風力發(fā)電系統(tǒng)的原理、組成和各部件功能

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

風力發(fā)電原理

原理是風帶動葉輪旋轉，葉輪帶動發(fā)電機旋轉切割磁力線，將風能轉換為機械能，機械能帶動發(fā)電機轉子旋轉，最終產生電能。風力發(fā)電包含陸上和海上風電。

風力發(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)

?制動器

?低速軸

?高速軸

?齒輪箱

?主控系統(tǒng)

?變流器

?發(fā)電機

?機艙

?風速計

?風向標

?風塔

?升壓站

?變電站

Anemometer 風速計：

測量風速并將風速數據傳輸給控制器

Blades 葉片：

當風吹過它們時，提升和旋轉，引起轉子旋轉。大多數風機都有兩個或三個葉片。

Brake 制動器：

在緊急情況下以機械，電氣或液壓方式停止轉子。

Controller 控制器：

以大約8到16英里/小時(mph)的風速啟動機器，并以大約55 mph的速度關閉機器。渦輪機不能以高于每小時55英里的風速運轉，因為它們可能會被強風損壞。

Gear box 齒輪箱 :

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

Generator 發(fā)電機：

產生周期的交流電，它通常是現成的感應發(fā)電機。主流發(fā)電機類型包括鼠籠式異步感應發(fā)電機，雙饋式異步感應發(fā)電機，直驅永磁同步感應發(fā)電機。

High-speed shaft 高速軸：

驅動發(fā)電機

Low-speed shaft 低速軸：

以30-60 rpm的速度旋轉低速軸。

Nacelle 機艙：

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

Pitch system 葉片變槳系統(tǒng)：

變槳系統(tǒng)是閉環(huán)驅動系統(tǒng)。渦輪主控制器根據一組條件(例如風速，發(fā)電機速度和發(fā)電量)計算所需的俯仰角。所需的俯仰角作為設定值傳輸到變槳系統(tǒng)。

Rotor 旋轉體：

葉片和輪轂共同形成旋轉體。

Tower 風塔：

由管狀鋼，混凝土或鋼格制成。支撐渦輪的結構。

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

Wind vane 風向標 :

測量風向并與偏航系統(tǒng)通信，以使渦輪相對于風正確定向。

Yaw System 偏航系統(tǒng)：

調整迎風渦輪機的方向，以使它們在風向改變時始終面對風。

Power Converter 變流器：

主要功能是在轉子轉速n變化時，通過變流器控制勵磁的幅值、相位、頻率等，使定子側能向電網輸入恒頻電。包括功率模塊、控制模塊、并網模塊。這里包含了逆變和整流的電力變換，進行上述電力變換的技術稱為變流技術。

Transformer 升壓站：

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

Substation 變電站：

風塔升壓站，再次升壓到110KV或220KV后進行并網電能分配。

風力發(fā)電系統(tǒng)介紹——重點部件介紹

l發(fā)電機

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

SCIG, Squirrel Cage Induction Generator

DFIG, Doubly-Fed Induction Generator

PMSG, Permanent Magnet Synchronous Generator

?SCIG 定速異步發(fā)電機在風電中的工作圖示

是指電動機的定子上為三相繞組，轉子為籠式的導條。因為該導條形狀與鼠籠相似，故稱之為鼠籠式異步發(fā)電機。電動機在定子繞組加三相交流電后，會形成旋轉磁場，其轉子上的閉合的導條會因為切割定子磁場的磁力線而感應出電勢和電流，而通電的導體在磁場中就會受到安培力，從而驅動轉子運動。電動機轉子就旋轉起來了。這就是鼠籠式三相異步電動機的工作原理。

Soft starter 軟啟動器(基于SCR可控硅整流器)：

是定速的風機與電網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)電機中緩慢建立磁通量來減少浪涌電流，從而限制對電網并網時的沖擊干擾。

By-pass 旁路開關：

通過軟啟動器完成穩(wěn)定并網后，風機系統(tǒng)通過旁路開關合閘直接連接到電網?？梢詭椭谶\行狀態(tài)下的SCR散熱。

Capacitor bank 電容柜：

無功補償裝置，并網后立即并入無功補償裝置，提供功率因數至0.95以上。

?DFIG 雙饋異步發(fā)電機在風電中的工作圖示

雙饋式發(fā)電就是指感應電機的定子，轉子同時能發(fā)出電能，雙饋發(fā)電機其轉子和定子都最終連于電網，轉子和定子都參與勵磁，其定子和轉子都可以與電網有能量的交換。

工作原理：通過葉輪將風能轉變?yōu)闄C械轉矩，通過主軸傳動鏈，經過齒輪箱增速到異步發(fā)電機轉速后，通過勵磁變流器勵磁而將發(fā)電機的定子電能并入電網。如果超過發(fā)電機同步轉速，轉子也處于發(fā)電狀態(tài)，通過變流器向電網饋電。

雙饋發(fā)電機正是由葉片通過齒輪箱變速，帶動以達到定子側輸出相對完美正弦波，同時額定轉速下，轉子側也能同時發(fā)出電流，已達到最大利用風能效果。

?PMSG 直驅永磁同步發(fā)電機在風電中的工作圖示

永磁同步發(fā)電機是一種同步發(fā)電機，其中勵磁場由永磁體而不是線圈提供。術語“同步”是指轉子和磁場以相同的速度旋轉的事實，磁場是通過安裝在軸上的永磁機構產生的，并且電流會感應到固定電樞中。

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

l變流器

p雙饋式變流器

基本工作原理：

雙饋發(fā)電機定子通過并網開關直接與電網連接，而轉子通過雙饋變流器(網側變流器，機側變流器)與電網連接。當風速變化導致發(fā)電機轉速變化時，變流器通過控制轉子的勵磁電流頻率來改變轉子磁場的旋轉，使發(fā)電機的輸出電壓，頻率和電網保持一致。

系統(tǒng)構成：

配電柜實現變流器與電網，發(fā)電機定子的連接。內外部供電以及保護開關設置。

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

功率柜實現轉子轉差功率和電網的交換與傳輸，對轉子勵磁電流進行控制，從而實現對定子電壓，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)電機定子直接與變流器機側相連接，而變流器的網側與電網連接。發(fā)電機的全部功率都通過變流器傳送至電網。變流器跟蹤電網電壓的頻率和相位，使輸出電流，頻率和電網保持一致。

系統(tǒng)構成：

變流器包含若干個子變流器系統(tǒng)，每個子變流器系統(tǒng)包括一個機側變換器和一個網側變換器。

l偏航系統(tǒng)

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

基本工作原理：

風向標作為傳感器將風向的變化用電信號傳遞到偏航電機的控制回路的處理器里，經過比較后處理器給偏航電機發(fā)出順時針或逆時針的偏航命令，為了減少偏航時的陀螺力矩，電機轉速將通過同軸聯接的減速器減速后，將偏航力矩作用在回轉體大齒輪上，帶動風輪偏航對風，當對風完成后，風向標失去電信號，電機停止工作，偏航過程結束.

l變槳系統(tǒng)

變槳系統(tǒng)是閉環(huán)驅動系統(tǒng)。風機主控制器根據一組條件(如風速，發(fā)電機轉速和發(fā)電量等)計算所需的俯仰角。所需的俯仰角作為設定值傳輸到變槳系統(tǒng)，

調節(jié)葉片的槳距角。變槳控制系統(tǒng)與變速恒頻技術相配合，最終提高了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質量。