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主要风机厂商齿轮箱配套模式


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主要风机厂商轴承配套模式

国家

企业名称

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风电机型 1.1 风力发电机简介

风力发电机一般由风轮发电机包括传动装置调向器,尾翼塔架限 速安全机构和储能装置等构建组成。 风轮是集风装置它的作用是把流 动空气的动能转变为风轮旋转的机械能,一般它由 2~3 个叶片构成, 风轮转动的机械能通过传动装置增速齿轮箱传递到发电机转化成电 能。其基本工作原理是:风轮在风力的作用下旋转将风的动能转变为 风轮轴的机械能,风轮轴带动发电机旋转发电,其中风能转化装置称 为风力机。 风电技术看似简单其实不然, 风电机组实际上是一个多种高技术 应用的综合体,涉及空气动力学、结构动力学、材料科学、声学、机 械工程、动力工程、电气工程、控制技术、气象学、环境科学等多个 学科和多种领域及相互交叉。 风电技术的发展与空气动力学航空学的 发展密切相关,同时风电技术必须具备高强度的抗疲劳性能。 1.2 风力发电机并网 当今风力发电有三种基本运行方式: 一是独立运行方式, 通常是一台小型风力发电机向一户或几户提 供电力,它用蓄电池蓄能以保证无风时的用电。 二是风力发电与其他发电方式,如柴油机发电相结合向一个单 位,一个村庄或一个海岛供电。 三是风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一 处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机而这是风力发电的主要 发展方向。 由于风电的分散性、小型化、间歇性、不可调度性,以及地理条

件等因素的限制,相当一部分风电场位于边远地区甚至无人居住地 区,大量风电并网后会对电力系统的安全稳定运行带来一定的影响。 此外, 我国目前采用较多的异步发电机系统在发出有功功率的同时还 要从系统吸收无功功率,给电网造成一定的负担。因此,随着风电装 机容量的不断扩大,研究其并网接入方式十分必要。目前国内已有不 少学者对风电并网作了大量的研究,并取得了很多成果,以下便为不 同风电机组和其并网接入系统: 1.2.1 同步发电机

该结构中允许同步发电机以可变速度运行, 能够产生可变电压和 频率的功率,作为在并网发电系统中普遍应用的同步发电机,在运行 时既能输出有功功率,又能提供无功功率,且频率稳定,对于由风力 机驱动的同步发电机与电网并联运行时可采用自动准同步并网和自 同步并网方式。由于风电的电压、频率的不稳定性往往造成应用前者 并网比较困难,而对于后者,由于并网装置相对简单使得并网操作简 化,并网时间短。对于同步发电机,最常见的结构是通过 AC—DC — AC 的整流逆变方式与系统进行并网其原理结构如图所示。

发电机

整流器

逆变器

1.2.2

笼型异步发电机

由异步发电机的特点可知为了使风电与电网并联, 必须在风力机 和异步发电机之间加装增速齿轮箱,以提高转子的转速。由电机学可 知,异步发电机是靠滑差率调整负荷,其输出的功率与转速近乎线性 关系,因此不需要同步设备,并网相对简单,维护较少;但并网瞬间 冲击电流较大,而且需要电容无功补偿装置,增加了结构的复杂性, 一般采取的并网方式有直接并网、降压并网和晶闸管软并网。下图为 异步发电机的晶闸管并网的结构原理图。

双向晶 闸 管

变速齿轮箱

异步发电机

补偿电容

1.2.3

绕线式异步发电机

绕线式异步发电机的转子上有三相绕组, 可通过集电环与外部相 连,通过外接可变转子电阻,改变发电机的转差率。与转子相连的方 法有 3 种:转差功率恢复、循环变换器和转子电阻斩波控制。 双馈异步发电机 双馈异步发电机的转子通过变频器与电网相连能够实现功率的 双向流动。由于在风力机变速运行时发电机也为变速运行,因此为了 实现与电网的并联, 将由双馈异步电机和以自关断器件为功率开关的 变频器组成的系统采用脉宽调制技术(PWM)控制。采用双馈异步电 机,只要根据风速的变化和发电机转速的变化调整转子的电流频率, 即可实现恒频控制。该方式需要的变频器容量较小,而且能够实现有 功、无功的灵活控制,其结构简图与 4.2.1 图相似,只是由同步电机 变为双馈异步发电机,同时增加了测速装置。 1.3 风电并网对电能质量的影响以及电压波动与闪变的抑制

随着越来越多的风电机组并网运行, 风力发电对电网电能质量的 影响引起了广泛关注。 风资源的不确定性和风电机组本身的运行特 性使风电机组的输出功率呈波动性,可能会影响电网的电能质量,如 电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。风力发电机组大多采用软并网 方式,但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风 速时,风机会从额定出力状态下自动退出运行。如果整个风电场所有 风机几乎同时动作,这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此, 风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动, 而其波动正 好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于 25 Hz) ,因此,风 机在正常运行时也会给电网带来闪变问题。 电压波动和闪变是风力发 电对电网电能质量的主要负面影响之一。 目前,大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电 压波动与闪变的功能, 如静止无功补偿器 (SVC) 有源滤波器 、 (APF) 、 动 态 电 压 恢 复 器 ( DVR ) 以 及 配 电 系 统 电 能 质 量 统 一 控 制 器 , (DS2Unicon)等。 1.3.1 静止无功补偿器(SVC) 电压闪变是电压波动的一种特殊反映, 闪变的严重程度与负荷变 化引起的电压变动相关,在高电压或中压配电网中,电压波动主要与 无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。 在电网短路容量一定的情 况下,电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。因此,对于电 压闪变的抑制,最常用的方法是安装静止无功补偿装置,目前这方面 的技术已相当成熟. 但是, 由于某些类型的 SVC 本身还产生低次谐波

电流,须与无源滤波器并联使用,实际运行时可能由于系统谐波谐振 使某些谐波严重放大。因此,在进行补偿时,要求采用具有响应时间 短、且能够直接补偿负荷的无功冲击电流和谐波电流的补偿器。 1.3.2 有源电力滤波器(APF) 要抑制电压闪变,必须在负荷电流急剧波动的情况下,跟随负荷 变化实时补偿无功电流. 近年来,采用电力晶体管(GTR)和可关断 晶闸管(GTO)及脉宽调制(PWM)技术等构成的有源滤波器,可对负 荷电流作实时补偿。 有源电力滤波器的工作原理与传统的 SVC 完全不 同, 它采用可关断的电力电子器件 ,基于坐标变换原理的瞬时无功理 论进行控制, 其作用原理是利用电力电子控制器代替系统电源向负荷 提供所需的畸变电流,从而保证系统只须向负荷提供正弦的基波电 流。有源电力滤波器与普通 SVC 相比,有以下优点:响应时间快、对 电压波动、闪变补偿率高,可减少补偿容量;没有谐波放大作用和谐 振问题,运行稳定;控制强、能实现控制电压波动、闪变和稳定电压 的作用,同时也能有效地滤除高次谐波,补偿功率因数。 1.3.3 动态电压恢复器(DVR) 在中低压配电网中,有功功率的快速波动同样会导致电压闪变, 这就要求补偿装置在抑制电压波动与闪变时, 除了进行无功功率补偿 使供电线路无功功率波动减小外,还需提供瞬时有功功率补偿。因而 传统的无功补偿方法不能有效地改善这类电能的质量, 只有带储能单 元的补偿装置才能满足要求。动态电压恢复器(DVR)是将 1 台由 3 个单相电压源变流器构成的三相变流器串联接入电网与欲补偿的负

荷之间。这里的逆变器采用 3 个单相结构,目的是为了更灵活地对三 相电压和电流进行控制,并提供对系统电压不对称情况的补偿。该装 置的核心部分为同步电压源逆变器,当线路侧电压发生突变时,DVR 通过对直流侧电源的逆变产生交流电压, 再通过变压器与原电网电压 相串联,以补偿系统电压的跌落或抵消系统电压的浪涌.由于 DVR 通 过自身的储能单元,能够在 ms 级内向系统注入正常电压与故障电压 之差,可用于克服系统电压波动对用户的影响。因此,它是解决电压 波动、不对称、谐波等动态电压质量问题的有效工具,是面向负荷的 补偿装置, 起到将系统与负荷隔离的作用. 该装置仅对特定负荷加以 补偿, 所以其容量仅取决于负荷的补偿容量和要求的补偿范围。 目前, 大部分 DVR 装置的直流侧采用电容来提供直流电压,只能提供有限 的能量,若要求 DVR 长时间提供电压补偿,则必须让 DVR 输出的电压 和电流垂直,这样 DVR 装置不提供有功,只进行无功交换,即可满 足长期工作的要求。 1.3.4 统一电能质量控制器(UPFC)及其他补偿装置 统一电能质量控制器(UPFC)结合了串、并联补偿装置的特点, 具有对电压、电流质量问题统一补偿的功能,属于综合的补偿装置。 含有储能单元的串、并联组合的用户电力综合补偿装置,除了应用于 配电系统的谐波补偿外, 还可以解决瞬时供电中断和电压波动等动态 电压质量问题,提高供电的可靠性。 1.4 电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求 随着风电装机容量的不断增加, 风电在电力系统中的地位发生了

转变。风电装机容量较小时,风电场的运行对系统稳定性的影响可以 不予考虑; 当风电装机容量越来越大, 在系统中所占比例逐年增加时, 风电场的运行对系统稳定性的影响变得不容忽视。 世界各国电力系统 对风电场接入电网时的要求越来越严格, 甚至用常规电源的标准来要 求风电场。在风电场容量相对较小并且分散接入电网时,风电场被视 作分布式电源,在系统故障时可立刻退出运行 。随着新能源应用技 术的快速发展,风电场数量和单个风电场的装机容量不断增大,风电 总装机容量在系统中所占比例越来越高, 对电力系统的影响也越来越 大。 为维持电力系统的稳定运行除要求提高风电机组自身的技术水平 外,各国电网公司都相继对风电场/风电机组的并网提出了更严格的 技术要求,包括低电压穿越(low voltage ) 能力、无功控制能力以 及输出功率控制能力等,其中 LVRT 被认为是对风电机组设计制造技 术的最大挑战。 风电机组的 LVRT 能力是指其在端电压降低到一定值的情况下不 脱离电网而继续维持运行, 甚至还可为系统提供一定无功支持以帮助 系统恢复电压的能力。德国 E.ON 公司对风电场/风电机组 LVRT 能力 的具体要求见图, 其中实线范围内表示风电机组不但不脱离系统而且 还向系统提供一定的无功支持,当端电压跌至额定电压的 15%时要求 风电机组能够维持运行 625 ms,当风电机组端电压在其额定电压的 90%及以上时要求风电机组能够持续运行。

U/ Un 100 % 90 %

70 % %

风电机组 持续运行 电压值

45 % %

15 % %

0

150

700

1500

3000

t/ms

在现阶段提高风电场/风电机组的 LVRT 能力,会导致风电机组/ 风电场的工程造价增加,而且对 LVRT 能力要求越严格则工程造价就 越高。 因此, 风电场规划设计阶段应根据风电场所用风电机组的类型, 详细分析电网结构和风电场接入方案,确定系统故障对风电场/风电 机组的影响程度,并以此来决定风电机组 LVRT 能力应满足要求。

1.6.5 风力机的发电机 发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备, 风力发电 常用的发电机有 4 种。 (1)直流发电机:常用在微、小型风力发电机上,直流电压为 12、24、36V 等。中型风力发电机上也有采用直流发电机的。 (2)永磁发电机:常用在小型风力发电机上,中、大型风力发

电机上一般不用,其电压为 115V、127V 等。有交流也有直流。最近 我国发明了交流电压 440V/240V 的高效永磁交流发电机, 可以制成多 极低转速,比较适合风力发电机用。 (3)同步交流发电机:它的电枢磁场与主磁场同步旋转同步转 速:n=60f/P。 (4)异步交流发电机:异步交流发电机的电枢磁场与主磁场不 同步旋转,其转速略比同步转速低,当并网时它的转速应提高。 交流发电机与直流发电机相比,具有体积小,重量轻,结构简单 低速发电性能好对周围的无线电设备干扰少等优点。因此,在独立运 行的小容量发电系统中,较多地采用永磁式或自励式交流发电机。对 于在并网运行的中大型发电系统中, 普遍采用同步发电机或异步发电 机。 由上所述可以看出,基本驱动链结构的技术比较成熟,其他结构 都有设计风险。 目前中国市场上商业化的有两种机型:基本驱动链结构、单 永磁发电机直驱结构,各有优缺点。 双馈式基本驱动链结构的优点: (1)变流器容量小,降低机组成本,容量越大优势越明显; (2)变速范围宽,可以在同步速上下 30%转速范围内运行; (3)输出电能质量高,可以调节有功、无功功率输出,调节 功率因数,起到电网无功补偿的作用。 双馈式基本驱动链结构的缺点:

(1)电机转子绕组带有滑环、碳刷,增加维护和故障率; (2)控制系统结构复杂,有难度。 单永磁发电机直驱结构主要优点: (1)系统结构简单; (2)故障率低,维护简单; (3)变速运行范围宽,机组风能捕获效率高。 单永磁发电机直驱结构主要缺点: (1)采用的多极低速永磁同步发电机,电机直径大,受运输问 题的限制, 随着机组设计容量的增大, 电机设计、 加工制造都有困难; (2)采用全容量逆变装置,功率变换器设备投资大,增加控制 系统成本。 通过以上分析比较可知在我国,双馈风电机组具有很高的性价 比,尤其适合变速恒频风力发电系统,因而在未来一段时间内仍然是 风电行业的主流机型。永磁直驱风电机组可靠性高,运行维护简单, 电网运行质量大大提高,在技术经济条件成熟时,永磁直驱风电机组 有望成为风电领域更受欢迎的产品。 目前,由于双馈风电机组技术十分成熟,生产厂商较多,业主选 择性更强,运行经验丰富,仍是风电场开发的主流机型,而直驱风电 机组技术尚未完全成熟,国内生产厂商较少,有些机型还处在设计研 发阶段,并且已投入运行的机组运行时间较短,其性能、工艺质量尚 需时日考验。更大兆瓦级直驱风电机组仍需在结构、材料、工艺等方 面进一步研究。此外,使用性能更好的变流器才会有更好的前景,然

而鉴于风电机组的选型是一项复杂的工作, 应结合具体风场的风资源 特性、地形地貌、交通运输、气候环境条件、国家有关政策以及风电 场运营商的要求来进行操作,为特定的风电场选择合适的风电机组。 1.7 风力发电机的维护 为使风力发电在设计寿命期间内(一般为 20~30 年)能正常地运 行,应按要求进行日常维护。维护的主要项目:检查各紧固件是否松 动;检查各转动;对有刷励磁交流发电机的部件、轴承的润滑状况滑 环和碳刷进行清洗、更换碳刷;检查各执行机构的液压系统是否漏油 ,齿轮箱润滑冷却油是否渗漏,并及时补充;对电控系统的接触 器触点进行维护等。风力发电机的维护要求通常如下: ①风力发电机转动部位的轴承每隔 3 个月应注一次润滑油或润 滑脂,最长不能超过 6 个月,机舱内的发电机等部件的润滑最长间隔 时间不能超过 1 年,具体要视风力发电机运行情况而定。 ②每月都应检查增速器内的润滑、冷却部位是否缺油、漏油。1 年应换油 1 次,至多不能超过 2 年。 ③每周都应检查 1 次有刷励磁发电机的碳刷、 滑环是否因打火被 烧出坑,发现问题应及时维 修和更换。 ④每月都应检查 1 次制动器的刹车片,调整间隙,确保制动刹车 功能。 ⑤每月应检查 1 次液压系统是否漏油。 ⑥每月应检查 1 次所有紧固件是否松动,发现松动即时拧紧。

⑦每月应检查 1 次发电机输出用碳刷和集电环是否接触良好。 用 电缆直接输出的也应检查是 否打结,以防解绕失灵而机械停机开关未起作用造成电缆过缠 绕。 ⑧单机使用的风力发电机经整流(或直接)给蓄电池充电, 再经蓄 电池至“直—交”逆变器的或“交—直—交”逆变的,应每天都检查 1 次蓄电池的充、放电情况及连锁开关是否正常,防止蓄电池过充、 放电而报废;对逆变器也进行检查,防止交流频率发生变化对用电器 造成损害。 ⑨每天都应检查电控系统是否正常。 对微机控制的风力发电机也 应按上述各条进,应尽量减少因故行日常维护障停机修理,以提高风 力发电机的利用率。

2.ABB 的一些关于电机及变流器的资料

目前流行的变速变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方 案:一种是升速齿轮箱+绕线式异步电动机+双馈电力电子变换器; 另一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器。 两种 方案各有优缺点:前者采用高速电机,体积小重量轻,双馈变流器的 容量仅与电机的转差容量相关,效率高、价格低廉,缺点是升速齿轮

箱价格贵,噪音大、易疲劳损坏;后者无齿轮箱,可靠性高,但采用 低速永磁电机,体积大,造价高,变频器需要全功率,成本提高。

除了上述两个方案外,还引入了两个折中方案,一个是低速 集成齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器; 一个是高速齿轮箱的永 磁同步电机 全功率变频器。 根据美国国家可再生能源实验室 NREL 报 告的量化比较数据分析,这两种折中方案也具有很大的发展潜力。

1 四种风力发电系统简介

1.1 高速异步发电机双馈系统(DFIG)

高速异步发电机双馈系统主要由升速齿轮箱+绕线异步发电机 +双馈变频器构成,ABB 发电机典型功率范围为 600~5 000 kW,如 图 1 所示。

DFIG 的特点是发电机转速可以在同步转速上、下两个方向变化。 假设 1.5 MW 风电机组的叶轮转速变化范围为 10~20 r/min, 通常令 1 5 r/min 对应电机同步转速,这样转速变化范围为电机额定转速的± 1/3,相应变频器的功率只有电机功率的 1/3。若想简化机构采用直 接驱动,电机额定转速也应该为 15 r/min,由于异步电机定子接在 5 0 Hz 电网,则要求电机极对数为 200,很难实现,因此该方案必须 使用升速齿轮箱,配高速异步电机(通常采用 6 极电机)。升速齿轮 箱速比大,负荷重,随风速变化波动大且频繁,造价高、易疲劳损坏

是该方案的主要缺点, 另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系 统的可靠性,增加维护工作量。

对数为 200,很难实现,因此该方案必须使用升速齿轮箱,配高 速异步电机(通常采用 6 极电机)。升速齿轮箱速比大,负荷重,随 风速变化波动大且频繁,造价高、易疲劳损坏是该方案的主要缺点, 另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性, 增加维护 工作量。

1.2 低速永磁同步发电机直驱系统(PMDD)

低速永磁同步发电机直驱系统主要由低速永磁同步发电机 全功 率变频器构成,如图 2 所示。ABB 发电机典型功率范围为 600~5 000 kW。

PMDD 的特点是没有升速齿轮箱,叶轮直接驱动低速发电机转子, 消除了 DFIG 的薄弱环节,大大提高可靠性,降低维护工作量。由于 发电机定子绕组不直接与电网相连,而是通过变频器连接,因此电机 额定转速可以降低,使电机极数减少至合理值。缺点是低速电机体积 大,定子绕组绝缘等级要求高,变频器要输送发电机全功率,因此电 机和变频器的价格都比 DFIG 高。

1.3 集成低速齿轮箱的永磁机风力发电系统

该风力发电系统将低速齿轮箱集成在永磁发电机内,使系统的结 构更加紧凑,通常极数大于 20,电机额定转速一般为 120~450 r/mi n,具有更可靠和更长的使用寿命。ABB 发电机典型功率范围为 1~5 MW,结构如图 3 所示。

1.4 高速齿轮箱的永磁机风力发电系统

该系统机械结构与双馈型基本相同,没有了绕线式电机滑环所带 来的弊病,且发电机重量轻,发电效率高,。通常电机的极数为 6 或 8 极,发电机的转速一般为 1 000~2 000 r/min,ABB 变频器典型 功率范围为 1~5 MW,结构如图 4 所示。

2 变速恒频双馈风力发电系统工作原理

2.1 叶轮能量最大捕获原理

风力机通过叶轮来捕获流动的风能,风的能量转化为叶轮旋转的 动能,齿轮箱再把这种机械能传输到发电机,由发电机通过内部的电 磁关系将机械能变为电能输出。图 5 为在不同风速下,叶轮转速与风 力机输出功率的关系图。由图可知,对应于每个风速的曲线,都有一 个最大输出功率点,风速越高,输出功率越高,相应的叶轮转速也越 高。因此,如果能随风速变化改变叶轮转速,使得风力机在所有风速 下都工作于最大功率输出点, 则发出电能最多, 否则发电效能将降低。

双馈发电机的最大风能捕获控制就是通过预先制定的风速对应 的最大功率曲线, 控制风力机转速, 使其跟随风速的变化而相应变化, 保证风力机的叶尖速比恒定,达到最大功率输出。假设在风速 v2 下, 系统最初工作 P1 点,如果风速阶跃变化到 v3,风力机转速由于惯性 保持不变,此时风力机输出机械功率达到 P2 点,大于双馈发电机的 发电功率,此时,风力机输入力矩大于双馈发电机的输出力矩,风力 机转速增加,沿对应于风速 v3 的曲线向 P3 移动,当达到该点后,双 馈发电机根据最大功率曲线给出相应的转矩给定值, 并与风力机输入 力矩相平衡,此时系统便稳定工作于 P3 点,输出对应于 v3 风速下的 最大功率 P3。

2.2 双馈发电机的变速恒频控制原理

根据感应电机定转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理, 可以得出变速恒频风力发电机转速与定转子绕组电流频率关系的数 学表达式

p 为电机的极对数;

n 为风力发电机的转子转速;

f2 为转子电流频率。

当风力发电机转速发生变化时,通过转子侧变频调速装置调节转 子电流频率 f2, 保证 f1 恒定不变, 实现风力发电机的变速恒频控制。

当风力发电机处于亚同步速运行时,即 n < n1(同步转速),f 2 取正号,转子侧变频器从电网吸取功率 Pr(转子功率),为发电机 转子提供频率为 f2 的正向励磁电流,保证定子绕组产生与电网同频 同幅的电压矢量,从而将风力机捕获的机械能 Pmec 转化为电能,此 时定子输出的功率为 Ps=Pmec - Pr。

当风力发电机处于超同步速运行时,即 n > n1(同步转速),f 2 取负号,转子侧变频器将吸收的机械能反馈回电网 Pr,为发电机转 子提供频率为 f2 的负向励磁电流,保证定子绕组产生与电网同频同 幅的电压矢量,同时将风力机捕获的机械能 Pmec 转化为电能,此时 定子输出的电能为 Ps=Pmec+Pr。因此,转子侧变频器应具有以下特 点:

1)具有四象限工作能力,实现能量的双向流动,而且变频器功 率仅为发电机的转差功率,这有利于减少变频器体积,降低系统成本 和投资;

2)利用转子侧励磁电流控制定子侧的无功功率,利用转子侧电 磁转矩电流控制定子侧的有功功率, 实现定子侧有功功率和无功功率 的独立调节;

3)网侧变流器能够实现单位功率因数的正弦波控制。

根据以上特点,交- 直- 交双 PWM 电压型变频器成为变速恒频双 馈风力发电系统首选的方案之一。

3 ABB 风力发电变频器

ABB 传动公司目前主要有两类产品应用于风力发电系统,一类是 应用于双馈发电机系统的变频产品 ACS800-67,一类是应用于永磁 同步电机且无齿轮箱(直驱系统)的变频产品 ACS800-77,这里主 要介绍 ACS800-67。

3.1 控制原理

ACS800-67 风力发电变频器主要和带有转子绕组和滑环的感应 式发电机一起使用,连接于双馈发电机转子和电网之间,电路图如图 6 所示。该变频器既可以安装在塔基处也可以安装于发电机舱内。

变频器工作原理与上节所述一致,当风速变化时,ACS800-67 通过内部控制快速增加或降低转子磁场的旋转速度, 保证发电机获得 最优滑差,达到获得最大发电量的目的。该传动单元也可以完成在将 定子输出接入电网之前使定子输出电压和电网电压同步的目的。 在脱 离电网时, 传动单元通过将转矩给定调整为零, 使定子电流减少至零, 以便将发电机从电网脱离。

网侧变流器是一个基于 IGBT 模块的变流器,将输入的三相交流 电整流为所需的直流电,为转子侧逆变器供电。网侧变流器控制对象 为直流母线电压和网侧无功功率, 通过检测网侧两相电流和直流母线 电压,采用直接转矩的控制方法,实现直流母线电压泵升且恒定以及

网侧功率因数可控(一般设置为 1)的目的。同时也可以实现功率的 双向流动以及降低网侧电流谐波含量的目的。

转子侧变流器包含一个或两个基于 IGBT 的逆变器模块,将直流 电逆变为产生转子磁场所需频率和幅值的三相交流电, 向转子绕组供 电。转子侧变流器控制对象为转矩和无功功率,通过对转矩的控制实 现对发电机有功功率的控制, 通过对无功功率的控制完成对发电机转 子磁场的建立,实现对发电机无功功率的控制。

3.2 变频器选型

如前所述,双馈风力发电系统的变频器由于接在发电机的转子 侧,所以变频器容量可小于发电机的容量,仅为发电机的转差功率, 因此,变频器容量的选择与风力发电机的调速范围密切相关。一般风 力发电机的调速范围为额定转速的 70%~130%,转差率为±30%, 所以变频器的额定容量可选为发电机额定容量的 1/3。表 1 为 ACS80 0-67 的选型表。

假设发电机额定电压为 690 V,额定功率为 2 MW,额定转速为 1 500 r/min,调速范围为±30%,即发电机转速工作范围为 1 000 ~2 000 r/min,因此,变频器的功率可选为 2 MW ×30%=0.6 MW,根 据选型表可得转子侧变流器型号为 ACS800-104-0770-7;而整流 侧变流器由于控制的网侧功率因数为 1,只流过有功电流,故容量相 对较小,型号为 ACS800-104-0580-7。

3.3 技术特点

ACS800-67 具有以下技术特点。

1)长寿命设计变频器内部器件选型和系统配置均按照 20 年使用 年限设计,特别是直流母线电容采用胶片电容替代原有的电解电容, 寿命更长、耐低温特性良好。冷却风扇具有调速功能,可延长其使用 寿命。

2)适用于恶劣的使用环境变频柜内和模块内部均内置加热器, 且配置有温度和湿度传感器,对抗低温和高湿环境。所有线路板均带 有防腐涂层,柜体防护等级为 IP54,保证了变频器恶劣环境下的可 靠工作。

3)高端配置、紧凑型设计变频器将输入 LCL 滤波器、输出滤波 器 DU/DT 以及进线接触器和直流熔断器作为标准配置, 通讯适配器和 以太网适配器作为选装配置。 紧凑型的设计理念使得其在同等功率的 变频器中体积最小,适用于放在发电机舱内。

4)低电压穿越能力在电网发生严重故障期间,比如短路或瞬间 掉电,可通过使用有源或无源 Crowbar 硬件,提供对电网的支持, 保证电机依然在网。

5)优良的可控性由于整流单元采用 IGBT 可控整流,直流母线电 压得到泵升,因此电机转子的电压可控制高达 750 V,风机的速度范

围更宽,转子的电流更低。发电机的功率因数可达到±0.9,甚至更 高,这完全取决于电机设计,变频器对此不成为瓶颈。在转子电压接 近于 0 V 时,变频器也完全可控。可以在速度范围内的任何一点切 入切出。即使在风机静止时,也可以通过整流单元发出无功功率对电 网提供支持。

6)完善的保护功能具有多重保护功能,例如过流、接地、风机 超速和失速等保护功能,提供对电机转子和变频器的完整保护。

4 应用案例

上海南洋电机厂采用 ACS800-67 变频器构建双馈风力发电机的 实验平台,风力机采用直流电动机模拟,即双馈发电机转子靠直流电 动机拖动。系统连接示意图如图 7 所示。技术数据如下。

1)发电机定子额定电压 690 V,定子额定电流 1500A,额定频率 50 Hz,额定功率 1 345kW,额定转速 1 513 r/min,同步转速 1 500 r/min,功率因数 0.9,转子开路电压 1990V,转子电流 550A。

2)变频器型号 ACS800-67-0480/0770-7,调速范围±30%。

4.1 同步运行

双馈风力发电系统投入电网前首先要进行同步运行,即使发电机 的定子电压在幅值、频率和相位上与电网电压达到一致。典型的同步 运行步骤如下:

1)将发电机转子拖动到设定的正常工作范围内,即同步转速的 7 0%~130%,启动变频器;

2) 开关 S1 闭合, 网侧变流器启动为转子侧变流器建立直流电压, 开关 S2 仍然断开;

3)转子侧变流器测量电网电压 Ugrid(开关 S2 的输入侧)和定 子电压 Us;

4)转子侧此时工作于同步模式,转子侧变流器通过磁化转子绕 组,感应出与电网电压同步的定子电压;

5)当定子电压与电网电压同步后,开关 S2 闭合,同步运行过程 完成。此后变频器切换到转矩控制模式,接受给定的转矩和无功功率 指令,准备开始发电。

图 8 为同步运行时记录的曲线图。图 8(a)为发电机转子转速被 直流电动机拖动到 1 300 r/min(如曲线 1 所示)后,变频器投入运 行。开关 S1 闭合后,网侧变流器启动建立直流母线电压(如曲线 2 所示) 当直流母线电压建立完成并稳定后, , 转子侧逆变器投入运行, 为转子绕组提供三相励磁电流,产生旋转的磁场,并在定子绕组上感 生电压(如曲线 4 所示),当定子绕组上的感应电压与电网电压(如 曲线 3 所示)在幅值、频率和相位完全一致后,同步过程完成,可 以随时闭合开关 S2,将发电机并入电网。曲线 5 和 6 分别为同步过 程中的定转子电流。

图 8(b)所示为电网 U 相电压与定子 U 相电压在同步过程中的 变化曲线。由图可知,当变频器投入运行后,定子 U 相电压迅速建 立,并与电网 U 相电压在相位、幅值上完全一致,达到同步的要求。

4.2 发电运行

图 9 为发电机处于超同步运行(转子转速为 1 513 r/min),给 定转矩为额定转矩的 85%,无功功率给定为零时,电网线电压、相 电流的波形图。理论分析可知,当发电机处于超同步运行状态,发电 机的定子侧和转子侧应同时向电网输出电能, 网侧相电流为定子与转 子的电流之和。通常网侧变流器的无功功率给定设置为零,所以定子 与转子电流的相位相同,都与电网电压反相。实际上,由图可知,电 网相电压与定子电流相位相差 180°,完全反相,发电机处于发电状 态,向电网输出电能,功率因数为-1。

5 结语

风力发电作为 21 世纪全球最有发展潜力的新能源之一,必将受 到越来越多的重视。由 ABB 研制和生产的风力发电变频产品 ACS800 -67/77 代表了当今风电的两大主流方向,已经成功应用于世界各 地,对风电技术的全球发展起到了积极的推动作用

3.直驱机型的变流方案 直驱型风力发电技术中变流种类多,方案灵活,代表性强,代表 了风电技术发展的崭新方向。

直驱型风力发电机组风轮与永磁同步发动机直接相连无需齿轮 箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电,经过三相逆变器变 化为三相频率恒定的变流电连接到电网。通过中间电力电子变化环 节,对系统的有功功率和无功功率进行控制,实现最大功率追踪,最 大效率利用风能。 3.1 不可控整流器后街晶闸管逆变器和无功补偿型拓扑结构 3.2 不可控整流器后直接侧电压变化的 PWM 电压源型逆变器型拓 扑结构 3.3 不可控整流器后接直流侧电压稳定的 PWM 电压源型逆变器型 拓扑结构 3.4PWM 整流器后接电压源型 PWM 逆变器型拓扑结构 3.5 不可控整流器后接电流源型逆变器型拓扑结构 3.6 二极管钳位型拓扑结构 3.7 级联 H 桥型拓扑结构 3.8 飞跨电容型拓扑结构 第 3 部分摘于许洪华著风力发电中的电力电子变流技术一书,因 为时间有限未详细摘抄。以后时间充裕时可以补全。


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