风力发电机组简介

风力发电机组构成与机组简介1.风电机组构成风力发电机组主要由风力机、传动装置、发电机、控制系统等部分组成。风力机齿轮箱双馈发电机变流器电抗器主开关变压器电网变流控制器主控制器电压电流检测风速仪变桨执行机构转速检测变速变桨距控制双馈风力发电机组的构成风力机是风力发电机组的重要部件，风以一定的风速和攻角作用在风力机的桨叶上，使风轮受到旋转力矩的作用而旋转，同时将风能转化为机械能来驱动发电机旋转。有定桨距和变桨距风力机之分。风力机的转速很低，一般在十几r/min~几十r/min范围内，需要经过传动装置升速后，才能驱动发电机运行。直驱式低速风力发电机组可以由风力机直接驱动发电机旋转，省去中间的传动机构，显著提高了风电转换效率，同时降低了噪声和维护费用，也提高了风力发电系统运行的可靠性。发电机的任务是将风力机轴上输出的机械能转换成电能。发电机的选型与风力机类型以及控制系统直接相关。目前，风力发电机广泛采用感应发电机、双馈（绕线转子）感应发电机和同步发电机。对于定桨距风力机，系统采用恒频恒速控制时，应选用感应发电机，为提高风电转换效率，感应发电机常采用双速型。对于变桨距风力机，系统采用变速恒频控制时，应选用双馈（绕线转子）感应发电机或同步发电机。同步发电机中，一般采用永磁同步发电机，为降低控制成本，提高系统的控制性能，也可采用混合励磁（既有电励磁又有永磁）同步发电机。对于直驱式风力发电机组，一般采用低速（多级）永磁同步发电机。控制系统由各种传感器、控制器以及各种执行机构等组成。风力发电机组的控制系统一般以PLC为核心，包括硬件系统和软件系统。传感信号表明了风力发电机组目前运行的状态，当与机组的给定状态不相一致时，经过PLC的适当运算和处理后，由控制器发出控制指令，是系统能够在给定的状态下运行，从而完成各种控制功能。主要的控制功能有：变桨距控制、失速控制、发电机转矩控制以及偏航控制等。控制的执行机构可以采用电动执行机构，也可能采用液压执行机构。目前，风力发电机组主要有恒速恒频控制和变速恒频控制这两种系统控制方式。前者采用“恒速风力机+感应发电机”，常采用定桨距失速调节或者主动失速调节来实现功率控制。后者采用“变速风力机+变速发电机”，在额定风速以下时，控制发电机的转矩，使系统转速跟随风速变化，以保持最佳叶尖速比，以便最大限度地捕获风能；在额定风速以上时，采用变速与变桨距双重控制，以便限制风力机所获取的风能，从而保证发电机恒功率输出。控制系统还应具有各种保护功能，是风力发电机组发生危险或故障时，能够快速报警并迅速转换为安全状态。中大型风力发电机组一般与电网并联运行，小型风力发电机组可以单机运行也可以并网运行，单击运行时一般采用蓄电池储能。传动系统是指从主轴到发电机轴之间的主传动链，包括主轴及主轴承、齿轮箱、联轴器等，其功能是将风力机的动力传递给发电机。主轴即风轮的转轴，用于支承风轮，并将风轮产生的扭矩传递给齿轮箱或发电机，将风轮产生的推力传递给机舱底座和塔架。齿轮箱位于风轮和发电机之间，是传动系统的关键部件，风电机组通过齿轮箱将风轮的低速变换成发电机所要求的高转速，同时将风轮产生的扭矩传递给发电机。偏航系统主要用于风轮对风，是风轮能够最大限度的将风能转换成轴上的机械能。大中型风电机组都需要设置偏航系统。偏航系统设置在机舱底座与塔架之间，由偏航驱动装置为偏航运动提供动力，偏航驱动装置大多采用电动式，也可采用液压式结构。偏航传感器用来采集和记录偏航位置，当偏航角度达到设定值时，控制器将自动启动解缆程序。解缆操作是偏航系统的另一个功能。风电机组的电力电缆和通信电缆需要从机舱通过塔架最终连接到地面的控制柜上，由于偏航系统需要经常进行对风操作，将引起电缆的扭转。当在一个方向上扭缆严重时，机组就需要停机并进行解缆操作。变距系统是指通过调节桨距角来限制风轮转速的控制系统，主要用于大中型风力机在额定风速以上时的恒功率控制，可分为电动变距系统和电动-液压变距驱动系统两种。对于定桨距风力机，无法利用变桨来实现风轮的转速控制，国内外研究许多限速装置，归纳起来有三类：①通过减少风轮迎风面积来实现限速；②通过改变叶片翼型攻角值来实现限速；③利用空气在风轮圆周切线方向的阻力等来实现对风轮转速的限制。风力机长年累月在野外运转，工作条件恶劣。风力机一些重要工作部件多数集中在塔架的上端，组成了机头。为了保护这些部件，用罩壳把它们密封起来，此罩壳称为机舱。塔架用于把这些部件举到设计高度处运行，主要承受两个载荷：一是风力机机头的重力；二是风吹向风轮等部件的推力。塔架的最低高度可按此式考虑：H=h+C+R。式中，h为接近风力机的障碍物高度；C为由障碍物顶点到风轮扫掠面最低点的距离，常取C=1.5~2.0m；R为风轮半径。2.运行方式风力发电机组的运行方式有三种：单击运行方式、组合运行方式和并网运行方式。2.1.单击运行方式单机运行的风力发电机常常为10kW以下的小型风力发电机。在偏僻的山区、牧区、海岛以及防哨所、导航灯塔、气象站等电网覆盖不到的地方，可以采用单机运行的风力发电机供电。不并入电网单机运行的风力发电机又称为离网型风力发电机。由于风速的随机性，单机运行时，风力发电机输出的电压和功率也在随机变化，这种电能难以直接使用，常常将其先储存在蓄电池中，然后再加以利用。蓄电池可以直接带直流负荷，也可以逆变成为交流电后，给交流负荷供电。2.2.组合运行方式组合运行方式是指风力发电机与其他发电形式组合起来，构成一个较稳定供电系统的一种互补运行方式，也是一种离网运行方式。主要有风力-柴油发电组合运行方式和风力-太阳能发电组合运行方式。风力-柴油发电组合，弥补了风力发电的不稳定性，构成一个较为稳定的离网型供电系统，有独立切换运行和并联运行这两种运行方式。风力-太阳能发电组合运行方式，可以构成一个能量互补系统，提高了供电的可靠性，有独立切换运行和并列运行两种方式。2.3.并网运行方式并网运行就是风力发电机与电网并联运行，是一种最简捷、最有效的储能方式。目前，并网运行已经成为风力发电机组的主要运行方式。风力发电机组的并网过程都要经过起动、投入并网和并网运行这几个阶段。在起动阶段，风电机组的转速将从静止上升到切入转速。只要风速达到起动风速，风力机就可以顺利启动。当发电机转速达到切入转速时，即可按照规定的程序进行投入电网的操作。发电机顺利并网后即进入并网运行阶段，在这一阶段，风电机组将风能转换成电能输出给电网。3.机组简介3.1.小型风力发电机组利用风能发电，许多国家往往首先研制和推广小型风电机组。目前，一些发展中国家仍然对小型风电机组有较大的需求，但工业发达国家已经很少生产小型风电机组，而主要生产大、中型风力发电机组，并已经商品化。我国微、小型风力发电机有11个型号。它们的共同特点是采用玻璃钢叶片，上风式，利用尾舵对风向，利用调节风轮迎风面积来调节转速，一般用蓄电池储存电能，以备无风时供电。3.2.中型风力发电机组丹麦是世界上最早利用风能发电的国家，经过不断地努力研究、发展，丹麦中型风力发电机发展快、技术成熟。我国中型风力发电机起步较晚，始于20世纪80年代，至20世纪末的近20年的时间，先后研制过18kW，30~55kW，75kW的中型风力发电机和200kW的大型风力发电机。1997年，沈阳工业大学研制了75kW微机自控的中型风力发电机安装在辽宁省丹东市大鹿岛的风力机械试验场上，并网发电。该机主要特点是实现了微机自控，这是中国中型风力发电机首次实现自己设计、生产的微机自控的中型风力发电机。美国和加拿大一直在深入研究垂直轴达里厄风力发电机。美国政府委托桑迪亚研究所（Sandia）研究垂直轴风力发电机。全世界只有加拿大和美国在垂直轴风力发电机方面取得了进展。3.3.大型风力发电机目前，风力发电机正在向大容量方向发展，国际上单机容量已经达到5MW。在大型风力发电机的设计和制造方面，我国正在奋起直追，已经可以批量生产1.5MW级双馈型和直驱型风力发电机，3.0MW双馈型风力发电机也已经下线，目前，已经开始研制5.0MW级风力发电机。4.风力发电机的分类目前，风力发电机广泛采用感应发电机、双馈（绕线转子）感应发电机和同步发电机，直流风力发电机已经很少应用。发电机的选型与风力机类型以及控制系统直接相关。风力发电机的分类如下图2所示：风力发电机笼型感应发电机恒速感应发电机单绕组双速感应发电机双绕组双速感应发电机同步发电机双馈（绕线转子）感应发电机直流发电机永磁同步发电机电励磁同步发电机混合励磁发电机图2风力发电机的分类4.1.定桨距风电机组与笼型感应发电机所谓定桨距就是风力机风轮的桨叶与轮毂之间为刚性连接，桨叶的迎风角度不能随风速的变化而变化。定桨距风电机组由于结构简单、控制方便而得到了广泛应用。定桨矩风电机组需要配套的发电机具有恒转速的特性，并网运行的感应发电机能够满足这一要求。采用感应发电机并网运行具有以下优点：笼型感应发电机的结构简单、价格便宜；不需要严格的并网装置，可以较容易地与电网连接；感应发电机并网运行时，转速近似是恒定的，但允许在一定范围内变化，因此可以吸收瞬时阵风能量。主要缺点是：需要从电网吸收感性无功电流来励磁，加重了电网对感性无功功率的负担，因此，需要对感应发电机进行无功补偿。如果采用电力电容器作功率因数补偿，，则需要经过精心的计算，否则存在发生谐振的可能，那是相当危险的。为了充分利用低风速区域的风能，提高风能-机械能转换效率，笼型感应发电机常采用双速型，可以是双绕组双速型，也可以是单绕组双速型。所谓双绕组双速型，就是在定子铁心槽中嵌放两套相互独立的绕组，一套为4极绕组，另一套为6极绕组，在高风速区域，发电机在4极下运行，发电机输出的功率较大；在低风速区域，发电机在6极下运行，发电机输出的功率较小。所谓单绕组双速就是在定子铁心中只嵌放一套绕组，构成一种极数的感应发电机，但是，当按照一定规律将其中一半线圈反向，而线圈在电机槽中的空间位置原封不动，就可以使这套绕组变成另一种极数的发电机。双速型发电机的转子均为笼型绕组，因为笼型绕组的极数是不固定的，能够随定子极数的改变而改变，当定子绕组进行极数切换时，转子的极数也随之自动进行了切换。风力感应发电机的基本运行状态如下表1所示：表1感应电机的基本运行状态项目电动机运行状态同步运行发电机运行状态转速n0n0nn=0nn0n转差率s1s0s=0s0能量转换电能转为机械能电磁功率=0机械能转为电能电磁转矩性质驱动性质电磁转矩=0制动性质感应发电机的输出功率与转差率之间的关系如下图3所示：00.51.0-0.05-0.10.050.1-0.5-1.0电动状态发电状态AP/PNS图3感应发电机的功率-转差率特性可以看出，感应发电机的正常运行范围基本上是在OA范围内，在A点附近达到最大值后，随着转差率的增大，输出功率明显下降，这是因为发电机的无功电流和内部损耗增加得更快，使输出电功率不增反降。4.2.变速恒频风电机组与同步发电机相对于感应发电机来说，同步发电机的明显优越在：(1)感应发电机需要进行无功补偿，而同步发电机可以通过调节励磁来调节功率因数，功率因数可以等于1，也可以超前，甚至可以专门做调相机使用。(2)感应发电机的效率较低，除了励磁损耗较大之外i，转差率较大时转子的转差损耗很大；而同步发电机的励磁损耗很小，特别是采用永磁体励磁时更是省去了励磁损耗，使发电机的效率明显提高。(3)作为并网运行的发电机，感应发电机供电质量的可控性不如同步发电机，如感应发电机的励磁电流不能调节，而同步发电机通过调节励磁电流可以实现电压调节、无功功率调节、强励等功能。同步发电机直接并网运行时，转速必须严格保持在同步转速，否则就会引起发电机的电磁振荡甚至失步，同步发电机的并网技术也比感应发电机的要求严格得多。然而，由于风速的随机性，使发电机轴上输入的机械转矩很不稳定，风轮的巨大惯性也使发电机的恒速恒频控制十分困难，并网后经常发生无功振荡和失步等事故。这就是长时间以来风力发电中很少应用同步发电机的原因。近年来，直驱式风力发电机组的应用日趋广泛，采用的