风机工作原理

1、风机工作原理 案例 历史 气动性能 设计流程 风机控制 双馈系统 提效 发电机编码器松动 变流器CT同名端反接 风机振动过大，安全链触发 了解风机的基本运行原理，可以指导我们进行故障排查； 了解风机的基本运行原理，可以帮助我们更好的进行风机选型，风场产能评估，风机运行维护阿富汗风机(900AD)Jacobs Turbine 1920 - 1960WinCharger 1930s 40sSmith-Putnam 风机1940s 现代风机海上风场 风机分类叶片数量 1 叶片安装容易 比2叶片风机风能吸收效率低 10%叶片数量- 2 叶片容易安装 轮毂需要跷跷板式结构 比3叶片风机风能吸收效率低 5

2、%叶片数量- 3 现代商业运行风机的选择有齿轮箱风机有齿轮箱风机无齿轮箱风机无齿轮箱风机总揽1.风电机组2.垂直轴3.水平轴4.定桨定速风机5.定速主动失速风机6.变桨变速型风机7.直驱型风机8.有齿轮箱固定转速比风机9.有齿轮箱变速比风机10.中速发电机11.高速发电机12.双馈型13.全功率型其他标准 耐受风等级和湍流强度：IEC IA，IIA,IIB 气候条件:常温型、低温型 安装位置：海上/陆上 轴承概念：单轴承、双轴承 变桨驱动类型分类：电驱、液压现阶段主流风机设计类型双馈系统n有齿轮箱和高速发电机n低功率变频转换直驱系统n全功率变频转换半直驱系统n有齿轮箱和中速发电机n全功率变频转

3、换风机的并网方式gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 双馈式风机设计优点：技术成熟性最高成本低组件供应链完善缺点：齿轮箱可靠性差齿轮箱和发电机不能同时适用于50/60Hz的频率例1：华锐风电 1.5MW陆上风机设计高速双馈发电机, 低电

4、压变频转换电动变桨系统常规 / 高温 / 低温 气候设计例2： S88-2.1MW Suzlon陆上风机设计高速, 低压发电机电动变桨系统在产能质量和电网支持上有局限性-转子电阻控制直驱式风机设计优点：无齿轮箱，增大整机寿命电能能质量好缺点：造价昂贵，结构复杂，发电机重量大巨大的直驱发电机是可靠性的唯一保障巨大的直驱发电机运输问题例1：金风科技 1.5MW陆上风机设计低速, 低电压 永磁直驱发电机电动变桨系统全功率变频转换例2：E-126/6MW Enercon陆上风机设计低速, 低电压 永磁直驱发电机电动变桨系统全功率变换风机设计优点：非常好的电能质量齿轮箱和发电机同适于50/60Hz的频率

5、缺点：比双馈产品要上更大的变频系统例5MW Multibrid海上风机设计中速, 中压 发电机电动变桨系统例V90 / V112-3MW Vestas陆上风机设计高速, 低电压永磁同步发电机传统的长轴驱动链液压变桨系统例GE2.5XL陆上风机设计高速, 低电压永磁同步发电机传统的长轴驱动链风机载荷叶片结构分析升力 & 阻力 升力垂直于来流方向. 我们希望升力更大. 阻力平行于来流方向. 我们希望阻力更小. = low = medium0.80) = 低转速, 高扭矩ARaSolidity = 3a/A1.5为什么采用三叶片桨叶实度对CP影响变桨控制Since most designs

6、use twisted blades, power quality is neverideal across the entire rotor blade.Twist & Taper叶片从根部到叶尖旋转速度不同，因而 合成风速不同所以攻角是变化的为维持最佳攻角，叶片需要扭转FastFasterFastest1.1风力机叶片翼型理论叶片弦长、扭角示意1.1风力机叶片翼型理论叶片和塔架的基本形状风轮的锥角与仰角轮毂高度轮毂高度1.2升力系数与阻力系数变桨距调节1.5最优叶尖速比12.53116,0.220.45110.0350.081iPiiCe 4.1变速变桨机型与定速定桨功率曲线功率曲

7、线和Cp曲线 风机控制3.3.1最优叶尖速比控制双馈风电机组转速与输出功率关系曲线2322121PTCRRACTGg2233521optPgKGCRT),(213CpAvP 3.3.2最大风能追踪过程dtdnJTTpemeTP 通过控制发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制，使风力发电机组获得最大的风能利用系数3.3.3查表法转速转矩表3.4爬坡算法1.2升力系数与阻力系数升力系数与阻力系数随攻角变化示意变桨控制Since most designs use twisted blades, power quality is neverideal across the entire rotor

8、blade.偏航 保持正对风主动偏航(Large Turbines)自动控制 控制系统控制电机对风被动偏航(Small Wind) 风力自动对风r尾翼下风向风机Source: GL GH Review Report平均风机偏航误差 （度）50%以上的风机，偏航误差大于6度，有些可以大至30度。这些可以导致很大的年发电量损失和风机的额外载荷。每种机型、每台风机的偏航误差都不一样，典型的风机偏航误差在 7-10度，相当于 2-3% 的发电量损失。-2,5% -7,2% -0,2% 在欧洲，在随机抽取的检测风机中，80%以上的风机有2度以上的平均偏航误差。偏航误差引起的年度发电量损失 %KidWin

9、d Project | Pitch Control Mechanisms2.7.1低电压穿越的概念2.7.2低电压穿越的概念 在发电机转子侧装上撬棒电路,检测到电网系统出现电压跌落时，闭锁机侧变流器，同时投入转子回路的旁路保护装置。达到限制通过变流器的电流和转子绕组过电压的作用，一次来维持发电机不脱网运行。 未来的趋势2005-2010年装机平均功率年装机平均功率(kW)2005-2010年装机平年装机平均功率逐年增加，德均功率逐年增加，德国丹麦等国家平均功国丹麦等国家平均功率达到率达到2.5MW产品功率等级所占市场份额产品功率等级所占市场份额 2008-2010

10、商用兆瓦级商用兆瓦级风机风机(1 of 3)商用兆瓦级商用兆瓦级风机风机(2 of 3)商用兆瓦级商用兆瓦级风机风机(3 of 3)风风 机机额定功率额定功率(kW)转子直径转子直径(m)传动链传动链样机样机批量批量Enercon E-1267.5127DD20092010XEMC Darwind DD1155.0115DD,PMG2010-Gamesa G-1284.5128MSG,PMG20082010GE 4.0-1104.0110DD,PMG20102012Repower 3.4M1043.4104FSG,DFIG20092010Repower 3.2M1143.2114FSG,DFI

11、G2011-Alstom ECO 1103.0110FSG20092020Doosan, with Windtec3.0-FSG20092009Enercon E-823.082DD20092010Enercon E-1013.0101DD20092011Leitner LWT 933.093DD,PMG2011-Siemens SWT-3.0-1013.0101DD,PMG20092011Vestas V1123.0112FSG,PMG20102011Dongfang, with Windtec2.5-FSG20102010Fuhrlander FL 2500/1042.5104FSG,DF

12、IG20092009Leitner LWT 1062.5106DD,PMG-Nordex N80 Gamma2.580FSG,DFIG20092010Nordex N90 Gamma2.590/100FSG,DFIG20092010Samsung 25x2.599.8FSG,PMG2010-DD=直驱；DFIG=双馈；FSG=高速齿轮驱动；MSG=中速齿轮驱动；PMG=永磁发电机 DD=8 FSG=10 MSG=1 DFIG2.1双馈异步电机的概念 双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG）是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故

13、简称双馈电机。双馈电机的转差率 ，则双馈电机转子三相绕组内 通入的电流频率应 2.2变速恒频的工作原理在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即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。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电。2.3双馈电机等效电路 发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法，在一系列理想条件下，可得双馈发电机的等效电路双馈电机等效电路普通绕线式转子电机等效电路亚同步运行时双馈电亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图机的功率流向示意图超同步运行时双馈电超同步运行时双馈电机的功率流向示意图机的功率流向示意图2.6.1变频器交流励磁控制采用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波采用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波2