风力发电机组培训教材

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1.
2. 3. 4. 5.
原理 构成 特点 优点与局限 感应机的无功补偿
1.绕线式感应发电机原理
• WRIG本质上是一台带有定子和转子的感应电机。基
本的不同点在转子结构中。 • WRIG用铜绕组代替了鼠笼结构,有3相星形连接的 绝缘铜绕组,缠绕出与定子相同的极数。 • 通过滑环和电刷连接外部可调电阻器。高于额定转 速时,有效地控制外部电阻,使转差率可控。 • 通过设定更大的转子电阻或更大的漏电抗,获得更 大的滑差,适于较大容量的风机。 • 能在狭窄的变速范围内变速,WRIG是恒速运行和变 速运行之间的折中方法。
• 转差率S是同步旋转速度Ns和
实际转子转速N间的相对差,即
风力发电 S=(Ns -N)/Ns 厂
2. 鼠笼风电机组的构成
3. 应用范围
单一鼠笼感应机在MW级以下的定速风机中获得了广泛的应用; 带有单一具备双速绕组的鼠笼感应机;通过改变绕组改变极对数。 例如,高速时用4极,低速时用6极; 带有两台分开的具有不同等级的鼠笼感应机,应用较少; 带有单一鼠笼感应机(SCIG)的风机,其定子通过电力电子变换 器(PEC)与电网相联,可以大范围的变速。这是后面将介绍的 变速恒频发电机中的一种。
转子注入电流频率的推导
N1=60f1/p (1) 其中, N1 同步转速 f1 电网频率 N2=60f2/p (2) 其中, N2 旋转磁场相对于转子本身的旋转速度 f2 在转子上通入电流的频率 令N为电机转子本身的机械旋转速度,则要求: N±N2=N1=50Hz (3) 双馈电机的转差率 S=(N1-N)/N1 (4) 则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为 F2=pN2/60=p(N1-N)/60=(pN1/60)((N1-N)/N1)=f1S 结论: 当异步电机的转子以变化的转速旋转时,只要在转子的三相 绕组中通入转差频率f1S的电流,则在双馈电机的定子绕组中就 能产生50Hz的恒频电势。
四、绕线式同步机的直驱机组
1. 2. 3. 4. 5. 原理 构成 特点 全功率PEC的主要功能 优点与局限
1. 原理
直驱风机中,大直径凸极转子直接连到风机转子上,以在同步速 旋转。因为风速的变化,风机的机械转子转速以及发电机机端的 电气频率也是变化的。 因为电气频率与电网的频率不匹配,所以发电机需要与电网解耦。 因此,要求WRSG的定子通过4象限工作的PEC与电网连接。 PEC经过AC-DC-AC的变换,将电能按额定的电压和频率送入电网。
2. 线绕直驱同步机的构成
6MW多级WRSG直驱机组
3. 特点
WRSG是他励磁发电机,由系统提供直流励磁;WRSG本身有很高的 功率因数,因为它不从电网中吸收任何的磁化电动势; 全功率变流; 通过发电机电流控制功率; 通过桨距角设定实现最大功率点追踪(MPPT),捕获最大能量, 在很大的速度范围内运行时提高发电机电能产量和可靠性; 同步发电机不需要安装无功补偿系统;如果电网的功率因数变低 了,不用任何电容器,PEC将会自动向电网反馈无功以提高功率 因数; 直驱风机可以进行功率梯度调节,以平抑闪变和电压波动; 提供一定限度内的故障穿越能力,在系统发生故障时仍能保持与 电网连接。
5. 感应机的无功补偿手段
机械开关旁路电容 静态无功补偿装置(SVCs),例如 ——可控硅开关电容器(TSCs) ——晶闸管控制电抗器(TCR) 静态补偿器(STATCOMs) 动态电压补偿(DVR)
电力电子接口取决于输入参数的特性
三、双馈异步发电机组
1. 原理
2. 构成
3. 特点 4. PEC在风电机组中的作用 5. 优点与局限
4. 优点与局限(1)
4.1 优点: 与相同额定输出功率的SCIG相比,WRIG在强惯性负荷和低起动电 流下有更好的起动转矩,更高的效率和功率因数。 与SCIGs相比,因为增加了转差率,它对电网的运行变得比较灵 活。转子动力阻尼得到了很大的改进。阵风时如果感应电机有高 的转差率,阵风中的部分能量可以转换成转子的加速度,因此叶 片转矩角不需要瞬间变小。阵风不仅能通过机械惯性缓冲,也能 将能量存储在中间电容器里。 控制更简单,因为不管转子的频率为多少,磁化电流是几乎恒定 的。
4. PEC在风电机组中的作用
风电机组运行的可控性更强; 有功功率和无功功率可控; 改善了电能质量和稳定性; 减少了传动系统的负载和噪音; 可以直接驱动。
5. 优点与局限(1)
5.1 优点 由于转子电流可调,转速可以在有效范围内变化,同时可以利用 足够的有效能量。 由于PEC可以控制转子电压,所以DFIG可以吸收和输出无功功率。 在电压可能出现波动的脆弱电网中,可以控制DFIG从电网吸收或 向电网输出大量的无功功率。从而使设备在严重的电压波动时可 以继续并网运行,有利于电网稳定。 基于PWM的PEC也可用来进行频率调节。 现成的WRIG可以被用来改装成DFIG。
5.1 优点: 结构简单,取消了齿轮箱和高速轴,不需要油冷和相应的监测系 统,降低了故障率,减少了维护; 可以不需要机械制动,纯粹由叶片大角度时的空气阻力提供制动; 有很大的气隙因而有较高的过载能力; 全功率PEC对于电网中的电压暂降有更好的控制和穿越能力; WRSG能运行在感性和容性两种模式下,这对于大型风机和脆弱电 网而言是有利的。PEC能使得电压和频率得到更灵活的控制,从 而使有功和无功能在正常的和较小的干扰中得到完全的控制; 大范围变速使风机能运行在最佳功率系数“Cp”下,因此在给定 的风速条件下会有一个较高的总体风机发电效率。
4. 优缺点(2)
4.2 缺点(续) 变化的旋转速度会造成大的输出功率振荡,致使电压振荡,可能 造成小的闪变; 大的风机转轮机械负荷振荡以及电能振荡被转化成转矩振荡,可 能致使齿轮箱故障; 用VSI(变速感应机)技术,即使它工作在大的变速范围,它的 尺寸也太大了,因而非常昂贵。
二、绕线式感应发电机组
1. 原理
总体上是一个带有三相定子线圈的异步发电机,定子线圈直接与 电网相连; 并且三相转子线圈通过滑环和PEC与电网相连,这里的PEC仅承担 额定功率的30%; 风机转子电路中的能量通过回收、处理和转换,最后通过部分范 围的背靠背PEC输送给电网(替代了WRIG中的无源电阻器); 大风时,桨矩调节和PEC控制协调进行;转子电路的PEC通过给风 机转子电路注入频率可变的电流来补偿风机机械频率和电气频率 的差额; 在次同步状态,PEC可以从线路为转速不足的转子“借来”能量, 并且传递给定子,使定子仍然能够为电网提供频率为50Hz的电能; 当潮流反向时,电网侧PEC起变换器的作用,转子侧PEC起逆变器 的作用。
Courtesy:www.sivawind.com Photo: Joshua Earnest
DFIG机组的塔底控制柜
3. 特点
融合了异步发电机(如鲁棒性好)和同步发电机(如可变风速运 行)的优点 最小化风机峰值电压、控制闪变以及谐波 风机的变速范围可以达到额定转速的± 30%左右 控制转子注入电流的频率可以对发电机进行变速控制,而控制转 子注入电流的幅值和相位可以对功率因数进行控制。 在转子侧引入crowbar电路。当发现转子侧变换器有被伤害的危 险时,crowbar就会动作使转子短路,免受高电压大电流的伤害。
超同步与次同步状态
次Hale Waihona Puke Baidu步运行 超同步运行
2. DFIG风电机组的构成
Capacit or section
电容器组
软启动器
Thyristor Soft starte r
晶闸管 耦合变压器
Coupling transformer
Fig.a Thyristor Switched Capacitors: This strategy has a faster response than contactors
4. 优点与局限(2)
每提高1%的转差率,就会有1%的附加损耗。转子的转差功率以热 损失的形式丢失。又加重了机舱的冷却负担。 增加了可调电阻,增加了滑环,从而增加了维护费用。 WRIG 不像SCIG那样坚固耐用;增加了绕线转子和控制器件,造 价也比SCIG高了。同时,增加了维护成本。 对有功功率和无功功率的控制不是很优质的。
应用鼠笼机的变速恒频机组
4. 优缺点(1)
4.1 优点: 它有一些很好的机械和电气特性,可以在风机中使用,即发电机转差。 这个“转差”提供阻尼动作,帮助抑制机械振荡; 不要求与电网同步。构造简单,成本低廉,维护方便。它的成本是相同 等级的同步电机的十分之一; 这种发电机可以用在变速场合; 它有一定的超载容量和风速变化容量,机组坚实、可靠; 鼠笼转子的极数与定子极数有自适应能力。 4.2 缺点: 缺少同时控制有功和无功的可能性; 因为电网的励磁电流,这些SCIG也消耗无功,总的负荷功率因数(cosφ ) 相对低。常用电容组或者静态无功补偿装置(SVC)可以用来补偿无功; 对于一个大范围风速,风机叶片不是运行在最佳运行点; 它不能提供电压或者频率控制,它需要有一个强劲的电网; SCIG的功率不能很快地进行调整,除非对于变桨距风机进行变桨距操作; 它没有故障穿越特性。在故障期间,它们需要被断开。
一、鼠笼感应风力发电机组
1. 2. 3. 4. 原理 构成 应用范围 优缺点
1. 鼠笼机原理
• 转子类似鼠笼,定子类似同步电机定子。 • 定子通电后,旋转磁场在转子鼠笼条中产生感应电流; • 转子电流与气隙旋转磁场相互作用,从而在转子上产 生转矩,这就是电动机原理;如果外力拖动转子,当转 速超过同步速时,反电势就会在定子中感生出电流。 • 是发电还是电动取决于转差率S, 当S为负值,则为发 电机,对风电S为-1%至-2%
5. 优点与局限(2)
5.2 局限 系统中同样需要齿轮箱,同时为转子提供能量的滑环和电刷的机 械组合,这通常都是薄弱环节,需要认真维护。 这些大功率的滑环和电刷,容易被转轴中的杂散电流损伤。除此 之外,杂散电流还会在发电机转轴上激起电弧,这将引起点蚀, 这部分更换比较麻烦。 定子侧的电压暂变引起磁通波动,导致转矩脉动,如果很大将引 起转动系统的机械应力。而且,转矩波动会通过PEC的直流环节 引起功率波动。 由于PEC对过电流很敏感,所以它很难抵御电压暂降的扰动,若 不设定的比额定电压略高,转子电路中的高电压和大电流可能会 使它损坏。 PEC中的电能损耗较大。
4. 全功率PEC的主要功能
风机转子侧的能量缓冲功能,用于缓冲由阵风所引起的波动,并 控制从风机转子侧传来的干扰; 防止电网侧传来的干扰到达WRSG; 控制发电机励磁系统,并避免常规同步机与电网频率保持同步残 留的一些问题; 通过使用PEC,可以完全控制无功功率。
5. 优点与局限(1)
目录
绪论 第一讲 风能资源 第二讲 电工基础
第三讲 风力发电中的输变电
第四讲 风力发电机组的基本结构 第五讲 风力发电中的空气动力学原理 第六讲 风力发电机的原理与机组构成 第七讲 风力发电机组的运行与维护
第六讲 风力发电机的原理与机组构成
一、鼠笼感应风力发电机组 二、绕线式感应发电机组 三、双馈异步发电机组 四、绕线式同步机的直驱机组 五、绕线式同步机齿轮驱动机组 六、永磁直驱同步发电机组 七、半齿轮驱动永磁机组
可调电阻通过滑环 串入转子绕组中
2. WRIG风力发电机组的构成
3. WRIG的特点
保留了SCIG的优点,能能在狭窄范围内变速; 转差率直接正比于转子电阻,输出转矩正比于转差率; 由于转差率有较大改变,以致电机的转速可改变10%以上。 Suzlon 2.1MW 4极WRIG风机转速甚至可以变化到额定转速的 16.7%; 转子电气上看起来和 SCIG相同时,将电阻器旁路 借助于调转差率的变速运行,比调桨要快; 将电阻器旁路,转子电气上看起来和SCIG相同;
开关电容器的晶闸管: 它比接触器响应快
Fig..2. Wind Turbine Electric Control Panel: This 500 kW integrated control
panel consists of the electronic controller, the capacitor section and soft starter section.
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