《风力发电技术》课件-第五章 风力发电机组

第五章风力发电机组1.风力发电机组工作原理风力发电机组工作原理风力发电机组是将风能转化为机械能，再将机械能转换为电能的系统。当风吹向风力发电机组，风轮在气流作用下产生力矩并转动，将风的动能转化为旋转的机械能，再通过主传动系统将动力传递给发电系统，从而把接卸能转变成电能。风力发电机组的构成1、风轮：由叶片和轮毂组成，捕捉和吸收风能并将其转化为机械能。

2、传动系统：将风轮产生的机械能传递给发电系统，包括传动轴、轴承、齿轮箱等

3、偏航系统：保证风轮始终处于迎风状态，保持最大迎风面积，充分利用风能。同时提供所尽力局，保障机组安全运行。主要包括电动机、减速器、偏航轴承等。风力发电机组的构成4.液压系统：为高速轴上设置的制动装置和偏航制动装置提供液压动力。包括液压站、输油管、执行机构等。5.控制系统：用于控制启动、调节、停机等，也能用于检测、提供运行状态、风速风向等信息，控制、调节、保障机组安全高效运行。6.发电系统：用于将机械能转化为电能，并输送给电网。主要包括发电机变流器等。7.还有制动系统、变桨距系统、支撑系统等。电缆：机舱内发电机产生的电流通过电缆线进入控制柜梯子：所有塔架内都有梯子通过梯子能爬到机舱上，梯子接近塔壁，便于上下梯子时可以用后背靠紧塔壁，保证安全控制器：风机的控制装置就是一台计算机他能检查各个部件的工作状态，如果某个部件停止工作，控制器将通过计算机向中央监控室报告故障灯：塔架没有朝外的窗户，只能用灯光照明法兰：法兰上的螺栓保证塔架的各部分紧密连接平台：塔架内有两三个平台给维护人员休息叶轮：叶轮被固定在大的主轴上大的叶轮有三个吸收风能的叶片风俗足够大时驱动叶轮旋转主轴：主轴与齿轮箱连接，叶轮用很大的力使主轴转动，因此主轴足够粗偏航轴承：巨大的齿轮环被安装在机舱下部、塔架内，齿轮环与偏航电机的齿相吻合，这样使机舱偏航对风偏航电机：偏航电机将机舱转动以使叶轮准确对风齿轮箱：大型风机叶轮的旋转速度在每分钟27转左右，而发电机的转速要在每分钟1500转左右，因此就需要齿轮箱将27转变为1500转机械刹车:当风机需要被维修或例行维护时，机械刹车将叶轮锁定，使其停止转动高速轴:高速轴将来自齿轮箱的能量传递到发电机，此时高速轴的转速达到每分钟1500转发电机:发电机达到转速后开始产生电流，电流通过粗的电缆被送到塔架下面的控制柜，散热器:发电机高速转动时产生热量，如果温度过高发电机就会损坏，这就是为什么电机需要冷却。在一些风机上采用水冷却方式，而散热器再将水冷却风速仪:风速仪用来测量风的速度，它将风速信息传到控制器中风向标:风向标随风向摆动，它告诉控制系统风的方向，计算机启动偏航电机偏航使叶轮对风控制器:风机控制柜里是一台能控制风机各个部件的计算机，计算机使机舱偏航对风，当风速仪所测风速达到某一定值时，计算机发出命令释放刹车，使叶轮转动!风力机和风力发电技术2.风力发电机组结构目前，风力发电机组中应用最广泛的是异步发电机双馈式风力发电机组和永磁同步电机直接驱动式风力发电机组。双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动发电机，也叫无齿轮风力发电机，没有齿轮箱的直驱式风力发电机。风力发电机组结构双馈式风力发电机组双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，采用双端口馈电，定子绕组，转子绕组都可切割磁感线发电。

发电机定子绕组直接接入电网，转子绕组经变流器后接入电网。由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。转子转速低于同步转速时（亚同步），仅定子发电，转子需从电网吸收无功能量，即励磁高于同步转速时（超同步），定子转子都发电。双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机。

双馈式风力发电机组反馈量是转子电流，双馈指的是观馈电机的定子和转子都可以向电网输送电能，定子直接并网，转子通过变流器向电网输送电能，双馈电机的控制是通过控制转子来使得定子电压可以并网，并以任意功率因数运行，因此控制的是转差功率。

双馈式风力发电机组双馈电机不是双反馈，是双馈电，普通异步发电机是定子发电属于单馈，双馈发电机不仅定子可以发电转子也可以发电所以说是双馈。

双馈式风力发电机组

结构：双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机，主要结构包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统、控制系统等。

双馈式风力发电机组特点：齿轮箱可以将较低的风轮转速转化为较高的发电机转速，使发电机更容易控制，实现稳定的电压、频率输出。

交流励磁变速恒频双馈发电机组允许发电机在同步速上下30%范围内运行，机组控制灵活、方便，变频装置体积小、成本低。双馈式风力发电机组

优点:

1.

控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。

2.无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。

3.

产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。双馈式风力发电机组直驱式永磁风力发电机组采用多极永磁发电机直接连接风力机，不需要齿轮箱增速。

直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上。通过提高发电机极对数（100左右），提高风能利用率，发电机效率。工作原理：转子的转速随风速而改变，输出交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。直驱式永磁风力发电机组

直驱式永磁风力机有轴式结构和盘式结构两种，轴式结构的磁场方向为径向气隙磁通，又分为内转子、外转子等;盘式结构的磁场方向为轴向气隙磁通，又分为中间转子、中间定子、多盘式等。轴式结构盘式结构直驱式永磁风力发电机组内转子式外转子式直驱式永磁风力发电机组直驱永磁风力发电机有以下优点:

1、发电效率高:直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率。

2、可靠性高:直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。

直驱式永磁风力发电机组

3、运行及维护成本低:采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

4、电网接入性能优异:直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。

直驱式永磁风力发电机组半直驱风力发电机采用一级行星齿轮传动并适当增速，兼顾直驱式和双馈式的特点。结构上半直驱与双馈是类似，具有布局形式多样的特点，无主轴结构还具有与直驱相似的外型。与双馈机型比，半直驱的齿轮箱的传动比低；二是与直驱机型比，半直驱的发电机转速高。半直接驱动式风力发电机组半直驱式采用一级行星齿轮传动并适当增速，齿轮传动比小于高传动比的齿轮箱型风力发电机组。

通过单极变速装置提高发电机转速，采用多级永磁同步发电机。

发电机产生的频率不定的交流电经大功率电力电子变流器整流成直流电，在通过逆变器后输入电网。半直接驱动式风力发电机组采用一级或两级增速齿轮箱，多极同步发电机，全容量变流。半直驱风力发电机组多为紧凑型机型,取消低速轴或将低速轴的长度减小，增速箱输出轴与发电机主轴直联，减小机舱重量。半直接驱动式风力发电机组3.风力发电机组的运行方式风力发电机组的工作原理风力发电有三种运行方式:

1.独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电;（独立运行）

2.风力发电并入常规电网运行，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，向电网提供电力。（并网运行）3.风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电;（互补发电）独立运行

独立运行是一种较为简单的运行方式，又称离网型发电机组，根据负载的需求，既可以直流供电，也可以交流供电。

离网型户用风力发电机组是指10kW以下独立运行的、用蓄电池储能的小型风力发电机组。主要解决偏远无电地区用电需求。

水平轴独立运行的风力发电机组由风轮、尾舵、发电机、支架、电缆、充电器、逆变器、蓄电池组成。1.独立运行

独立运行有两种类型：1.配以蓄电池储能的独立运行系统；2.采用负载自动调节的独立运行方式。

独立运行1.1配以蓄电池储能的独立运行系统适用于10kW以下的小型风电机组，特别是1kW以下的微型风电机组普遍采用这种方式向用户供电。对于容量较大的机组(如20kW以上),由于所需的蓄电池容量大，投资高,经济上不是很理想，所以较少采用这种运行方式。

发电机组的电能，经整流后直接供给直流负载，并将多余电能向蓄电池充电，如需交流供电，则经逆变器转换后供给交流负载。

风力机在额定风速下变速运行，超过额定风速后限速运行。1.1配以蓄电池储能的独立运行系统1.2采用负载自动调节的独立运行方式

在不同风速下接入数量不同的负载，使风力发电机的输出功率与负载的吸收功率相匹配，保证更多的获取风能，也能保证机组在安全转速下运行。风力机驱动同步发电机，输出电压通过调节发电机的励磁进行控制，风力机的转速可以通过发电机的输出频率反应，用频率高低决定可调负载的输入和切出。2.并网运行并网运行是指将发电机组发出的电送入电网，从而解决风机发电机不连续及电压和频率不稳定等问题，用电时可直接从电网取回质量可靠的优质电能。10KW以上的的风力发电机组可采用并网运行方式，此类运行方式是克服风的随机性带来的蓄能问题最稳妥的易行方法。并网运行的发电机组由风轮(包括叶片和轮毂)、、增速箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成2.并网运行3.互补运行

互补运行是指两种能源以上组成的供电系统，主要类型有风力—光伏互补发电系统，风力—光伏—柴油互补发电系统。

风力—光伏—柴油互补发电系统特点：1.由两种以上的能源组成的供电系统；2.至少有一种能源相对稳定,才能保证系统供电的连续性和稳定性；3.供电系统的可靠性更高；4.配置更加灵活。3.互补运行3.1风光互补发电系统风光互补，实际上就是风能和太阳能在能量上相互补充，共同给负载供电。

风能资源不论白天还是夜晚都存在，而太阳能资源在白天才有，但由于太阳能相对较为连续稳定，弥补了风能的间歇性特点，而太阳能也弥补了风能在白天的不连续性。

结构：主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成。3.1风光互补发电系统

优点：1.利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；2.在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量；3.可获得较好的社会效益和经济效益。3.1风光互补发电系统风力-柴油互补发电系统的目的是向电网覆盖不到的地区(如海岛、牧区等)提供稳定的不间断的电能，减少柴油的消耗，改善环境污染状况。3.2风力—柴油互补发电系统

基本结构：风力发电机，柴油发电机，控制器，蓄能装置。由于各地区的风能资源及负荷情况不同，有多种不同结构型式的风力-柴油互补发电系统，但基本结构一致。基本结构3.2风力—柴油互补发电系统由风力机驱动异步发电机，柴油机驱动同步发电机，两者同时运转，并联后向负荷供电。风柴互补并联运行优点：1.结构简单2.可连续供电3.可靠性高缺点：柴油发电机需不停的运转，柴油的消耗增大。风柴互补并联运行

结构：风力发电机，柴油发电机，离合器，双向逆变器，蓄电池组等。与基本型的风力-柴油发电并联系统不同点:1.在系统组成中增加了蓄能电池及与之串联的双向逆变器;2.在柴油机与同步发电机之间装有一个电磁离合器。带蓄电池组的风力-柴油发电机并联系统：风柴互补并联运行带蓄电池组的风力-柴油发电机并联系统：当风力较强时，风力发电和柴油发电并联运行，多余的电能可以向蓄电池组充电，风力很强时柴油机退出，风力发电机单独向负载供电，期间蓄电池组可短时间投入运行，弥补风力的不足；风力减弱后，柴油发电机投入运行，风力发电和柴油发电并联运行，两种状态可自动转换，不需要柴油发电机连续运行。风柴互补并联运行优点：1.节油效果较好2.柴油机启停次数也可减少缺点:投资高，发电成本及电价皆比常规柴油发电要高带蓄电池组的风力-柴油发电机并联系统：风力—柴油发电交替运行是指风力发电机和柴油发电机交替运行向负载供电，两者在电路上无联系，他根据风力的变化实行负载控制。风柴互补交替运行将用户等级分为优先、一般、次要三个等级，首先保证优先级供应电能，其他两级只是在风力较强时提供电能，当风力较弱，无法保证优先级供电时，则退出风力发电机，投入柴油发电机，当风力发电足以提供优先级供电时，风力发电机自启投入运行，柴油发电机退出运行。风柴互补交替运行优点：柴油消耗少缺点：交替运行过程中造成供电的短时中断风柴互补交替运行风力—柴油发电集成运行就是将同步风力发电机发出的变频交流电进行交流（AC）—直流（DC）—交流（AC）变换，获得恒频恒压交流电，再与同步发电机并联，向负载供电。风柴互补集成运行结构：风力发电机，柴油发电机，整流器，蓄电池逆变器等。风柴互补集成运行优点：风力机可以在变速下运行，因而可以更有效地利用风能，系统中的AC-DC-AC装置可以实现恒频恒压输出及平抑功率起伏的作用。缺点：AC-DC-AC装置中的电力电子器件的费用较高，特别当风力发电机的容量增大时，AC-DC-AC及蓄电池的容量也将随之增大，使造价增高。风柴互补集成运行4.典型风力发电机组的控制典型风力发电机组的控制风力发电机组的基本控制：

工作状态：运行状态、暂停状态、停机状态、紧急停机状态

启动方式：自启动、本地启动、远程启动

停关机方式：正常关机、紧停机

功率过高和过低的控制：功率过高、功率过低风力发电机组的基本控制工作状态控制运行状态暂停状态停机状态紧急停机状态风力发电机组的基本控制启动方式控制自启动自检、复位、建压、启动本地启动有优先权远程启动是否允许启动风力发电机组的基本控制停关机控制正常关机紧急停机以外的停机紧急停机安全链动作风力发电机组的基本控制功率过高或过低控制功率过高功率过低1.根据风速信号自动进行启动、并网或从电网切出。2.根据风向信号自动对风。3.根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。4.脱网时保证机组安全停机。5.运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录,异常情况判断及处理。风力发电系统基本控制功能

1.各种反馈信号的检测2.增速器油温控制3.发电机温升控制4.功率过高或过低处理5.风力发电机组退出电网风力发电系统基本控制功能定桨距风力发电机组的特点1、风轮结构主要特点:桨叶与轮毂的连接是固定的,桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。需解决的问题:高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近(失速特性)脱网(突甩负荷)时桨叶自身具备制动能力添加了叶尖扰流器,降低机械刹车结构强度一.定浆距风力发电机组控制系统2、桨叶的失速调节原理

因桨叶的安装角不变,风速增加→升力增加→升力变缓→升力下降→阻力增加→叶片失速叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加,根部先进入失速,随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少,未失速部分功率仍在增加,使功率保持在额定功率附近。一.定浆距风力发电机组控制系统一.定浆距风力发电机组控制系统定浆距失速调节性风力发电机组的优点：1.失速调节由叶片本身完成2.简单可靠3.风速引起的输出功率变化只通过叶片的被动失速调节