风力发电机组结构原理及特点分析

风力发电机组结构原理及特点分析

目前，商业运营的京元风力发电分为两种类型：定速定速和可变速度。主要采用三种类型的发电：单调式偶联机、双回转机和永速偶机。常见的风力发电机结构主要由塔架、轮毂、桨叶、主轴、变速箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成,不同类型的机组在结构上有所不同,在工作原理上也存在着一定的差异。笔者就几种风机的结构、原理和特点进行综合分析,以使读者对风力发电机有一个较为全面的认识。1风机基本机组主要为变桨定速型双馈机组和变桨现代机如果细细来分,风力发电机(以下简称风机)按风轮主轴方向可分为水平轴风机和垂直轴风机;按对风方向可分为上风向和下风向风机;按偏航的形式可分为被动偏航与主动偏航风机;按风轮桨叶可分为定浆距和变浆距风机;按传动方式可分为有齿轮箱传动和直驱型风机;按发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机。根据风机能否变桨和变速运行,行业界将风机分为定桨定速和变桨变速两大类。近两年我国进入了风力发电的快速发展期,截止到2008年,累计装机容量已达到1215.3万kW,其中仅2008年度新增装机容量就达到624.6万kW。从市场份额来看,2008年度新增装机采用的机型主要有三种类型:一是变桨变速型双馈机组,如Gamesa、Vestas的850kW机组,华锐、东汽、上海电气、明阳、GE的1.5MW机组以及Vestas的2MW机组;二是定桨定速型机组,如金风、运达的750kW机组;三是直驱型机组(变桨变速型永磁同步电机),如金风1.5MW机组、湘电的2MW机组。其中以变桨变速型双馈机组份额最大,定桨定速型机组次之,直驱型机组第三。定桨定速型、变桨变速型双馈和直驱型风机的工作原理如图1所示,本文将对这三种机型进行简要介绍。2风机并网模型及电机性能定桨定速机型风机主要特点是桨叶与轮毂固定连接在一起,风速变化时桨叶的角度不会变。桨叶经过特殊的设计,可以依靠其气动特性保持叶轮转速相对不变。当风速超过额定值时,叶片会通过自动失速来调节功率,防止转速过快造成过载,所以又称失速式风机。定桨定速型风机主要由塔架、轮毂、桨叶、主轴、变速箱、发电机、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。桨叶与齿轮增速箱通过主轴连接,发电机采用笼式异步发电机,为了提高发电机的效率,多采用双绕组发电机(大/小发电机),控制系统根据不同的风速切换大/小电机,低风速时切入小发电机,高风速时大发电机工作。为了减小风机并网时对电网的冲击,定桨定速型风机采用晶闸管软并网,再由并网开关(或接触器)旁路晶闸管,将并网冲击减少到最低。大多数失速式风机因起动困难而设计有电动机起动程序(Motorstart),起动程序由小发电机执行。为保证风机在突然失电情况下的制动能力,定桨距风机的叶片安装有叶尖扰流器,在紧急情况下叶尖扰流器释放并旋转90°形成阻尼板,对风机进行空气动力刹车,低速或高速轴上的盘式制动器与扰流器配合保证机组可靠制动。由于发电机采用笼式异步发电机,风机在并网状态时需从电网吸收大量的无功电流用于励磁,因而功率因素较低,必须配置一定数量的移相电容器进行补偿。失速式定桨定速机型风机为早期产品,机组容量多为兆瓦级以下,功率以600kW、750kW为主。兆瓦级机组也有采用失速式设计,如苏司兰的S1250kW风机,国内主要的生产企业为新疆金风和浙江运达,其中以金风的750kW为代表机型。失速式风机采用的是早期引进消化的技术,结构简单、成本较低、坚固耐用,但效率偏低。虽然技术很成熟但早已非主流机型,预计随着时间的推移将会逐步的退出风机市场。3变桨慢速型风机变桨变速型的特点是桨叶与轮毂之间通过轴承相连,变桨是指桨叶可以沿轴向0~90°的范围内变化,变速是指电机的转速是随着风速变化的,输出频率由变频装置来恒定,变桨变速型风机一般是1MW以上级居多,是目前风机的主流产品。变桨变速型风机按变桨执行机构的动力形式可分为电动和液压变桨控制;按采用的发电机类型主要可分双馈异步发电机和永磁同步发电机;按传动方式又可分为齿轮增速和直驱(半直驱)式。定桨定速型风机和采用双馈发电机的风机,由于其额定转速较高,必须要采用齿轮箱来增速,而永磁同步发电机可采用多极化设计,发电机转速可低至十几转,因而可采用直驱式。3.1液压变桨距系统变桨距控制主要有两个作用:一是在高于额定风速的情况下通过增大桨距角改变气流对叶片的攻角,将输出功率稳定在额定功率下,保证功率曲线的平滑,防止风机过负荷。二是在风机失电脱网等紧急状态下进行空气动力制动,配合高速轴制动器对风机叶轮快速刹车。风机变桨执行机构的动力形式可分为两种,即电-液伺服变桨和电动伺服变桨。电-液伺服变桨俗称液压变桨,液压执行机构具有单位体积小、重量轻,动态响应好、转矩大、无需变速机构且技术成熟等优点,Gamesa、Vestas、EHN、安迅能等公司生产的风机采用了液压变桨距技术。电动伺服变桨俗称电动变桨,电动执行机构具有适应能力强、响应快、精度高、结构简单、无泄漏、无污染、维护方便等优点,随着电动机、变频和控制技术的发展,电动变桨近年来得到了广泛的应用,GEWind、Enercon、Suzlon、Repower、Nordex、Siemens以及国内绝大多数的风机组装企业采用了电动变桨技术。从功能上来说,电-液变桨和电动变桨两种形式没有优劣之分,从性能上来看,由于执行机构的不同,两种变桨形式各有各的特点。变桨作业大致可分为两种工况,即正常运行时的连续变桨和停止(紧急停止)状态下的全顺桨。风机开始起动时桨叶由90°向0°方向的转动以及风速超过额定值时桨叶由0°向90°方向的调节都属于连续变桨,液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控制的,而电动变桨系统则是由变频器控制伺服发电机低速转动来控制位置和速度的。当风机停机或紧急情况时,为了迅速停止风机,桨叶将快速转动到90°,一是让风向与桨叶平行,使桨叶失去迎风面,二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动,以达到迅速停机的目的,这个过程叫做全顺桨。液压变桨系统的全顺桨是由电磁阀全导通液压油回路进行快速顺桨控制的,电动变桨系统则是由变频器提高输出频率使交流伺服发电机高速转动来实现的(有的机型采用直流电动机)。紧急变桨时,液压变桨系统的后备动力是充氮的储压罐,而电动变桨系统则是电容器或蓄电池组。3.2双馈稳步发电机转子提高功率和效率绝大多数的变桨变速型风电发电机组采用了双馈异步变速恒频控制方式。某双馈型风机的结构如图2所示,由塔架、轮毂、桨叶、主轴、变速箱、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成,某些机型采用无主轴结构,叶轮直接耦合在齿轮箱上。本文中的双馈电机有两层意思:一是指发电机不仅从定子绕组上馈出功率,在超过同步转速的情况下转子绕组也会馈出功率,双馈电机的额定功率实际上是定子和转子功率的总和;二是指电机的转子电流可以双向流动,在低于同步转速时,转子绕组是从电网吸收无功电流的,而当转速超过同步转速时,转子绕组则向外输出功率。由于上述原因,变频器必须具有四象限运行能力。双馈型风机变频系统基本上采用交—直—交电压型变频器(用电容器组作为直流环节缓冲元件),由于双馈型风机要求变频器具备四象限运行能力,所以变频器均采用了双PWM变流器。双馈异步发电机由变频装置为其提供交流励磁,交流励磁与直流励磁不同,它不仅可以调节励磁电流的幅值,还可以改变励磁电流的频率和相位。调节励磁电流的频率,保证风机在变速运行的情况下发出恒定频率的电能;改变励磁电流的幅值和相位,可达到调节输出有功功率和无功功率的目的,因而机组的功率因素本身是可调的,不需要另外增加功率因素补偿装置。双馈异步发电机的工作原理是由变频器在转子绕组中产生一个低速旋转磁场,这个旋转磁场的转速n1与转子由风力带动所产生的机械转速n2相叠加,在转子绕组中形成一个合成的旋转磁场,合成磁场的旋转速度等于同步转速n,即n1+n2=n。最终在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频(50Hz)电压输出到电网。当风速发生变化时,转速n2也随着发生变化,CPU根据n1+n2=n的公式计算出变频器需输出转子电流频率,通过改变转子电流的频率调节旋转磁场n1的转速,就能够补偿发电机转子转速的变化,从而保持输出到电网的频率恒定不变。由于双馈异步发电机在变频器中仅流过转差功率,因此变频器所需容量比较小,一般为发电机额定功率的10%~30%左右,变频器的损耗小投资也相对较低,技术相对比较成熟,是当前最主流的风机,但其电气连接和变桨系统较为复杂。世界上绝大多数的风电制造企业生产双馈型风机,目前双馈异步发电机均有滑环和碳刷系统,增加了故障率和维护工作量,一种新型的无刷双馈异步电机正在研制中。3.3运行成本分析目前国内一些厂家研发生产采用永磁同步发电机的风机,由于永磁同步电机容易实现多极化,可省去或简化齿轮增速箱结构,其叶轮主轴与发电机可以直接耦合,不经齿轮增速而直接驱动发电机,因此这类风机又称为直驱(半直驱)式。某直驱式风机结构如图3所示,由塔架、轮毂、桨叶、发电机、变频器、偏航系统、液压系统和电气控制等组成。直驱式风机均采用低速永磁同步发电机,低速永磁同步电机设计极对数P约40~80对,因此发电机额定转速可低至每分钟十几到二十转左右。由于风轮转速随着风速变化,发电机发出电能的频率是波动的,而永磁同步电机没有转子绕组,所以不能采用类似于双馈电机转子的变频装置来稳定输出频率。解决的方法是采用全功率变频器,即首先将永磁同步发电机输出的频率不稳定的交流电进行整流,然后通过逆变器逆变,输出恒定频率的电能。这就要求变频器的功率大于等于发电机的额定功率,也就是说,1.5MW的风机的变频器容量将不能小于1.5MW,得益于变频器价