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发电系统 :风力发电机组能量转换的核心
2021-10-26
 风力发电机组要把机械能转化为满足电网标准的交流电,就必须配置一套能量转换系统,通过能量转换系统实现把转速变化的风轮中蕴含的机械能转换为与电网电压频率等参数一致的稳定交流电,我们把这套能量转换系统称为发电系统。

现代大型风力发电机组的发电系统类型有多种,不同的风电整机公司选择的技术路线有所差异,他们开发和生产出了不同发电系统类型的风力发电机组,于是,我们就看到了外形和内部各异的风力发电机组。

按照传动链类型,风电机组类型可分为高速传动、中速传动和直驱三大类,其中高速传动的发电系统主要包括双馈异步发电系统和鼠笼异步发电系统,机型我们称之为双馈异步发电机组和鼠笼异步发电机组;中速传动我们也称为半直驱,发电系统为永磁发电系统,机型我们称之为半直驱机型;低速传动发电系统为永磁发电系统,机型我们称之为直驱机型。


虽然有很多种类的发电系统,但其核心配置组成是相似的,发电系统的核心部件都是发电机和变流器,基于传动链结构的不同以及发电机和变流器的差异,演化出了多种发电系统,并成功应用在风电机组上。

风力发电机组发电系统的核心部件之一就是发电机,风力发电通过发电机把机械能转化为交流电,发电机主要类型有永磁同步发电机、双馈异步感应发电机和鼠笼发电机;不同的发电机类型适合不同的传动链结构类型。由于风的不稳定特点,发电机发出来的交流电频率和电压是不稳定的,因此发电系统还需要配置另外一个核心部件。

这另一个核心部件就是变流器,风力发电机组通过变流器把发电机发出的频率电压不稳定的电能转化成频率电压稳定的满足电网标准的电能,变流器主要有全功率变流器和双馈变流器,不同的发电机类型需要配置不同的变流器,以实现稳定发电质量、发电功率控制、转矩控制等功能。

那么,风电行业的主流机型配置的发电系统是什么呢?下面为大家逐一介绍,使大家宏观上了解发电系统的类型、主要配置和应用场景。

双馈异步发电系统

双馈异步发电机+双馈变流器

双馈异步风力发电机组的传动链类型属于高速传动,其发电系统为双馈异步发电系统,这种发电系统由双馈异步发电机和双馈变流器组成。

双馈机组的叶轮通过增速齿轮箱与双馈异步发电机转子相连,转子的励磁绕组通过变流器连接电网,定子绕组直接联网。转子绕组励磁的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变流器自动调节,机组可以在不同的转速下实现恒频发电,具有调速范围较宽、有功和无功功率可独立调节、转子励磁变换器的容量较小(约 1/3发电机额定容量)等优点;转速高、转矩小, 尺寸较小、重量小;齿轮箱增速比大,发电机带滑环、电刷,一定程度影响可靠性。目前,双馈机组是最主流的风电机组。


鼠笼异步发电系统

鼠笼异步发电机+全功率变流器

与双馈异步风力发电机组相比,鼠笼异步风力发电机组发电系统的主要区别在于发电机转子为封闭式笼型结构,不需要电刷和滑环等结构,发电机定子绕组经全功率变流器联网。鼠笼型异步发电机没有专门的励磁结构,通过定子侧变换器为其提供励磁,实现变速恒频控制。笼型异步风力发电系统具有可靠性较高、调速范围宽等优点。鼠笼异步发电机组需要配置全功率变流器,所有的能量都需要经过变流器进行转换,因此变流器成本高于双馈变流器,不过由于其可靠性高,部分厂家在海上机型采用了鼠笼异步发电系统。


直驱永磁同步发电系统

直驱发电机+全功率变流器

采用永磁发电机的机组,其发电系统为永磁同步发电系统,根据传动链的不同分为直驱永磁发电机、半直驱永磁发电机、高速永磁发电机,风电行业主要采用直驱永磁发电机和半直驱永磁发电机

永磁直驱机组的叶轮与发电机直接相连,省去了增速齿轮箱,转子为永磁体励磁,无需外部提供励磁电源,同时也减少了励磁损耗。永磁直驱机组的发电机通过全功率变流器并网,具有效率高、噪音低、低电压穿越能力强等优点;永磁同步发电机极对数多,体积及重量较大。


半直驱永磁同步发电系统

永磁发电机+全功率变流器

半直驱机组的叶轮通过中速齿轮箱与永磁同步发电机转子连接,发电机的定子绕组通过全功率变流器连网。与直驱相比,半直驱增加了中速齿轮箱,发电机转子转速比永磁直驱高,可以减少永磁同步发电机转子磁极数,有利于减小发电机的体积和 质量,同时保留了永磁直驱风电机组容量大、低电压穿越能力较强等优点。与双馈和直驱相比,半直驱是折中的方案,齿轮箱制造难度较双馈低,发电机制造难度较直驱低。越来越多风电公司的大型风力发电机组开始采用半直驱技术方案。


上方几种发电系统各有其优缺点,不同的风电整机公司根据其技术选择和成本以及对市场的判断的等因素来选择发电系统类型,并开发出对应发电系统类型的风力发电机组。
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