風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理培訓(xùn)講課講稿

產(chǎn)品技術(shù)基礎(chǔ)培訓(xùn)(péixùn)之風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理基礎(chǔ)江蘇華創(chuàng)光電科技有限公司第一頁(yè)，共37頁(yè)。2目錄(mùlù)風(fēng)力(fēnglì)發(fā)電背景風(fēng)電機(jī)組的工作原理風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)第二頁(yè)，共37頁(yè)。風(fēng)力發(fā)電(fādiàn)背景3一、化石(huàshí)能源枯竭全球能源形勢(shì)礦物燃料消耗過(guò)度環(huán)境壓力日益嚴(yán)重每年消耗56億噸煤25億噸石油至2030年二氧化碳排放上漲50%，每年420多億噸石油價(jià)格波動(dòng)，煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)上漲煤炭150年，石油80年枯竭能源安全受到挑戰(zhàn)第三頁(yè)，共37頁(yè)。4二、碳排放(páifànɡ)和溫室效應(yīng)各種全球變暖背景下的極端氣候影響在世界各國(guó)頻頻上演，暴雪、颶風(fēng)、洪水、干旱……全球氣候變暖還引起冰川崩塌消融(xiāoróng)、海平面上升、糧食減產(chǎn)、物種滅絕……全球氣候變化是由化石燃料燃燒排放大量溫室氣體而造成的。化石燃料(ránliào)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8336867273.5%石油8828597.2%燃?xì)?217232019.6%總量1143511851100%第四頁(yè)，共37頁(yè)。世界能源利用發(fā)展趨勢(shì)從依賴常規(guī)化石能源如石油、煤、天然氣）轉(zhuǎn)向充分利用可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等）。其中風(fēng)電可以減少溫室氣體排放，平均(píngjūn)每提供100萬(wàn)千瓦時(shí)的電量，可以減少600噸二氧化碳排放量。2009年，全球二氧化碳含量由于風(fēng)能的應(yīng)用減少了228.7Mt，相當(dāng)于全年因發(fā)電而產(chǎn)生的二氧化碳總量的1.93%。特點(diǎn)：風(fēng)能是一種取之不盡用之不竭的能源利用風(fēng)能可以在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出大量電能

風(fēng)能是一種不產(chǎn)生二氧化碳的能源形式，有利于減少溫室氣體的排放5第五頁(yè)，共37頁(yè)。風(fēng)能是地球表面大量空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。由于地面各處受太陽(yáng)輻照后氣溫變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起大氣層中壓力分布不均，在水平方向高壓空氣向低壓地區(qū)流動(dòng)，即形成風(fēng)。風(fēng)能作為一種高效清潔的永不枯竭的能源正受到越來(lái)越多國(guó)家的高度重視。全球(quánqiú)的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，是全球(quánqiú)可開(kāi)發(fā)利用水能資源總量的10多倍，相當(dāng)于10800億噸標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的能量，約是全世界目前能源消費(fèi)量的100倍。6風(fēng)能(fēnɡnénɡ)第六頁(yè)，共37頁(yè)。7目錄(mùlù)風(fēng)力發(fā)電背景風(fēng)電機(jī)組的工作原理(yuánlǐ)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)第七頁(yè)，共37頁(yè)。風(fēng)電機(jī)組的工作原理(yuánlǐ)和結(jié)構(gòu)風(fēng)電

機(jī)組(jīzǔ)第八頁(yè)，共37頁(yè)。風(fēng)電機(jī)組(jīzǔ)的工作原理和結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)力機(jī)）是一種將風(fēng)能(fēnɡnénɡ)轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置第九頁(yè)，共37頁(yè)。10目錄(mùlù)風(fēng)力發(fā)電背景風(fēng)電機(jī)組(jīzǔ)的工作原理風(fēng)電機(jī)組(jīzǔ)的結(jié)構(gòu)風(fēng)電機(jī)組(jīzǔ)控制系統(tǒng)第十頁(yè)，共37頁(yè)。11風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪輪轂変槳導(dǎo)流罩機(jī)艙主軸系統(tǒng)增速箱發(fā)電機(jī)偏航剎車散熱排風(fēng)機(jī)艙罩風(fēng)速風(fēng)向儀塔架風(fēng)電機(jī)組(jīzǔ)的工作原理和結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共37頁(yè)。12機(jī)艙(jīcāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)輪轂：連接主軸與葉片，將風(fēng)力對(duì)葉片的作用(zuòyòng)載荷傳遞給主軸以及齒輪箱軸承：支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度第十二頁(yè)，共37頁(yè)。風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成組成(zǔchénɡ)：輪轂葉片控制系統(tǒng)13葉片(yèpiàn)輪轂主傳動(dòng)系統(tǒng)主軸變槳電機(jī)風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，600kW的風(fēng)力機(jī)葉片的長(zhǎng)度為21米。類型：?jiǎn)稳~片、雙葉片、三葉片和多葉片定槳風(fēng)輪和變槳風(fēng)輪輪轂：連接主軸與葉片，將風(fēng)力對(duì)葉片的作用載荷傳遞給主軸以及齒輪箱第十三頁(yè)，共37頁(yè)。2、風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成14變槳電機(jī)：每個(gè)葉片都有一個(gè)變槳電機(jī)，并帶有剎車、測(cè)速傳感器、編碼器及強(qiáng)制空冷裝置。備用(bèiyòng)電源：用于電網(wǎng)斷電和安全鏈中斷時(shí)葉片的變槳控制。充電器：帶有充電控制和電壓檢測(cè)裝置。轉(zhuǎn)換器：三相兩路裝置，用于向變槳電機(jī)輸送直流電。變槳控制器除變槳電機(jī)，其余部件都在軸控制柜或公用控制柜內(nèi)，每個(gè)葉片都有單獨(dú)控制器。結(jié)構(gòu)(jiégòu)和功能第十四頁(yè)，共37頁(yè)。2、風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成15主軸：支撐輪轂和傳遞負(fù)載(fùzài)（軸向力，剪力（徑向力），彎矩和扭矩）主傳動(dòng)系統(tǒng)低速軸：聯(lián)接葉輪(yèlún)輪轂與齒輪箱。低速軸是中空軸，內(nèi)部穿過(guò)液壓管路控制氣動(dòng)剎車高速軸：轉(zhuǎn)速大約為1500轉(zhuǎn)/分，它的作用是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。同時(shí)在高速軸上安裝有一套機(jī)械剎車。第十五頁(yè)，共37頁(yè)。2、風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成16主傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱一側(cè)連接低速軸，另一側(cè)連接高速軸高速軸轉(zhuǎn)速大約為1500轉(zhuǎn)/分，它的作用是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。同時(shí)在高速軸上安裝有一套機(jī)械剎車發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)通常被稱為(chēnɡwéi)感應(yīng)型發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)第十六頁(yè)，共37頁(yè)。2、風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成17控制器計(jì)算機(jī)持續(xù)監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，控制偏航。在任何故障狀態(tài)下，計(jì)算機(jī)立即控制風(fēng)機(jī)停機(jī)。液壓系統(tǒng)作用是控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)剎車裝置。冷卻系統(tǒng)包含有冷卻發(fā)電機(jī)的風(fēng)扇(fēngshàn)，冷卻齒輪油的散熱器，一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)還裝設(shè)有發(fā)電機(jī)水冷裝置。偏航系統(tǒng)通過(guò)偏航電機(jī)推動(dòng)機(jī)艙對(duì)風(fēng)第十七頁(yè)，共37頁(yè)。2、風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)(jiégòu)組成18塔架作用是承載機(jī)艙和葉輪。一臺(tái)600千瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架約為40-60米高。塔架有錐形圓柱鋼塔架，也有桁架式塔架，在其內(nèi)部(nèibù)裝有梯子。風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)用于測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。第十八頁(yè)，共37頁(yè)。葉片(yèpiàn)的制造19葉片必須有足夠的強(qiáng)度，因此，在每一個(gè)葉片內(nèi)部都有一根與葉片長(zhǎng)度(chángdù)幾乎一樣長(zhǎng)的梁。第十九頁(yè)，共37頁(yè)。葉片(yèpiàn)的制造20葉片分為兩扇，分別進(jìn)行生產(chǎn)，然后，將兩扇組合起來(lái)，就形成了一個(gè)完整的的葉片。圖中的工人(gōngrén)正在給玻璃鋼上鋪塑膠。

在兩扇葉片組合之前(zhīqián)，先將那根梁放在中間第二十頁(yè)，共37頁(yè)。葉片(yèpiàn)的制造21兩扇葉片放入一個(gè)模具然后合上。然后將給其加熱(jiārè)，使得玻璃鋼更加堅(jiān)固。葉片表面(biǎomiàn)必須足夠光滑，使得風(fēng)穿過(guò)葉片表面(biǎomiàn)時(shí)不會(huì)減速。因此，在一些刮擦痕處須填充玻璃纖維。最后，對(duì)葉片進(jìn)行打磨拋光直到葉片表面(biǎomiàn)光滑為止。第二十一頁(yè)，共37頁(yè)。22雙饋式的特點(diǎn)：雙饋電機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)(tōngguò)功率變換器（一般為雙PWM交—直—交型變換器）連接到電網(wǎng)。該功率變換器的容量?jī)H為電機(jī)容量的1/4左右，并且能量可以雙向流動(dòng)，這是這種機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)。該種機(jī)型是利用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率、定子輸出頻率和轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率的關(guān)系，通過(guò)(tōngguò)改變轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁頻率而使機(jī)組完成變速恒頻運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。對(duì)電網(wǎng)而言，該系統(tǒng)利用矢量控制實(shí)現(xiàn)了輸出的有功和無(wú)功的解偶控制，可以為電網(wǎng)輸出無(wú)功，保證了輸出電能質(zhì)量。◎此技術(shù)(jìshù)路線為技術(shù)(jìshù)最成熟、市場(chǎng)占有率最高的技術(shù)(jìshù)路線。

雙饋機(jī)型第二十二頁(yè)，共37頁(yè)。23直驅(qū)式的特點(diǎn)：風(fēng)輪直接與低速（多極）勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（也有利用永磁同步發(fā)電的）相連，省去了故障多發(fā)部件-齒輪箱。電機(jī)全功率通過(guò)電力電子裝置連接到電網(wǎng)。利用電力電子技術(shù)可以控制系統(tǒng)輸出的有功和無(wú)功功率，同樣也可以使機(jī)組捕獲最大風(fēng)能；齒輪傳動(dòng)不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)生噪音，更是造成機(jī)械故障的主要原因，而且為減少機(jī)械磨損需要潤(rùn)滑清洗等定期維護(hù)。采用(cǎiyòng)無(wú)齒輪箱的直驅(qū)方式雖然提高了電機(jī)的設(shè)計(jì)成本，但卻有效的提高了系統(tǒng)的效率以及運(yùn)行可靠性；其缺點(diǎn)是：直驅(qū)發(fā)電機(jī)體積大而笨重，電機(jī)設(shè)計(jì)成本較高。。直驅(qū)機(jī)型第二十三頁(yè)，共37頁(yè)。24目錄(mùlù)風(fēng)力發(fā)電背景風(fēng)電(fēnɡdiàn)機(jī)組的工作原理風(fēng)電(fēnɡdiàn)機(jī)組的結(jié)構(gòu)風(fēng)電(fēnɡdiàn)機(jī)組控制系統(tǒng)第二十四頁(yè)，共37頁(yè)。25風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)第二十五頁(yè)，共37頁(yè)。26主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主體，它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)調(diào)向、自動(dòng)調(diào)速、自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)解列、故障自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)電纜解繞及自動(dòng)記錄與監(jiān)控等重要控制、保護(hù)功能。對(duì)外的三個(gè)主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器），它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成(wánchéng)風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成(wánchéng)對(duì)葉片的控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及恒速運(yùn)行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率以及無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。主控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)第二十六頁(yè)，共37頁(yè)。27第二十七頁(yè)，共37頁(yè)。28變槳控制系統(tǒng)：控制時(shí)一般都以發(fā)電機(jī)額定功率或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為界，即當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率（轉(zhuǎn)速）低于額定值時(shí)，進(jìn)行變速恒頻控制，最大捕獲風(fēng)能；而當(dāng)輸出功率（轉(zhuǎn)速）高于額定值時(shí)，進(jìn)行變槳距控制，維持發(fā)電機(jī)功率在額定值附近。要實(shí)現(xiàn)真正的獨(dú)立變槳,輸入變量(biànliàng)包括槳葉節(jié)距角變化和風(fēng)速，以及每個(gè)槳葉受力等,實(shí)現(xiàn)多變量(biànliàng)控制。第二十八頁(yè)，共37頁(yè)。29液壓變槳系統(tǒng)組成(zǔchénɡ)：油箱、液壓動(dòng)力泵、動(dòng)力單元蓄壓器、液壓管路、旋轉(zhuǎn)接頭、變槳系統(tǒng)蓄壓器以及三套獨(dú)立的變槳裝置優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝?dānwèi)體積小、重量輕、扭矩大無(wú)需變速機(jī)構(gòu)，在失電時(shí)將蓄壓器作為備用動(dòng)力源對(duì)槳葉進(jìn)行順槳作業(yè)；增容便捷。缺點(diǎn)：漏油，對(duì)環(huán)境要求較高（溫度）第二十九頁(yè)，共37頁(yè)。30原理(yuánlǐ)液壓變槳

變槳距伺服控制系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。變槳距控制系統(tǒng)由信號(hào)給定、比較器、位置（槳距）控制器、速率控制器、D/A轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋(fǎnkuì)回路組成。第三十頁(yè)，共37頁(yè)。31電動(dòng)(di