风力发电机分类及特点

风力发电机分类及特点李少龙2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院了解风力发电机的分类双馈式和直驱式风力发电机介绍2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院按照风轮形式分类（1）垂直轴风力发电机组垂直轴风轮按形成转矩的机理分为阻力型和升力型。阻力型的气动力效率远小于升力型，故当今大型并网型垂直轴风力机的风轮全部为升力型。阻力型的风轮转矩是由两边物体阻力不同形成的，其典型代表是风杯，大型风力机不用。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院风杯式风力机风轮的轴垂直于地面安装，是垂直轴风力机，任何方向的水平风力都可以使它旋转，下图为四个风杯的风力机。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院升力型的风轮转矩由叶片的升力提供，是垂直轴风力发电机的主流，尤其是风轮像打蛋形的最流行，当这种风轮叶片的主导载荷是离心力时，叶片只有轴向力而没有弯矩，叶片结构最轻。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院水平轴（风轮）风力发电机组，是指风轮轴线基本与地面平行安置在垂直地面的塔架上。水平轴风力发电机机舱里主要设备有主传动轴、齿轮箱、发电机、刹车装置、机架、控制设备等。水平轴风力机的风轮转轴与风向平行，其风能利用系数高，技术非常成熟，水平轴风力发电机是目前应用最广泛的风力发电机。水平轴风力发电机组2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院水平风力发电机机舱结构与设备布置图2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院大型风力机的管柱型塔架主要采用钢筋混凝土结构或钢结构，但钢塔架运输困难，可现场制作的混凝土塔架用得越来越多。塔架内敷设有发电机的电力电缆、控制信号电缆等，塔底有塔门，塔架内分若干层，层间有直梯便于人员上下。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院荷兰风车2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院按照有无齿轮箱分类目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网。直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院双馈式风力发电机有齿轮箱风力发电机采用变速运行可使风力机最大限度的吸收风能，提高风力机运行效率，大容量的变速恒频风力发电系统是风力发电技术的主流方向，采用双馈异步发电机的变速恒频风力发电机组仍是目前的主流机型。双馈式风力发电机组的优点是：采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小。双馈式风力发电机组的缺点是：为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院双馈式风力发电机基本结构图双馈风力发电机一般采用4极或6极，2MW以下的发电机多采用4极，2MW以上的发电机多采用6极，本节介绍的是4极发电机，定子铁心与转子铁心都由硅钢片叠成，图1是定子铁心与转子铁心的冲片。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院在定子铁芯的槽内嵌放着三相交流绕组，三相绕组按4极绕制，连接成星形，下图是嵌有三相绕组的定子。当绕组接入三相交流电源就可在定子内产生旋转磁场。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院定子固定在机座内，机座外壳上有通风孔，便于电机散热2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院在转轴上安装三个集电环，三个集电环之间，环与转轴之间都是互相绝缘的，转子绕组的三根引出端线通过转轴的凹槽连接到三个集电滑环上。在转轴上安装两个轴流风扇用于发电机散热，发电机整个旋转部分（转子）。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院双馈异步发电机剖视图2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院双馈感应发电机组是具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电机（DFIG），定子接入电网，转子通过电力电子变换器与电网相连，如下图所示。在风力发电中采用交流励磁双馈风力发电方案，可以获得以下优越的性能：(1)调节励磁电流的频率可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求，即变速恒频运行。这样可以从能量最大利用等角度去调节转速，提高发电机组的经济效益。(2)调节励磁电流的有功分量和无功分量，可以独立调节发电机的有功功率和无功功率。这样不但可以调节电网的功率因数，补偿电网的无功需求，还可以提高电力系统的静态和动态性能。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院(3)由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。(4)由于控制方案是在转子电路实现的，而流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，它仅仅是额定功率的一小部分，这样就大大降低了变频器的容量，减少了变频器的成本。齿轮箱电网DFIG转子侧变换器网侧变换器双馈式变速恒频风力发电系统结构框图2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院直驱型风力发电机无齿轮箱直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。直驱式风力发电系统大多都使用永磁同步发电机发电，无需励磁控制，电机运行速度范围宽、电机功率密度高、体积小。随着永磁材料价格的持续下降、永磁材料性能的提高以及新的永磁材料的出现，在大、中、小功率、高可靠性、宽变速范围的发电系统中应用的越来越广泛。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院直接驱动式变速恒频（DDVSCF）风力发电系统框图如图所示，风轮与同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率、幅值均变化的三相交流电，经过整流之后变为直流，然后通过逆变器变换为恒幅恒频的三相交流电并入电网。通过中间电力电子变流器环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院永磁同步发电机电容电网风力机整流器逆变器直接驱动式风力发电系统框图2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院缺点是：由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。直驱风力发电机的优点是：1）由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。2）最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。3）运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。4）采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。5）采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院直驱式永磁风力发电机基本结构图把绕好线圈的定子安装在机座的机架上，为显示转子结构将定子剖去一部分。2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院把装有永久磁极的内转子安装在机座的转轴上2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院双馈型风力发电机和直驱型风力发电机的特性比较机型和特性双馈型风力发机组永磁直驱风力发电机组统维护成本较高（齿轮箱故障多）低系统价格中高系统效率较高高电控系统体积中较大变流其容量全功率的1/3全功率变流变流系统稳定性中高电机滑环半年换碳刷，两年换滑环无碳刷，滑环电机重量轻重电机种类励磁永磁，设计时要考虑永磁体退磁问题2020/2/25课件第三章风力发电电气工程与自动化学院在目前风力发电机中，直驱式风力发电机用的越来越多,在中小型风力发电机（包括垂直轴风力发电机）都有应用，目前世界上最大的水平轴风力发电机就是直驱式的。