風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理、組成和各部件功能

超全面風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹——CAMILLE BAUER工業(yè)儀表

風(fēng)力發(fā)電原理

原理是風(fēng)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)切割磁力線，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終產(chǎn)生電能。風(fēng)力發(fā)電包含陸上和海上風(fēng)電。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹——系統(tǒng)組成和各部件功能

?葉片

?變槳系統(tǒng)

?偏航系統(tǒng)

?制動(dòng)器

?低速軸

?高速軸

?齒輪箱

?主控系統(tǒng)

?變流器

?發(fā)電機(jī)

?機(jī)艙

?風(fēng)速計(jì)

?風(fēng)向標(biāo)

?風(fēng)塔

?升壓站

?變電站

Anemometer 風(fēng)速計(jì)：

測量風(fēng)速并將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸給控制器

Blades 葉片：

當(dāng)風(fēng)吹過它們時(shí)，提升和旋轉(zhuǎn)，引起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)風(fēng)機(jī)都有兩個(gè)或三個(gè)葉片。

Brake 制動(dòng)器：

在緊急情況下以機(jī)械，電氣或液壓方式停止轉(zhuǎn)子。

Controller 控制器：

以大約8到16英里/小時(shí)(mph)的風(fēng)速啟動(dòng)機(jī)器，并以大約55 mph的速度關(guān)閉機(jī)器。渦輪機(jī)不能以高于每小時(shí)55英里的風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)被強(qiáng)風(fēng)損壞。

Gear box 齒輪箱 :

將低速軸連接到高速軸，并將轉(zhuǎn)速從每分鐘約30-60轉(zhuǎn)(rpm)增加到約1,000-1,800 rpm; 這是大多數(shù)發(fā)電機(jī)發(fā)電所需的轉(zhuǎn)速。齒輪箱是風(fēng)力渦輪機(jī)中昂貴(又沉重)的一部分，工程師正在研究以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行且不需要齒輪箱的“直接驅(qū)動(dòng)”發(fā)電機(jī)。

Generator 發(fā)電機(jī) ：

產(chǎn)生周期的交流電，它通常是現(xiàn)成的感應(yīng)發(fā)電機(jī)。主流發(fā)電機(jī)類型包括鼠籠式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，雙饋式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，直驅(qū)永磁同步感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

High-speed shaft 高速軸：

驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)

Low-speed shaft 低速軸：

以30-60 rpm的速度旋轉(zhuǎn)低速軸。

Nacelle 機(jī)艙：

坐在塔頂上，并包含齒輪箱，低速和高速軸，發(fā)電機(jī)，控制器和制動(dòng)器。一些機(jī)艙足夠大，足以讓直升機(jī)降落。

Pitch system 葉片變槳系統(tǒng)：

變槳系統(tǒng)是閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。渦輪主控制器根據(jù)一組條件(例如風(fēng)速，發(fā)電機(jī)速度和發(fā)電量)計(jì)算所需的俯仰角。所需的俯仰角作為設(shè)定值傳輸?shù)阶儤到y(tǒng)。

Rotor 旋轉(zhuǎn)體：

葉片和輪轂共同形成旋轉(zhuǎn)體。

Tower 風(fēng)塔：

由管狀鋼，混凝土或鋼格制成。支撐渦輪的結(jié)構(gòu)。

由于風(fēng)速隨高度增加而增加，因此更高的塔使渦輪機(jī)能夠捕獲更多的能量并產(chǎn)生更多的電力。

Wind vane 風(fēng)向標(biāo) :

測量風(fēng)向并與偏航系統(tǒng)通信，以使渦輪相對于風(fēng)正確定向。

Yaw System 偏航系統(tǒng)：

調(diào)整迎風(fēng)渦輪機(jī)的方向，以使它們在風(fēng)向改變時(shí)始終面對風(fēng)。

Power Converter 變流器：

主要功能是在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，通過變流器控制勵(lì)磁的幅值、相位、頻率等，使定子側(cè)能向電網(wǎng)輸入恒頻電。包括功率模塊、控制模塊、并網(wǎng)模塊。這里包含了逆變和整流的電力變換，進(jìn)行上述電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。

Transformer 升壓站：

安裝在風(fēng)塔底座，升壓站中的升壓變壓器功能是將風(fēng)機(jī)電能傳輸給變電站，一般從發(fā)電機(jī)出口電壓690v升至10KV或23KV或35KV

Substation 變電站：

風(fēng)塔升壓站，再次升壓到110KV或220KV后進(jìn)行并網(wǎng)電能分配。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹——重點(diǎn)部件介紹

l發(fā)電機(jī)

目前主流采用的發(fā)電機(jī)類型有鼠籠式異步發(fā)電機(jī)(SCIG)，雙饋式異步發(fā)電機(jī)(DFIG)，直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG).

SCIG, Squirrel Cage Induction Generator

DFIG, Doubly-Fed Induction Generator

PMSG, Permanent Magnet Synchronous Generator

?SCIG 定速異步發(fā)電機(jī)在風(fēng)電中的工作圖示

是指電動(dòng)機(jī)的定子上為三相繞組，轉(zhuǎn)子為籠式的導(dǎo)條。因?yàn)樵搶?dǎo)條形狀與鼠籠相似，故稱之為鼠籠式異步發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)在定子繞組加三相交流電后，會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)子上的閉合的導(dǎo)條會(huì)因?yàn)榍懈疃ㄗ哟艌龅拇帕€而感應(yīng)出電勢和電流，而通電的導(dǎo)體在磁場中就會(huì)受到安培力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)起來了。這就是鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。

Soft starter 軟啟動(dòng)器(基于SCR可控硅整流器)：

是定速的風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)連接期間使用的一種簡單且便宜的電氣組件。它的功能是通過在發(fā)電機(jī)中緩慢建立磁通量來減少浪涌電流，從而限制對電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)的沖擊干擾。

By-pass 旁路開關(guān)：

通過軟啟動(dòng)器完成穩(wěn)定并網(wǎng)后，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)通過旁路開關(guān)合閘直接連接到電網(wǎng)?？梢詭椭谶\(yùn)行狀態(tài)下的SCR散熱。

Capacitor bank 電容柜：

無功補(bǔ)償裝置，并網(wǎng)后立即并入無功補(bǔ)償裝置，提供功率因數(shù)至0.95以上。

?DFIG 雙饋異步發(fā)電機(jī)在風(fēng)電中的工作圖示

雙饋式發(fā)電就是指感應(yīng)電機(jī)的定子，轉(zhuǎn)子同時(shí)能發(fā)出電能，雙饋發(fā)電機(jī)其轉(zhuǎn)子和定子都最終連于電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子和定子都參與勵(lì)磁，其定子和轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)有能量的交換。

工作原理：通過葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)矩，通過主軸傳動(dòng)鏈，經(jīng)過齒輪箱增速到異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速后，通過勵(lì)磁變流器勵(lì)磁而將發(fā)電機(jī)的定子電能并入電網(wǎng)。如果超過發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網(wǎng)饋電。

雙饋發(fā)電機(jī)正是由葉片通過齒輪箱變速，帶動(dòng)以達(dá)到定子側(cè)輸出相對完美正弦波，同時(shí)額定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子側(cè)也能同時(shí)發(fā)出電流，已達(dá)到最大利用風(fēng)能效果。

?PMSG 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)電中的工作圖示

永磁同步發(fā)電機(jī)是一種同步發(fā)電機(jī)，其中勵(lì)磁場由永磁體而不是線圈提供。術(shù)語“同步”是指轉(zhuǎn)子和磁場以相同的速度旋轉(zhuǎn)的事實(shí)，磁場是通過安裝在軸上的永磁機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的，并且電流會(huì)感應(yīng)到固定電樞中。

永磁同步發(fā)電機(jī)取消了增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)機(jī)軸上，隨著風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電力的頻率也是不斷變化的，所以還必須用一臺(tái)全功率變流器，將這些電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電，才能并入電網(wǎng)，即變速恒頻技術(shù)。

l變流器

p雙饋式變流器

基本工作原理：

雙饋發(fā)電機(jī)定子通過并網(wǎng)開關(guān)直接與電網(wǎng)連接，而轉(zhuǎn)子通過雙饋?zhàn)兞髌?網(wǎng)側(cè)變流器，機(jī)側(cè)變流器)與電網(wǎng)連接。當(dāng)風(fēng)速變化導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，變流器通過控制轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流頻率來改變轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓，頻率和電網(wǎng)保持一致。

系統(tǒng)構(gòu)成：

配電柜實(shí)現(xiàn)變流器與電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)定子的連接。內(nèi)外部供電以及保護(hù)開關(guān)設(shè)置。

控制柜主要完成信號調(diào)理，控制信號產(chǎn)生，通訊以及與主控系統(tǒng)的信號交換。

功率柜實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率和電網(wǎng)的交換與傳輸，對轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對定子電壓，頻率，有功和無功的控制。

l變流器

p全功率型變流器

基本工作原理：

發(fā)電機(jī)定子直接與變流器機(jī)側(cè)相連接，而變流器的網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)連接。發(fā)電機(jī)的全部功率都通過變流器傳送至電網(wǎng)。變流器跟蹤電網(wǎng)電壓的頻率和相位，使輸出電流，頻率和電網(wǎng)保持一致。

系統(tǒng)構(gòu)成：

變流器包含若干個(gè)子變流器系統(tǒng)，每個(gè)子變流器系統(tǒng)包括一個(gè)機(jī)側(cè)變換器和一個(gè)網(wǎng)側(cè)變換器。

l偏航系統(tǒng)

與發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使葉片始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高發(fā)電效率。

基本工作原理：

風(fēng)向標(biāo)作為傳感器將風(fēng)向的變化用電信號傳遞到偏航電機(jī)的控制回路的處理器里，經(jīng)過比較后處理器給偏航電機(jī)發(fā)出順時(shí)針或逆時(shí)針的偏航命令，為了減少偏航時(shí)的陀螺力矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速將通過同軸聯(lián)接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉(zhuǎn)體大齒輪上，帶動(dòng)風(fēng)輪偏航對風(fēng)，當(dāng)對風(fēng)完成后，風(fēng)向標(biāo)失去電信號，電機(jī)停止工作，偏航過程結(jié)束.

l變槳系統(tǒng)

變槳系統(tǒng)是閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)主控制器根據(jù)一組條件(如風(fēng)速，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電量等)計(jì)算所需的俯仰角。所需的俯仰角作為設(shè)定值傳輸?shù)阶儤到y(tǒng)，

調(diào)節(jié)葉片的槳距角。變槳控制系統(tǒng)與變速恒頻技術(shù)相配合，最終提高了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。