風(fēng)機(jī)工作原理PPT課件

1、.,1,風(fēng)機(jī)工作 原理,新能源試驗(yàn)研究院 魯志平,.,2,案例 歷史 氣動(dòng)性能 設(shè)計(jì)流程 風(fēng)機(jī)控制 雙饋系統(tǒng) 提效,.,3,發(fā)電機(jī)編碼器松動(dòng) 變流器CT同名端反接 風(fēng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大，安全鏈觸發(fā),.,4,了解風(fēng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，可以指導(dǎo)我們進(jìn)行故障排查； 了解風(fēng)機(jī)的基本運(yùn)行原理，可以幫助我們更好的進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型，風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)能評(píng)估，風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù),.,5,風(fēng)機(jī)的歷史,.,6,阿富汗風(fēng)機(jī)(900AD),.,7,.,8,.,9,Jacobs Turbine 1920 - 1960,WinCharger 1930s 40s,.,10,Smith-Putnam 風(fēng)機(jī) 1940s,.,11,現(xiàn)代風(fēng)機(jī),.,12,海上風(fēng)場(chǎng)

2、,.,13,風(fēng)機(jī)分類(lèi),.,14,葉片數(shù)量 1,葉片安裝容易 比2葉片風(fēng)機(jī)風(fēng)能吸收效率低 10%,.,15,葉片數(shù)量- 2,葉片容易安裝 輪轂需要蹺蹺板式結(jié)構(gòu) 比3葉片風(fēng)機(jī)風(fēng)能吸收效率低 5%,.,16,葉片數(shù)量- 3,現(xiàn)代商業(yè)運(yùn)行風(fēng)機(jī)的選擇,.,17,有齒輪箱風(fēng)機(jī),.,18,無(wú)齒輪箱風(fēng)機(jī),.,19,總攬,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1.風(fēng)電機(jī)組 2.垂直軸 3.水平軸 4.定槳定速風(fēng)機(jī) 5.定速主動(dòng)失速風(fēng)機(jī) 6.變槳變速型風(fēng)機(jī) 7.直驅(qū)型風(fēng)機(jī) 8.有齒輪箱固定轉(zhuǎn)速比風(fēng)機(jī) 9.有齒輪箱變速比風(fēng)機(jī) 10.中速發(fā)電機(jī) 11.高速發(fā)電機(jī) 12.雙饋型 13.全功率型,.

3、,20,其他標(biāo)準(zhǔn),耐受風(fēng)等級(jí)和湍流強(qiáng)度：IEC IA，IIA,IIB 氣候條件:常溫型、低溫型 安裝位置：海上/陸上 軸承概念：?jiǎn)屋S承、雙軸承 變槳驅(qū)動(dòng)類(lèi)型分類(lèi)：電驅(qū)、液壓,.,21,現(xiàn)階段主流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)類(lèi)型,雙饋系統(tǒng) 有齒輪箱和高速發(fā)電機(jī) 低功率變頻轉(zhuǎn)換 直驅(qū)系統(tǒng) 全功率變頻轉(zhuǎn)換 半直驅(qū)系統(tǒng) 有齒輪箱和中速發(fā)電機(jī) 全功率變頻轉(zhuǎn)換,.,22,風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)方式,.,23,.,24,.,25,雙饋式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì),優(yōu)點(diǎn)： 技術(shù)成熟性最高 成本低 組件供應(yīng)鏈完善 缺點(diǎn)： 齒輪箱可靠性差 齒輪箱和發(fā)電機(jī)不能同時(shí)適用于50/60Hz的頻率,.,26,例1：華銳風(fēng)電 1.5MW,陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 高速雙饋發(fā)電機(jī), 低電

4、壓變頻轉(zhuǎn)換 電動(dòng)變槳系統(tǒng) 常規(guī) / 高溫 / 低溫 氣候設(shè)計(jì),.,27,例2： S88-2.1MW Suzlon,陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 高速, 低壓發(fā)電機(jī) 電動(dòng)變槳系統(tǒng) 在產(chǎn)能質(zhì)量和電網(wǎng)支持上有局限性-轉(zhuǎn)子電阻控制,.,28,直驅(qū)式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì),優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)齒輪箱，增大整機(jī)壽命 電能能質(zhì)量好 缺點(diǎn)： 造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)電機(jī)重量大 巨大的直驅(qū)發(fā)電機(jī)是可靠性的唯一保障 巨大的直驅(qū)發(fā)電機(jī)運(yùn)輸問(wèn)題,.,29,例1：金風(fēng)科技 1.5MW,陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 低速, 低電壓 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī) 電動(dòng)變槳系統(tǒng) 全功率變頻轉(zhuǎn)換,.,30,例2：E-126/6MW Enercon,陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 低速, 低電壓 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī) 電動(dòng)

5、變槳系統(tǒng),.,31,全功率變換風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì),優(yōu)點(diǎn)： 非常好的電能質(zhì)量 齒輪箱和發(fā)電機(jī)同適于50/60Hz的頻率 缺點(diǎn)： 比雙饋產(chǎn)品要上更大的變頻系統(tǒng),.,32,例1：5MW Multibrid,海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 中速, 中壓 發(fā)電機(jī) 電動(dòng)變槳系統(tǒng),.,33,例2： V90 / V112-3MW Vestas,陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 高速, 低電壓永磁同步發(fā)電機(jī) 傳統(tǒng)的長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)鏈 液壓變槳系統(tǒng),.,34,例3： GE2.5XL,陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì) 高速, 低電壓永磁同步發(fā)電機(jī) 傳統(tǒng)的長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)鏈,.,35,風(fēng)機(jī)載荷,.,36,葉片結(jié)構(gòu)分析,.,37,.,38,升力 & 阻力,升力垂直于來(lái)流方向. 我們希望升力更大. 阻力

6、平行于來(lái)流方向. 我們希望阻力更小., = low, = medium 0.80) = 低轉(zhuǎn)速, 高扭矩,A,R,a,Solidity = 3a/A,.,52,1.5為什么采用三葉片,槳葉實(shí)度對(duì)CP影響,.,53,變槳控制,Since most designs use twisted blades, power quality is never ideal across the entire rotor blade.,.,54,Twist & Taper,葉片從根部到葉尖旋轉(zhuǎn)速度不同，因而 合成風(fēng)速不同 所以攻角是變化的 為維持最佳攻角，葉片需要扭轉(zhuǎn),.,55,.,56,1.1風(fēng)力機(jī)葉片翼型理

7、論,葉片弦長(zhǎng)、扭角示意,.,57,1.1風(fēng)力機(jī)葉片翼型理論,葉片和塔架的基本形狀,風(fēng)輪的錐角與仰角,輪轂高度,.,58,1.2升力系數(shù)與阻力系數(shù),變槳距調(diào)節(jié),.,59,1.5最優(yōu)葉尖速比,.,60,4.1變速變槳機(jī)型與定速定槳功率曲線,.,61,功率曲線和Cp曲線,.,62,風(fēng)機(jī)控制,.,63,3.3.1最優(yōu)葉尖速比控制,雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系曲線,.,64,.,65,3.3.2最大風(fēng)能追蹤過(guò)程,通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù),.,66,3.3.3查表法,轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩表,.,67,.,68,3.4爬坡算法,.,69,.,70,.,71

8、,.,72,.,73,1.2升力系數(shù)與阻力系數(shù),升力系數(shù)與阻力系數(shù)隨攻角變化示意,.,74,.,75,.,76,.,77,.,78,.,79,.,80,.,81,.,82,變槳控制,Since most designs use twisted blades, power quality is never ideal across the entire rotor blade.,.,83,.,84,.,85,.,86,偏航 保持正對(duì)風(fēng),主動(dòng)偏航(Large Turbines) 自動(dòng)控制 控制系統(tǒng)控制電機(jī)對(duì)風(fēng) 被動(dòng)偏航(Small Wind) 風(fēng)力自動(dòng)對(duì)風(fēng)r 尾翼 下風(fēng)向風(fēng)機(jī),.,87,.,88,

9、.,89,Source: GL GH Review Report,平均風(fēng)機(jī)偏航誤差 （度）,50%以上的風(fēng)機(jī)，偏航誤差大于6度，有些可以大至30度。這些可以導(dǎo)致很大的年發(fā)電量損失和風(fēng)機(jī)的額外載荷。每種機(jī)型、每臺(tái)風(fēng)機(jī)的偏航誤差都不一樣，典型的風(fēng)機(jī)偏航誤差在 7-10度，相當(dāng)于 2-3% 的發(fā)電量損失。,-2,5%,-7,2%,-0,2%,在歐洲，在隨機(jī)抽取的檢測(cè)風(fēng)機(jī)中，80%以上的風(fēng)機(jī)有2度以上的平均偏航誤差。,偏航誤差引起的年度發(fā)電量損失 %,.,90,Pitch Control Mechanisms,.,91,2.7.1低電壓穿越的概念,.,92,2.7.2低電壓穿越的概念,在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)裝

10、上撬棒電路,檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，閉鎖機(jī)側(cè)變流器，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子回路的旁路保護(hù)裝置。達(dá)到限制通過(guò)變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓的作用，一次來(lái)維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。,.,93,未來(lái)的趨勢(shì),.,94,2005-2010年裝機(jī)平均功率(kW),2005-2010年裝機(jī)平均功率逐年增加，德國(guó)丹麥等國(guó)家平均功率達(dá)到2.5MW,.,95,產(chǎn)品功率等級(jí)所占市場(chǎng)份額 2008-2010,.,96,.,97,商用兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī) (1 of 3),.,98,商用兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī) (2 of 3),.,99,商用兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī) (3 of 3),.,100,DD=直驅(qū)；DFIG=雙饋；FSG=高速齒輪驅(qū)動(dòng)；MSG=中速齒輪驅(qū)

11、動(dòng)；PMG=永磁發(fā)電機(jī) DD=8 FSG=10 MSG=1,.,101,.,102,.,103,.,104,DFIG,.,105,2.1雙饋異步電機(jī)的概念,雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Generator，簡(jiǎn)稱(chēng)DFIG）是一種繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)，由于其定、轉(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電，故簡(jiǎn)稱(chēng)雙饋電機(jī)。,.,106,雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 ，則雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi) 通入的電流頻率應(yīng),2.2變速恒頻的工作原理,在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只要在轉(zhuǎn)子的三相對(duì)稱(chēng)繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率（即f1S）的電流，則在雙饋電機(jī)的定子繞組中就能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢(shì)。所以根據(jù)上述原理，只要控制好轉(zhuǎn)子電流

12、的頻率就可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。,.,107,2.3雙饋電機(jī)等效電路,發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓電流的正方向按發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的正方向按電動(dòng)機(jī)慣例，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反為正，轉(zhuǎn)差率s按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速為正，參照異步電機(jī)的分析方法，在一系列理想條件下，可得雙饋發(fā)電機(jī)的等效電路,雙饋電機(jī)等效電路,普通繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)等效電路,.,108,亞同步運(yùn)行時(shí)雙饋電機(jī)的功率流向示意圖,超同步運(yùn)行時(shí)雙饋電機(jī)的功率流向示意圖,.,109,2.6.1變頻器交流勵(lì)磁控制,采用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波,.,110,2.6.1變頻器交流勵(lì)磁控制,ua,ub,uc,PWM：脈寬調(diào)制,.,111,提效,.,112,.,113,風(fēng)含功率