风力发电机结构组成及其应用

有力的政策支持
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》
《新能源产业振兴规划》
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
小结：
（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速 和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要 角色；
（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特 别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内继续 称为风电市场上的主流产品；
（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅 速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积 和重量。
双馈型异步发电机组的效率
效率(%)
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 0
双馈发电机效率曲线
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600
负载功率(kW)
双馈型异步风力发电机组的特点
（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。
国产600kW交直交双向功率变换器 （IGBT+DSP）
交直交双向功率变换器
➢两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存 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。
双馈型异步风力发电机组的原理
➢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， 容量与转差率有关（约为全功率的S倍）。
直驱型同步发电机组
电励磁直驱同步发电机组 永磁直驱同步发电机组 混合励磁直驱同步发电机组
采用同步发电机的必要性
➢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。
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； ➢采用部分功率容量的SVG逆变器向发电机机端注 入无功电流，以调节发电机的端电压； ➢无需全功率容量的脉冲整流或DC-DC变换器，可 明显节省变流器的容量； ➢SVG逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发 电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。
电动机状态
S n1
nT
S n1
nT
N
n n＞n1＞0
n1
s＜0
0
N 0＜n＜n1
0＜s＜1
0
1s
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
笼型异步风力发电机的特点
（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，Ｓmax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；
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。
电励磁直驱同步发电机组的特点
➢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； ➢转子结构复杂，励磁消耗电功率； ➢体积大、重量重，效率稍低。
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
国内外风力发电的发展概述
我国风能资源分布
中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦 近海可开发风能资源是陆地的3倍多
风电的快速发展
➢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；
到2020年： 风电装机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
我国风电发展特点
风力发电机组结构组成应用
提纲
一． 国内外风力发电的发展概述 二． 风力发电的基本原理 三． 风力发电系统的分类 四． 笼型异步风力发电机组 五． 双馈型异步风力发电机组 六． 直驱型同步风力发电机组 七． 风电功率预测 八． 风电场的并网技术 九． 风电场的低电压穿越能力LVRT 一○．储能装置的应用
由ARMA的平稳性和可逆性分析确定ANN的网络结构 由ANN网络实现次日风电功率的滚动预测
国内外风电功率预测现状
德国： ➢WPMS：ISET（德国太阳能研究所）开发，2001，
应用于四家电网公司 ➢Previento：德国奥尔登堡大学开发，2002
丹麦： ➢Prediktor：Riso开发，1994年开始运行 ➢WPPT：丹麦技术大学开发，1994 ➢Zephy：丹麦技术大学开发，2003
双馈型异步风力发电机组
主电路：双馈异步发电机+交直交双向功率变换器
国产1MW双馈型异步风力发电机
双馈异步发电机
➢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；
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：
国内外风电功率预测现状
西班牙： ➢LocalPred-RegioPred：西班牙可再生能源中心， 2001 ➢SIPREoLICO：西班牙卡洛斯III大学开发，2002
美国： ➢eWind：AWS Truewind开发，1998
➢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）
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：
（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
P
1 2
AV
3C
p
• 风能转换率
Cp f (TSR, )
• 叶尖速比
➢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。
TSR mR V
TSR:叶尖速比Tip Speed Rate
: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
定速笼型异步风力发电机组 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
笼型异步风力发电机的工作状态
发电机状态
变速笼型异步风力发电机组
变速笼型异步风力发电机组的特点
（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。
风力发电功率预测的方法
➢物理方法：先预测风机轮毂高度处的气象信息如 风速和风向，再利用风机的功率曲线得到风机的实 际输出功率；需要利用数值天气预报NWP的信息； ➢统计方法：实质是在系统的输入（NWP/历史统计 数据/实测数据）和风机功率之间建立一种线性映射 关系。常用的有时间序列法ARMA、卡尔曼滤波、灰 色预测法等； ➢学习方法：利用人工智能的方法建立输入和输出 之间的非线性模型，如人工神经元网络ANN、小波分 析法、支持向量机法等。 ➢发展趋势：NWP的利用和多种预测方法的综合
去除齿轮箱，直接驱动的理由：
➢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。
直驱带来的问题：
➢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。
直驱型同步发电机组
直驱型同步发电机组
Hale Waihona Puke Baidu
定子铁心
定子绕组
发电机转子
电励磁直驱同步发电机组
市场上2MW以上大型风力发电机组
风电功率预测
必要性： ➢风电装机容量增大，对电力系统的影响越来越大 ➢风力发电具有间歇性和不确定性 ➢为保证系统稳定运行，必须增加旋转备用容量， 间接地增加了风力发电的整体运营成本 ➢通过对大型风电场的输出功率进行准确的短期和 中期预测，可以大幅降低系统的旋转备用容量，有 效降低风力发电的整体运营成本，为电网的运行调 度提供依据，成为风电接入电网的关键技术之一
世界风电技术发展趋势
➢风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