15:40
25
总体方案和原理概述
• 变频器具有以下特点：
– 系统元件按20年使用寿命设计。系统可在恒定的转矩 或功率下工作，突变转矩和作用在机械部件上的合力 被有效地减到最小，因此使用寿命更长。
– 变频器可以通过控制柜上的按钮、PC机或者自动控制 系统来操作。当发出启动信号时，变频器可在设定的 速度范围内自动运行或者由PLC控制系统根据输入参数 控制变频器自动运行。
变后发电的结构型式，其中鼠笼型异步发电机因需要交流励磁装置供 电，造成功率因数下降。双馈感应发电机（DFIG）具有功率因数可 调、效率高、变频装置容量小、投资小、增强电网稳定性等优点。在 电网发生扰动时，双馈电机系统可以通过快速改变转子侧频率的方法 来迅速改变转速，充分利用转子动能，以达到释放或吸收能量，补偿 电网扰动的目的。 • 表1发电机的主要技术参数。
• 采用交－直－交电压型强迫换流变频器
• 采用交－交变频器
• 采用脉宽调制（PWM）控制的由IGBT组成的变频器
15:40
12
并网运行
变速风力机驱动双馈异步发电机系统优越性
1. 这种变速恒频发电系统有能力控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化，因 此可以实现优化风力机叶片的变距调节，也就是可以减少风力机叶片桨距的调节次 数，这对桨距调节机构是有利的。
22
总体方案和原理概述
• 风机PLC控制其中采用优化的控制算法，能 实现：
– 在不同风轮速度下，实现最佳的cp跟踪。 – 防止功率下降。 – 变桨角度/发电机转矩互动控制。 – 在高温或微小故障时通过减少输出功率来提高
可利用率。 – 改善功率曲线性能。 – 智能的自动复位功能。
15:40
23
总体方案和原理概述
2. 避免了齿轮箱部件的维修及更换，不需要齿轮箱润滑油以及对油温的监控，因而 提高了投资的有效性。
3. 由于发电机具有大的表面，散热条件更有利，可以使发电机运行时的温升降低， 减小发电机温升的起伏。
15:40
16
并网运行
变速风力机经滑差连接器驱动同步发电机与电网并联
15:40
17
并网运行
变速风力机经滑差连接器驱动同步发电机与电网并联
风力发电机组系统学习 之
电气系统概述
1
电气概述
• 风力发电系统的构成及运行分析 • 整机控制系统总体方案和原理概述
15:40
2
风力发电系统
之前，我们复习以下法拉第电磁感应定律
• 感应电动势的概念与决定因素----
t
• 法拉第电磁感应定律------ E N
t
• 感应电动势的两个计算公式:
平均感应电动势: E N t
式变电站连接，将电能输出。电缆在塔接处通过热压连接。 • 位于机舱控制柜NCC310内的两台PLC用于实现整个电控系统的控制。 • 位于机舱及机舱外的温度、湿度、压力、振动、速度传感器用于实现
系统保护。 • 位于叶片与变桨轴承、轮毂与齿轮箱、机舱与塔筒衔接处的防雷电爪
用于减弱及传导雷击电流。
15:40
– 风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运 行
– 变速风力机经滑差连接器驱动同步发电机与电网并联
15:40
4
独立运行
• 离网型风电
• 除了应用比较广泛的并网发电之外，风电的离网 应用也有一定的市场，离网型风电的主要用户是 电网未覆盖地区的牧民、渔民和农民，以户用风 电机组解决家庭照明和收看电视的用电问题。随 着生活水平的提高和更多家用电器的应用，对单 机容量的要求增大，50W机组已停止生产， 100W和150W机组的产量下降，200W、300W、 500W和1000W机组的产量逐年增加，200W以上 的机型占离网型风机年产量的80%。
2. 可以降低风力发电机组运转时的噪声水平。 3. 可以降低机组剧烈的转矩起伏，从而能够减少所有部件的机械应力，这为减轻部件
质量或研制大型风力发电机组提供了有力的保证。 4. 由于风力机是变速运行，其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最
优化效率数值，使风力机的Cp值得到优化，从而获得高的系统效率。 5. 可以实现发电机低起伏的平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，同时减
15:40
5
直流系统
独立运行
• 图中L代表电阻性负载（如照明等），J为逆流继电器控制的动断触点
15:40
6
交流系统
独立运行
15:40
7
独立运行
无刷励磁硅整流自励交流发电机的工作原理
• 无刷励磁硅整流自励交流发电机在结构上由主发电机及励磁机两部分组成， 励磁机为转枢式，即励磁机的三相绕组与主发电机的励磁绕组皆在主发电机 的同一转轴上，并经联轴器及齿轮箱与风力机转轴连接，主发电机内除定子 三相绕组及转子励磁绕组外，尚有附加绕组；励磁机的励磁绕组则为静止的。
• 由位于机舱内的三台控制柜及双馈发电机来实现变速恒频技术，四台 偏航电机提供偏航动力。
• 位于机舱外的超声波风速风向仪来测定风速计风向，并传回至机舱内 的控制柜中。
• 位于塔筒底部的控制柜来实现系统监控显示及远程通信。 • 位于塔筒外的箱式变电站将电能升压送至电网并为控制系统、偏航系
统、变桨系统提供动力。 • 从机舱控制柜至塔同底部的16根1*150mm的电缆通过风机基础与箱
• 系统个工作原理如下： 当风力机的转速由于风速
变化而改变时，电磁滑差在接 起的主动轴转速n1将随之变化， 但与同步发电机连接的电磁滑 差连接的从动轴转速m2，则通 过速度负反馈，自动调节电磁 滑差连接器的励磁电流而维持 不变，也就是通过电磁滑差连 接器的主动轴与从动轴之间的 转速差（即滑差）做响应的变 化来保证，这一点从具有不同 励磁电流时电磁滑差连接器的 机械特性上就可以看出，励磁 电流分别为Ie1、Ie2、Ie3时的 曲线
瞬时感应电动势: E=BLv
15:40
3
风力发电系统
独立运行的风力发电系统
– 离网型风电 – 直流系统 – 交流系统
知识回顾
并网运行的风力发电系统
– 风力机驱动双速异步发电机与电网并联运行
– 风力机驱动滑差可调的绕线式异步发电机与电网并联运 行
– 变速风力机驱动双馈异步发电机与电网并联运行 – 变速风力机驱动交流发电机经变频器与电网并联运行
• 其特点如下：
– 采用双馈发电机。定子输出经接触器直接并入电网，转子侧经 IGBT变频器及断路器与电网连接。
– 电动偏航系统。一台偏航变频器同步拖动4台偏航电机，提供偏航 动力。位于大齿圈处的检测开关用于计算偏航角度及电缆解缆。 偏航给定由PLC输入至偏航变频器。
– 采用电动变桨系统。由三台变频器分别拖动3台变桨伺服电机构成 高动态闭环控制系统，调节3片叶片的桨距角度，达到不同风速下 的最佳桨距。
– 3、当机柜内、齿轮油等部件温度过高时，风力发电机组会限功率发电，如温度 过高，会报故障，停机。
• 双馈异步发电机定子绕组直接和电网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都 可以按照要求进行调节的变频器相连。变频器通过逆变器、直流环节和整流 器与电网连接，控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态并随着风 速的变化调节发电机的转速，进行能量交换。转差能量可以被馈入电网或者 从电网吸收，而不是被消耗。这一点正是提高风力发电机效率的关键。在超 同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时脉冲整流器相 当于逆变器将直流侧能量馈送回电网。在亚同步发电时，通过定子向电网馈 送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态。这时脉冲整流 器相当于整流器从电网吸收能量。
总体方案和原理概述
• 工作状态的描述
– 1、当风速大于启动风速，小于目标风速时，发电机处于发电状态，但是转速不 会到达1800rpm，功率小于1.5MW。在发电机正常运转的情况下，发电机的转速 瞬时风速的大小有直接关系，变桨角度基本不会变化，处于最大限度吸收风能。
– 2、当风速超过目标风速，小于切出风速时，变桨系统根据风速、风向的不同进 行调节，发电机转速维持在1800rpm左右，满负荷发电。
15:40
13
并网运行
变速风力机驱动交流发电机经变频器与电网并联运行
15:40
14
并网运行
风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运行
15:40
15
并网运行
风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运行
无齿轮箱直接驱动型风力发电系统的优点主要有以下几点：
1. 由于不采用齿轮箱，机组水平轴向的长度大大减小，电能生产的机械传动路径被 缩短了，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问 题，使机组的工作寿命更加有保障，也更适合于环境保护的要求。
小发电机温度的变化。 6. 与电网连接简单，并可实现功率因数的调节。 7. 可实现独立（不与电网连接）运行，几个相同的独立运行机组也可实现并联运行。 8. 这种变速恒频系统内的变频器容量取决于发电机变速运行时最大滑差功率，一般电
机的最大滑差为±（25～35）％，因此变频器的最大容量仅为发电机额定容量的 1/4～1/3。
– 采用IGBT变频器。采用高开关频率的IGBT模块以及优化的触发命的薄片式电容。
– 转子侧主熔断器和定子侧并网接触器均位于机舱控制柜内。
15:40
21
总体方案和原理概述
• 整个电控系统构成如下：
– 位于轮毂内的三台变桨控制柜及三台变桨电机来实现变桨动作。 – 位于机舱内的电池柜，在电网掉电时为变桨系统提供变桨动力。
– 每个绕组、轴承各用两个PT100温度传感器来检测和监 控温度，防止发电机过热。如果绕组、轴承温度过高， 监控系统就发出警报，并降低功率。此外发电机具有 电刷磨损、润滑系统监控等保护。
– 轴承等关键部件按安全运行20年设计，适合于高空、 野外恶劣环境。