双馈风力发电机及控制原理

•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-112009-4-1双馈风力发电机及控制原理2009年8月北京清能华福风电技术有限公司•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-122009-4-1双馈风力发电机及控制原理•主要内容–风力发电简介–双馈电机原理–双馈电机控制策略•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-132009-4-1一、风力发电简介•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-142009-4-1风力发电简介•中国风电场分布图（截止2007年年底）•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-152009-4-1风力发电简介•中国风电市场发展–电机、齿轮箱、叶片等设备已实现国产化；–电控系统国产化程度低，被国外设备占据。0200400600800100012001400199719981999200020012002200320042005200620072008年份装机容量/万千瓦1997-2008年中国风力发电总装机容量（除台湾省）•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-162009-4-1风力发电简介•风电机组分类–按风轮机类型分(风能到机械能)•水平轴、垂直轴•定桨距、变桨距•单叶片、双叶片、三叶片、多叶片•定速型、变速型–按发电机类型分(机械能到电能)•鼠笼式•绕线式•同步/永磁式•其他新型电机（开关磁阻电机、横向磁场电机、高压电机）•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-172009-4-1风力发电简介•不同类型的风机水平轴风机垂直轴风机永磁直驱型风机•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-182009-4-1风力发电简介•风力发电技术的进展2010198020001990100806040200风轮直径m◎刚性结构◎三桨叶上风布局，主动偏航，定速控制◎叶尖刹车或全桨距控制◎玻璃钢桨叶◎齿轮传动，大小两台感应电机◎塔架或者塔筒结构◎50－300KW，15－30M风轮直径◎变速或定速运行◎特殊桨叶设计—NREL◎功率调节和桨角控制◎行星齿轮传动◎感应电机◎300－750KW，30－50M风轮直径◎更大的机组容量◎变速或定速运行◎更先进的桨叶材料和制造工艺◎负载和轮毂的反馈控制◎高效的电力电子设备◎低速直驱型发电机◎更加柔性的结构1.5MW机组的商业化运行5MW750KW500KW300KW100KW50KW1.8MW•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-192009-4-1风力发电简介•定速到变速的原因–追求最大的风能捕获–减小机组的机械应力风能利用系数与叶尖速比的关系最大功率点跟踪•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1102009-4-1风力发电简介•基于鼠笼式异步电机的风电机组变速箱鼠笼式电机无功补偿电容电网变速箱鼠笼式电机无功补偿电容电网变速箱鼠笼式电机无功补偿电容电网滤波器变速箱鼠笼式电机电网滤波器变速箱无刷双馈电机电网滤波器(a)(b)(c)(d)(e)•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1112009-4-1风力发电简介•基于绕线式电机的风电机组变速箱绕线电机电网变速箱绕线电机电网变速箱绕线电机电网(a)变速箱绕线电机电网滤波器(b)(c)(d)•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1122009-4-1风力发电简介•双馈机型的优、缺点–优点：•气动效率高，机械应力小，功率波动小•功率变换设备成本低–缺点：•电机滑环、齿轮箱等设备维护量大•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1132009-4-1风力发电简介•基于同步电机的风电机组（直驱机型）同步电机电网电网同步电机(a)(b)•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1142009-4-1风力发电简介•直驱型机组优、缺点–优点：•不需要齿轮箱，维护量小•永磁同步机组效率高–缺点：•技术不成熟•全功率变流器，成本高同步电机电网电网同步电机(a)(b)•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1152009-4-1•水平轴风力发电机的结构和组成风力发电简介•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1162009-4-1二、双馈电机原理•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1172009-4-1双馈电机原理•电机的分类–变压器–直流电机–同步电机–异步电机•鼠笼式•绕线式–……•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1182009-4-1双馈电机原理•异步电机运行方式–转差功率全部损耗•定子调压、转子串电阻–最优转差功率•定子变频运行–转差功率回馈（双馈运行模式）•静止Kramer(单向)、静止Scherbius(双向)•双馈电机是由绕线式电机与变流器共同组成的一种电机运行系统。sPmPrP•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1192009-4-1双馈电机原理•双馈电机系统结构–静止Kramer结构•转差功率单向流动•定子侧励磁•转速范围窄–静止Scherbius结构•转差功率双向流动•转子侧励磁•转速范围宽•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1202009-4-1双馈电机原理•异步电机运行方式–异步电机等效电路RsLlsLmRmRr’Llr’RsLlsLmRmRr’/sLlr’UsRsLlsLmRmRr’/sLlr’UsUr’/s普通异步运行模式双馈运行模式•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1212009-4-1双馈电机原理•不同工况下双馈电机的能量关系A、超同步速发电c、亚同步速发电B、超同步速电动D、亚同步速电动1100s0s0ssPssP1ssP1ssPabcdeTsP1ssPssP1ssP0s1ssP1ssPssPssP1ssP1ssPsPsP发电机运行电动机运行超同步运行亚同步运行•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1222009-4-1双馈电机原理•普通异步电机运行工况电阻电阻1100ssPssP1ssP1ssPadeT0s1ssPssP1ssPsP发电机运行电动机运行超同步运行亚同步运行A、超同步速发电D、亚同步速电动•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1232009-4-1双馈电机原理•双馈电机工作原理–双馈电机是一种交流励磁的电机；–同步电机是双馈电机的一种特例。电机类型同步电机双馈电机励磁方式转子绕组直流励磁转子绕组交流励磁气隙磁场转速转子转速转子转速+转子励磁电流频率功角与转子惯性相关（机械）由转子励磁器调节（电气）转子转速固定（与电网频率同步）同步速上下一定转速范围转子绕组仅有一个d轴励磁绕组等效存在两个可控励磁绕组•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1242009-4-1双馈电机原理•双馈电机与普通绕线电机设计上的不同电机类型双馈风力发电机普通绕线电机转子绝缘变流器驱动，要求高正弦电压供电，要求低散热要求在整个转速运行范围内，轴带风扇风量与风机功率曲线相匹配，设计难度大。轴带风扇转速固定，风量容易控制，散热简单。系统参数匹配需要考虑与双馈变流器的参数匹配，如转子堵转开路电压，互感参数，漏感参数等。系统配合要求较低。•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1252009-4-1双馈电机原理•双馈电机与双馈变流器的参数匹配–双馈系统主要参数•电网电压等级-变流器电压容量•变流器电压容量+转速运行范围-转子开路电压•系统功率等级+转速运行范围+电机互感-变流器电流容量–新的要求•故障穿越-降低转子开路电压，提高变流器电流容量，增大电机机械强度。•无功功率支持-提高变流器电流容量，改善电机散热。•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1262009-4-1三、双馈电机控制策略•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-1272009-4-1双馈电机控制策略•常用的控制策略–转子侧变流器控制双馈电机运行•矢量控制•直接转矩控制–网侧变流器稳定直流环节电压•矢量控制双馈电机电网滤波器转子侧变流器直流环节网侧变流器•ClicktoeditMastertextstyles•Secondlevel•Thirdlevel•Fourthlevel•Fifthlevel2009-4-