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1、产品技术基础培训之产品技术基础培训之风力发电机组工作原理基础风力发电机组工作原理基础江苏华创光电科技有限公司江苏华创光电科技有限公司2目录目录 风力发电背景风力发电背景风电机组的工作原理风电机组的工作原理风电机组的结构风电机组的结构风电机组控制系统风电机组控制系统风力发电背景3一、化石能源枯竭全球能源形势全球能源形势矿物燃料消耗过度矿物燃料消耗过度环境压力日益严重环境压力日益严重每年消耗每年消耗56亿吨煤亿吨煤25亿吨石油亿吨石油至至2030年二氧化碳排年二氧化碳排放上涨放上涨50%，每年，每年420多亿吨多亿吨石油价格波动，煤炭石油价格波动，煤炭价格持续上涨价格持续上涨煤炭煤炭150年，石油
2、年，石油80年枯竭年枯竭能源安全受到挑战能源安全受到挑战4二、碳排放和温室效应 各种全球变暖背景下的极端气候影响在世界各国频频上演，暴雪、飓风、洪水、干旱全球气候变暖还引起冰川崩塌消融、海平面上升、粮食减产、物种灭绝全球气候变化是由化石燃料燃烧排放大量温室气体而造成的。化石燃料占二氧化碳排放量比重化石燃料占二氧化碳排放量比重化石能源2006二氧化碳排放量 Mt2008二氧化碳排放量 Mt百分比煤煤8336867273.5%石油石油8828597.2%燃气燃气2217232019.6%总量总量1143511851100%世界能源利用发展趋势从依赖常规化石能源如石油、煤、天然气）转向充分利用可再生
3、能源（风能、太阳能、生物质能等）。其中风电可以减少温室气体排放，平均每提供100万千瓦时的电量，可以减少600吨二氧化碳排放量。2009年，全球二氧化碳含量由于风能的应用减少了，相当于全年因发电而产生的二氧化碳总量的1.93%。特点：风能是一种取之不尽用之不竭的能源利用风能可以在相对短的时间内产出大量电能 风能是一种不产生二氧化碳的能源形式，有利于减少温室气体的排放5风能是地球表面大量空气流能是地球表面大量空气流动所所产生的生的动能。由于地面各能。由于地面各处受太阳受太阳辐照后气温照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起大气而引起大气层中中压力分布不
4、均，在水平方向高力分布不均，在水平方向高压空气向低空气向低压地区流地区流动，即，即形成形成风。风能作为一种高效清洁的永不枯竭的能源正受到越来越多国家的高度重视。全球的全球的风能能约为2.74109MW，其中可利用的，其中可利用的风能能为2107MW，是全球可开，是全球可开发利用水能利用水能资源源总量的量的1010多倍，相当于多倍，相当于1080010800亿吨吨标准煤准煤产生的能量，生的能量，约是全世界目前能源消是全世界目前能源消费量的量的100100倍倍。6风能7目录目录 风力发电背景风力发电背景风电机组的工作原理风电机组的工作原理风电机组的结构风电机组的结构风电机组控制系统风电机组控制系统
5、风电机组的工作原理和结构风电机组的工作原理和结构风风电电机组机组风电机组的工作原理和结构风电机组的工作原理和结构风力力发电机机组（以下（以下简称称风力机力机）是一种）是一种将将风能能转换为电能能的的能量能量转换装置装置10目录目录 风力发电背景风力发电背景风电机组的工作原理风电机组的工作原理风电机组的结构风电机组的结构风电机组控制系统风电机组控制系统11风电机组的工作原理和结构风电机组的工作原理和结构12机舱内部结构机舱内部结构轮毂：轮毂：连接主轴与叶片，将风力对叶片的作用载荷传递给主轴以及齿轮箱轴承：轴承：支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度风力机的结构组成风力机的结
6、构组成组成：轮毂 叶片 控制系统13叶片叶片轮毂轮毂主传动系统主传动系统主轴主轴变桨电机变桨电机风轮风轮将风能转化为机械能，将风能转化为机械能，600 kW600 kW的风力机叶片的长度为的风力机叶片的长度为2121米。米。类型：单叶片、双叶片、三叶片和多叶片 定桨风轮和变桨风轮轮毂：连接主轴与叶片，将风力对叶片的作用载荷传递给主轴以及齿轮箱2、风力机的结构组成14p变桨电机：变桨电机：每个叶片都有一个变桨电机，并带有刹车、测速传感器、编码器及强制空冷装置。p备用电源：备用电源：用于电网断电和安全链中断时叶片的变桨控制。p充电器：充电器：带有充电控制和电压检测装置。p转换器：转换器：三相两路装
7、置，用于向变桨电机输送直流电。p变桨控制器变桨控制器 除变桨电机，其余部件都在轴控制柜或公用控制柜内，每个叶片都有单独控制器。结构和功能结构和功能2、风力机的结构组成15主 轴：支撑轮毂和传递负载（轴向力，剪力（径向力），弯矩和扭矩）主传动系统低速轴：联接叶轮轮毂与齿轮箱。低速轴是中空轴，内部穿过液压管路控制气动刹车高速轴：转速大约为1500转/分，它的作用是带动发电机。同时在高速轴上安装有一套机械刹车。2、风力机的结构组成16主传动系统齿轮箱箱 一一侧连接低速接低速轴，另一，另一侧连接高速接高速轴高速高速轴 转速大速大约为1500转/分，它的作用是分，它的作用是带动发电机。同机。同时在高速在
8、高速轴上安装有一套机械刹上安装有一套机械刹车发电机机 发电机通常被称机通常被称为感感应型型发电机或异步机或异步发 电机机2、风力机的结构组成17控制器控制器 计算机持算机持续监控控风力力发电机的机的状状态，控制偏航。在任何故障状，控制偏航。在任何故障状态下，下，计算机立即控制算机立即控制风机停机。机停机。液液压系系统 作用是控制作用是控制风力力发电机气机气动刹刹车装置。装置。冷却系冷却系统 包含有冷却包含有冷却发电机的机的风扇，扇，冷却冷却齿轮油的散油的散热器，一些器，一些风力力发电机机还装装设有有发电机水冷装置。机水冷装置。偏航系偏航系统 通通过偏航偏航电机推机推动机机舱对风2、风力机的结构
9、组成18塔架塔架 作用是承作用是承载机机舱和叶和叶轮。一。一台台600千瓦千瓦风力力发电机的塔架机的塔架约为40-60米高。塔架有米高。塔架有锥形形圆柱柱钢塔架，也有桁架式塔架塔架，也有桁架式塔架，在，在其内部装有梯子。其内部装有梯子。风速速仪和和风向向标 用于用于测量量风速和速和风向。向。叶片的制造19叶片必须有足够的强度，因此，在叶片必须有足够的强度，因此，在每一个叶片内部都有一根与叶片长每一个叶片内部都有一根与叶片长度几乎一样长的梁。度几乎一样长的梁。叶片的制造20叶片分为两扇，分别进行生叶片分为两扇，分别进行生产，然后，将两扇组合起来，产，然后，将两扇组合起来，就形成了一个完整的的叶片
10、。就形成了一个完整的的叶片。图中的工人正在给玻璃钢上图中的工人正在给玻璃钢上铺塑胶。铺塑胶。在两扇叶片组合之前，先在两扇叶片组合之前，先将那根梁放在中间将那根梁放在中间叶片的制造21两扇叶片放入一个模具两扇叶片放入一个模具然后合上。然后将给其然后合上。然后将给其加热，使得玻璃钢更加加热，使得玻璃钢更加坚固。坚固。叶片表面必须足够光滑，叶片表面必须足够光滑，使得风穿过叶片表面时使得风穿过叶片表面时不会减速。因此，在一不会减速。因此，在一些刮擦痕处须填充玻璃些刮擦痕处须填充玻璃纤维。最后，对叶片进纤维。最后，对叶片进行打磨抛光直到叶片表行打磨抛光直到叶片表面光滑为止。面光滑为止。22双馈式的特点：
11、双馈式的特点：双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率变换器（一般为双双馈电机定子直接与电网相连，转子侧通过功率变换器（一般为双PWM 交交直直交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的交型变换器）连接到电网。该功率变换器的容量仅为电机容量的1/4左右，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。左右，并且能量可以双向流动，这是这种机型的优点。该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出频率和转子机械频率的关该种机型是利用发电机转子励磁频率、定子输出频率和转子机械频率的关系，通过改变转子的励磁频率而使机组完成变速恒频运行，进而实现最大系，通过改变转子的励磁频率而使机组完成变速恒频运
12、行，进而实现最大风能捕获。风能捕获。对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的有功和无功的解偶控制，对电网而言，该系统利用矢量控制实现了输出的有功和无功的解偶控制，可以为电网输出无功，保证了输出电能质量。可以为电网输出无功，保证了输出电能质量。此技术路线为技术最成熟、市场占有率最高的技术路线。双馈机型双馈机型23直驱式的特点：直驱式的特点：风轮直接与低速（多极）励磁同步发电机（也有利用永磁同步发电的）相连，省去了风轮直接与低速（多极）励磁同步发电机（也有利用永磁同步发电的）相连，省去了故障多发部件故障多发部件-齿轮箱。电机全功率通过电力电子装置连接到电网。利用电力电子技术齿轮箱。电机全功率通过
13、电力电子装置连接到电网。利用电力电子技术可以控制系统输出的有功和无功功率，同样也可以使机组捕获最大风能；可以控制系统输出的有功和无功功率，同样也可以使机组捕获最大风能；齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪音，更是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性；的设计成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性；其缺点是：直驱发电机体积大而
14、笨重其缺点是：直驱发电机体积大而笨重，电机设计成本较高。，电机设计成本较高。直驱机型直驱机型24目录目录 风力发电背景风力发电背景风电机组的工作原理风电机组的工作原理风电机组的结构风电机组的结构风电机组控制系统风电机组控制系统25风力机控制系统风力机控制系统26主控系主控系统：主控系：主控系统是是风机控制系机控制系统的主体，它的主体，它实现自自动启启动、自、自动调向、自向、自动调速、自速、自动并网、自并网、自动解列、故解列、故障自障自动停机、自停机、自动电缆解解绕及自及自动记录与与监控等重要控制、控等重要控制、保保护功能。功能。对外的三个主要接口系外的三个主要接口系统就是就是监控系控系统、变桨
15、控制系控制系统以及以及变频系系统（变频器），它与器），它与监控系控系统接口完成接口完成风机机实时数据及数据及统计数据的交数据的交换，与，与变桨控制系控制系统接口完成接口完成对叶叶片的控制，片的控制，实现最大最大风能捕能捕获以及恒速运行，与以及恒速运行，与变频系系统（变频器）接口器）接口实现对有功功率以及无功功率的自有功功率以及无功功率的自动调节。主控制系统主控制系统2728变桨控制系控制系统：控制：控制时一般都以一般都以发电机机额定功率或定功率或转子子转速速为界，即当界，即当发电机机输出功率（出功率（转速）低于速）低于额定定值时，进行行变速恒速恒频控制，最大捕控制，最大捕获风能；而能；而当当输
16、出功率（出功率（转速）高于速）高于额定定值时，进行行变桨距控制，距控制，维持持发电机功率在机功率在额定定值附近。要附近。要实现真正的独立真正的独立变桨,输入入变量包括量包括桨叶叶节距角距角变化和化和风速，以速，以及每个及每个桨叶受力等叶受力等,实现多多变量控制。量控制。29液液压变桨系统组成：油箱、液压动力泵、动力单元蓄压器、液压管路、旋转接头、变桨系统蓄压器以及三套独立的变桨装置优点：单位体积小、重量轻、扭矩大无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行顺桨作业；增容便捷。单位体积小、重量轻、扭矩大无需变速机构，在失电时将蓄压器作为备用动力源对桨叶进行顺桨作业；增容便捷。缺点：漏油，对环境要求较高（温度）：漏油，对环境要求较高（温度）30原理液压变桨液压变桨变桨距伺服控制系统的原理图如图变桨距伺服控制系统的原理图如图1所示。变桨距控制系所示。变桨距控制系统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、统由信号给定、比较器、位置（桨距）控制器、速率控制器、D/A转换器、执行机构和反馈回路组成。转换器、执行机构和反馈回路组成。31电动变桨电动变桨驱动器、编码器、限位开关、电池（超级电容）32偏航系统偏航系统33偏航系统组成部件偏航系统组成部件34偏航系统组成部件偏航系统组成部件35偏航系统组成部件偏航系统组成部件36偏航系统组成部件偏航系统组成部件37