1、风机工作 原理,新能源试验研究院 鲁志平,案例 历史 气动性能 设计流程 风机控制 双馈系统 提效,发电机编码器松动变流器CT同名端反接风机振动过大，安全链触发,了解风机的基本运行原理，可以指导我们进行故障排查； 了解风机的基本运行原理，可以帮助我们更好的进行风机选型，风场产能评估，风机运行维护,风机的历史,阿富汗风机(900AD),Jacobs Turbine 1920 - 1960,WinCharger 1930s 40s,Smith-Putnam 风机 1940s,现代风机,海上风场,风机分类,叶片数量 1,叶片安装容易 比2叶片风机风能吸收效率低 10%,叶片数量- 2,叶片容易安装
2、轮毂需要跷跷板式结构 比3叶片风机风能吸收效率低 5%,叶片数量- 3,现代商业运行风机的选择,有齿轮箱风机,无齿轮箱风机,总揽,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1.风电机组 2.垂直轴 3.水平轴 4.定桨定速风机 5.定速主动失速风机 6.变桨变速型风机 7.直驱型风机 8.有齿轮箱固定转速比风机 9.有齿轮箱变速比风机 10.中速发电机 11.高速发电机 12.双馈型 13.全功率型,其他标准,耐受风等级和湍流强度：IEC IA，IIA,IIB 气候条件:常温型、低温型 安装位置：海上/陆上 轴承概念：单轴承、双轴承 变桨驱动类型分类：电驱、液压,现阶段主流风
3、机设计类型,双馈系统 有齿轮箱和高速发电机 低功率变频转换 直驱系统 全功率变频转换 半直驱系统 有齿轮箱和中速发电机 全功率变频转换,风机的并网方式,双馈式风机设计,优点：技术成熟性最高 成本低 组件供应链完善缺点：齿轮箱可靠性差 齿轮箱和发电机不能同时适用于50/60Hz的频率,例1：华锐风电 1.5MW,陆上风机设计 高速双馈发电机, 低电压变频转换 电动变桨系统 常规 / 高温 / 低温 气候设计,例2： S88-2.1MW Suzlon,陆上风机设计高速, 低压发电机电动变桨系统在产能质量和电网支持上有局限性-转子电阻控制,直驱式风机设计,优点：无齿轮箱，增大整机寿命 电能能质量好缺
4、点：造价昂贵，结构复杂，发电机重量大 巨大的直驱发电机是可靠性的唯一保障 巨大的直驱发电机运输问题,例1：金风科技 1.5MW,陆上风机设计低速, 低电压 永磁直驱发电机电动变桨系统全功率变频转换,例2：E-126/6MW Enercon,陆上风机设计低速, 低电压 永磁直驱发电机电动变桨系统,全功率变换风机设计,优点：非常好的电能质量 齿轮箱和发电机同适于50/60Hz的频率缺点：比双馈产品要上更大的变频系统,例1：5MW Multibrid,海上风机设计中速, 中压 发电机电动变桨系统,例2： V90 / V112-3MW Vestas,陆上风机设计高速, 低电压永磁同步发电机传统的长轴驱
5、动链液压变桨系统,例3： GE2.5XL,陆上风机设计高速, 低电压永磁同步发电机传统的长轴驱动链,风机载荷,叶片结构分析,升力 & 阻力,升力垂直于来流方向. 我们希望升力更大.阻力平行于来流方向. 我们希望阻力更小., = low, = medium 10 degrees, = High Stall!,翼型,想飞机的机翼, 风机叶片利用翼型产生升力并争取效率最大化。,The Bernoulli Effect,1.2升力系数与阻力系数,升力系数与阻力系数随攻角变化示意,风机叶片承受的升力和阻力,KidWind Project | www.kidwind.org,升力沿着旋转方向分量 - 阻力
6、沿着水平方向的分量= 驱动力 *r = 气动扭矩,风含功率,Power in the wind 扫掠面积, A 风俗, V 空气密度, ,R,风含功率= AV3,3.3.1最优叶尖速比控制,1.如何使风电机组在额定风速以下出力最大？,风电机组输出功率：,风电机组最优输出功率：,45,风能的特性,风速 风能按风速的三次方增加 风速增加10% 会增加30%的电功率 2倍风速，8倍电功率,46,风能的特性,空气密度 风功率与空气密度成正比 潮湿环境比干燥环境空气密度大 低海拔比高海拔空气密度大扫掠面积 风能与扫掠面积成正比 直径增加10% ，扫掠面积增加21%,Betz Limit,风能不能被风轮全
7、部吸收，风在叶轮后不能变得静止不动。 理论上最大的风能利用效率是59%。 现代风机风能利用效率大约在 35 45% 范围内。,叶尖速比,某一最佳攻角产生最大升阻比 攻角依赖于风速和转子转速, 定义叶尖速比：, = 角速度 R = 半径 V = 来流速度,R,R,升力沿着旋转方向分量 - 阻力沿着水平方向的分量= 驱动力 *r = 气动扭矩,功率系数随叶尖速比改变,叶片实度,实度是叶片面积和扫掠面积的比值低实度(0.10) = 高转速, 低扭矩高实度(0.80) = 低转速, 高扭矩,A,R,a,Solidity = 3a/A,1.5为什么采用三叶片,桨叶实度对CP影响,变桨控制,Since m
8、ost designs use twisted blades, power quality is never ideal across the entire rotor blade.,Twist & Taper,叶片从根部到叶尖旋转速度不同，因而 合成风速不同 所以攻角是变化的 为维持最佳攻角，叶片需要扭转,1.1风力机叶片翼型理论,叶片弦长、扭角示意,1.1风力机叶片翼型理论,叶片和塔架的基本形状,风轮的锥角与仰角,轮毂高度,1.2升力系数与阻力系数,变桨距调节,1.5最优叶尖速比,4.1变速变桨机型与定速定桨功率曲线,功率曲线和Cp曲线,风机控制,3.3.1最优叶尖速比控制,双馈风电机组转
9、速与输出功率关系曲线,3.3.2最大风能追踪过程,通过控制发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制，使风力发电机组获得最大的风能利用系数,3.3.3查表法,转速转矩表,3.4爬坡算法,1.2升力系数与阻力系数,升力系数与阻力系数随攻角变化示意,变桨控制,Since most designs use twisted blades, power quality is never ideal across the entire rotor blade.,偏航 保持正对风,主动偏航(Large Turbines) 自动控制 控制系统控制电机对风被动偏航(Small Wind) 风力自动对风r 尾翼 下
10、风向风机,Source: GL GH Review Report,平均风机偏航误差 （度）,50%以上的风机，偏航误差大于6度，有些可以大至30度。这些可以导致很大的年发电量损失和风机的额外载荷。每种机型、每台风机的偏航误差都不一样，典型的风机偏航误差在 7-10度，相当于 2-3% 的发电量损失。,-2,5%,-7,2%,-0,2%,在欧洲，在随机抽取的检测风机中，80%以上的风机有2度以上的平均偏航误差。,偏航误差引起的年度发电量损失 %,KidWind Project | www.kidwind.org,Pitch Control Mechanisms,2.7.1低电压穿越的概念,2.7
11、.2低电压穿越的概念,在发电机转子侧装上撬棒电路,检测到电网系统出现电压跌落时，闭锁机侧变流器，同时投入转子回路的旁路保护装置。达到限制通过变流器的电流和转子绕组过电压的作用，一次来维持发电机不脱网运行。,未来的趋势,2005-2010年装机平均功率(kW),2005-2010年装机平均功率逐年增加，德国丹麦等国家平均功率达到2.5MW,产品功率等级所占市场份额 2008-2010,商用兆瓦级风机(1 of 3),商用兆瓦级风机(2 of 3),商用兆瓦级风机(3 of 3),DD=直驱；DFIG=双馈；FSG=高速齿轮驱动；MSG=中速齿轮驱动；PMG=永磁发电机 DD=8 FSG=10 M
12、SG=1,DFIG,2.1双馈异步电机的概念,双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，简称DFIG）是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。,双馈电机的转差率 ，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应,2.2变速恒频的工作原理,在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率（即f1S）的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。所以根据上述原理，只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电。,2.3双馈电机等效电路,发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电
13、动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法，在一系列理想条件下，可得双馈发电机的等效电路,双馈电机等效电路,普通绕线式转子电机等效电路,亚同步运行时双馈电机的功率流向示意图,超同步运行时双馈电机的功率流向示意图,2.6.1变频器交流励磁控制,采用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,2.6.1变频器交流励磁控制,ua,ub,uc,PWM：脉宽调制,提效,风含功率,Power in the wind 扫掠面积, A 风俗, V 空气密度, ,R,风含功率= AV3,European Wind Energy Conference 16-19th March 2009,叶片表面流场,1.2升力系数与阻力系数,升力系数与阻力系数随攻角变化示意,现有风机测风仪,激光测风雷达,风向,Probe length 9,5 meter, 35hz,风机控制器,
