积大、重量重,效率稍低。电励磁直驱同步发电机组的特点永磁直驱同步发电机组的功率变换电路永磁直驱同步发电机组的特点永磁发电机具有最高的运行效率;永磁发电机的励磁不可调,导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换,可维持直流母线电压基本恒定,同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速;在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电,对电网波动的适应性好;永磁发电机和全容量全控变流器成本高;永磁发电机存在定位转矩,给机组起动造成困难。混合励磁直驱同步发电机组混合励磁直驱同步发电机组的特点利用转子的凸极磁阻效应,增强永磁发电机的调磁能力;
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