风力发电机(培训课件)

风力发电技术培训北京国华爱地风电运行维护技术服务有限公司二00九年十二月•风力发电的理论依据•能量守恒定律•动能:物体由于运动而具有的能量。•势能:物体由于被举高而具有的能量。动能的转化•动能公式：P=1/2mV²•势能公式：E＝mgh与风力发电机组（动能）功率有关的因数•V1-风速•P-风轮捕获的风能（功率）•ρ-空气密度•S-叶轮扫掠面积•Cp-为风能利用系数（贝兹极限，理论值为0.592）•λ-叶尖速比•β-桨距角何谓角速度•角速度:连接运动质点和圆心的半径在单位时间内转过的弧度叫做“角速度”。角速度的单位是弧度/秒，读作弧度每秒。它是描述物体转动或一质点绕另一质点转动的快慢和转动方向的物理量。物体运动角位移的时间变化率叫瞬时角速度（亦称即时角速度），单位是弧度/秒，方向用右手螺旋定则决定。对于匀速圆周运动，角速度ω是一个恒量，可用运动物体与圆心联线所转过的角位移Δθ和所对应的时间ΔT之比表示ω＝△θ／△T何谓线速度•线速度:刚体上任一点对定轴作圆周运动时的速度称为“线速度”。它的一般定义是质点（或物体上各点）作曲线运动（包括圆周运动）时所具有的即时速度。它的方向沿运动轨道的切线方向，故又称切向速度。它是描述作曲线运动的质点运动快慢和方向的物理量。物体上各点作曲线运动时所具有的即时速度，其方向沿运动轨道的切线方向。在匀速圆周运动中，线速度的大小等于运动质点通过的弧长（S）和通过这段弧长所用的时间（△T）的比值。即V=S/△T，在匀速圆周运动中，线速度的大小虽不改变，但它的方向时刻在改变。它和角速度的关系是V=ωR。线速度的单位是米/秒。风力发电机组的控制策略变速恒频变桨控制的理论依据Cp、β、λ的关系曲线βββ关键控制策略之一•围绕如何控制风力发电机组的Cp值完成对机组的吸收风能的调整控制•通过控制β和电机转速ωr都可改变风机吸收的风能。由空气动力学的相关知识可知，Cp最大可达59.3%，称为贝兹极限。从图中看出Cp与λ，β的关系曲线。当β一定时，Cp存在最大值Cpmax，控制电机转速ωr，使λ达到最优，可实现风机的输出功率最大化；当β变化时，Cpmax也相应变化。理想状态下，β=0°对应最大Cpmax，实际系统中，由于桨叶中杂质和气流等的影响，最优β值一般在0°附近，可通过现场调试获得。特性曲线•1)对于某一固定桨距角β，存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax，对应一个最佳叶尖速比λ；•(2)对于任意的叶尖速比λ，桨距角β=0°时的风能利用系数Cp相对最大。桨距角β=89°时的风能利用系数Cp最小。•以上两点即为变速恒频变桨距控制的理论依据：在风速低于额定风速时，桨叶节距角β=0°，通过变速恒频装置，风速变化时改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在Cpmax，捕获最大风能；在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而减少叶轮输入功率，使发电机输出功率稳定在额定功率。•在风速小于切入风速时，机组不产生电能，桨距角保持在90°；在风速高于切入风速后，桨距角转到0°，机组开始并网发电，并通过控制变频器调节发电机励磁电流（电磁转矩）使风轮转速跟随风速变化，捕获最大风能，使风能利用系数保持最大；在风速超过额定值后，变桨机构开始动作，增大桨距角，减少叶轮的风能捕获，降低风能利用系数Cp值，使发电机的输出功率稳定在额定值；在风速大于切除风速时，桨距角变到90°，机组停机，以保护机组不被大风损坏。双馈风力发电机控制基本原理双馈风力发电机结构原理示意图变频器变速恒频发电机叶轮fr•变速恒频风力发电系统结构框图中，省略了变压器、滤波器等构件。其定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系•f1=fr±f2=——±f2np60•式中f1为定子电流频率，n1为转子转速，p为电机的极对数；f2为转子励磁电流的频率。•当发电机的转速n1小于定子旋转磁场的同步转速n2时，处于亚同步运行状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，定子发出电能给电网，式中f2取正号；当n1大于n2，时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流动。•式中f2取负号；当n1等于n2时，处于同步运行状态，此时发电机作为同步电机运行，f2=0，变频器向转子提供直流励磁。•图中的变频器必须能够满足交流励磁发电机的运行要求，实现转差功率在发电机转子与电网间的双向流动。•由公式可知，当发电机转速n1变化时，若控制转子供电频率相应变化，可使其保持恒定不变，始终与电网频率保持一致，就实现了变速恒频控制。•这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理变浆变频技术关键点•变桨矩的目的是为了在任何风速下保持风力发电机获得最大Cp值，提高不同风速下的平均Cp值，而不是追求Cp的极限值。•追求最佳叶尖速比和最大风能捕获能力•通过变流变频技术，双向调整励磁电流和频率，使发电机的频率始终与电网保持一致。变速恒频发电机控制模型图变速恒频发电机控制示意图变频器主回路变频器关键器件简介•绝缘栅双极晶体管：IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）•金属氧化物半导体场效应晶体管：MOSFET（metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor）•绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管。IGBT特点•①使用脉宽调制（PWM）获得正弦形转子电流，发电机不会产生低次谐波转矩，改善了谐波性能。②有功功率和无功功率的控制更为方便。•③大功率IGBT很容易驱动。•④IGBT有很好的电流共享特性，这对于要达到风力发电机所需的功率水平，进行并联使用是非常必要。•⑤开关时间短，导通时间不到1毫秒，关断时间小于6毫秒，使得管子功耗小。导通角为0度到90度。•⑥目前单管容量已经较大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件，可以在6kV电压下控制1.2kA电流，FZ3600R12KE3等低电压器件，可以在1.2kV电压下开关3.6kA电流。IGBT的优势•发电机控制系统除了控制发电机“获取最大能量”外，还要使发电机向电网提供高品质的电能。因此发电机通过IGPT控制系统可获得：①尽可能产生较低的谐波电流，②能够控制功率因数，③使发电机输出电压适应电网电压的变化，④向电网提供稳定的功率•这就是IGBT在风力发电机组控制系统所起到的关键作用。知识点串联•能量守恒理论•风能（动能）•功率曲线•叶速比•Cp控制：变浆、偏航•变流器控制：双向可控•双馈变速恒频控制谢谢大家！