风力发电系统ppt课件
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一般可把电力电子换流器和风力发 电机看作一个整体，这样风电机组的接 线大都采用单元接线。
一般情况下，多采用一机一变，即 一台风电机组配备一台变压器。
0.69kV
2.3 集电环节及其接线
集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来
一般每一组3～8台风电机组的集电变压器放在一个箱式变电所。
每一组的多台风电机组输出，
齿轮箱工作原理
齿轮箱由它的两个扭矩臂支撑，由于主轴采用两个主轴承支撑， 使得齿轮箱只承受转矩，风轮的弯矩载荷由主轴轴承承担。风力发 电机的主制动器是空气动力制动器。在齿轮箱的输出轴上，装有常 开式高速轴制动器，它是通过液压系统进行操作，在叶片顺桨、风 轮转速降低于3rpm或高于25rpm 后，高速轴制动器启动使风轮停 转。
变流器
P2 n n1
DFIG Pem
s Pem
变流器
1 s Pem
电网
（a）亚同步运行状态
（b）超同步运行状态
（a）亚同步运行状态：n< n 1 ,转差率s>0,频率 f 2 转子电流产生的旋转磁场
转速与转子转速方向相同。 励磁变流器向发电机提供交流励磁，定子发电给 电网。
（b）超同步运行状态: n< n 1 ,转差率s<0,频率 f 2 转子电流产生的旋转磁场
速度 调速范围宽 范围 （±30%）
冷却 变流器空冷冷 却方式
转子 交流励磁 励磁
（z）直驱 无
5.2 同步电机发电原理
图5.2 直驱永磁同步发电机示意图 桨叶吸收风能转化为机械能通过主轴直接传递给发电机发电， 发出的电通过全功率变流器之后并网。
5.3 双馈电机系统与同步电机系统对比
性能 （s）双馈 结构 有齿轮箱，滑
环（两年）， 碳刷（半年） p极 4极，6极 对数 变流 部分功率变流 器 （联合1/3）
转速与转子转速方向相反，这是由于转子电流相序发生变化。此时，发电机 定子和转子同时发出电能给电网。
（c）同步运行状态： n= n 1 ，转子中的电流为直流，f 2 =0，即变流器提供直
流励磁。与同步发电机相同。
同步发电机励磁方式：直流和永磁铁。前者损 耗小，不失磁，但电机尺寸更大，滑环和电刷
5.2 同步电机发电机组 轴向-内转子结构同步发电机组示意图
蓄电池 3套 整流器 3套 驱动电机 3套
国外：MOOG、SSB、 ATECH、Mita Teknik、 Windtec、Parker 国内：科诺伟业、北京和 利时、北京能高、天津瑞 能、金风
整流器
限位开关
驱动装置 转角传感器
蓄电池
驱动齿轮 润滑脂入口
3）齿轮箱
齿轮箱参数
• 两级行星齿轮和一级平行轴齿轮 • 螺旋齿，主轴承（20年） • 额定输入转速：16.6r/min • 传动比：1: 105.13 • 额定功率 ： 1663 kW • 检修：半年，定期油检（防止氧化） • 集成化液压系统: 10℃～ 65℃
年份 2010年 2013年 2030年 2050年
风电装机总容量 45GW(0.045亿千瓦） 321GW（0.321亿千瓦）
4亿千瓦 10亿千瓦
1.4 我国未来风机装机计划
4.我国风力发电制约因素与解决方案
1）问题：政府 方案： 经济激励政策，体制保障。鼓励国产。投资与融资体制。多 元风电采购。宣传教育。国外合作与引进。
110kV洋垦738线 A BC
7388
7383 7384
35kV
738
7381
7387
70017
7001 70014
110kV正母线
7011 701
7017
7014
7010 Z
#1主变
3014
0.69kV 详图A
311
312
3001
3114 龙垦1线
3124 龙垦‖线
301
313
314
3003
35kV1段母线 315
发电机： 形式 四极（p=2）双馈异步发电机 额定出力 1560kW 转速(rpm) 1000～1800+11% 额定电压 690V 保护等级 IP54；空-空冷却器
变频器： 形式 IGBT，脉宽调制变频器 额定功率 300kW（1/3-1/4机组功率）
变频器生厂商：ABB；爱默 生；施耐德；西门子
2.1风电场电气部分的构成
风电场的电气部分也是由一次部分和二次部分共同组成。 风电场电气一次系统可以分为四个主要部分：风电机组、集 电系统、升压站及厂用电系统。 风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经过箱式 升压变压器将电压升高到10kV或35kV，再经过主变升压至 110KV或220KV，再通过高压架空线并网。
n2
60 f2 p
设 n 1为电网频率50Hz对应的同步转速，而 n 为1 发电机转子转速，
且 n , n和2 满n 足1 以下关系
n n2 n1 其中，当与n旋转方向相反时，n 2 取负值。
5.1 双馈风力发电机工作原理
np 60 f2 f1
发电机运行时，转差率s来描述发电机的转速，根据转差率公式， 将上式 中的转速用转差率s替换，则上式可变为
s n1 n n1
f2f1(1 6 s0 )n 1pf1(1s)f1sf1
在双馈异步发电机转子以变化的转速运行时，控制转子电流的 频率，可以使定子频率恒定。只要在转子的三相对称绕组中通入 转差频率的电流，双馈异步发电机就可以实现变速恒频运行。
DFIG Pem
P2
1 s Pem
电网
n n1
sPem
5.1 双馈风力发电机工作原理
图5.1 双馈风力发电结构图
双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子和转 子,一般将定子接入电网,而双向四象限运行变频器接入转子，并 对其频率、电压幅值和相位进行调节。双馈机组市场占85%。
5.1 双馈风力发电机工作原理
在转子三相对称绕组中通入三相对称的交流电，将在电机气隙 间产生磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率f2及电 机的极对数p有关。
4） 双高速轴联轴器
特点： 1. 连接齿轮箱输出端与发电机输入端。 2. 采用挠性联轴器，允许轴向、径向和角度偏移。 3. 齿轮箱端备有刹车盘，用于转子刹车。 4. 中间段采用玻璃钢材料，切断发电机与齿轮箱的电磁传导。 5. 限止扭矩功能，防止发电机短路产生的高扭矩传入齿轮箱。
5） 1.5MW发电机和变频器基本参 数
1，液压变桨 2，高速轴制动，偏航制动 3，齿轮箱齿面，各轴承供油 4，齿轮箱和发电机冷却提供动力
国内生厂商：重庆齿轮箱、杭州前进齿 轮箱、南京高精齿轮
润滑泵
齿轮箱电气元件 轮箱里的电气元件主要有：温度传感器PT100（1045 润滑油、 1041 低速轴、1042 高速轴），油泵电机MPG-KF，加热器O/52， 油位传感器FSK-176，油压传感器EDS3346（7303），油过滤器传 感器VM3（7301），水泵电机，冷却水压力传感器，冷却风扇电机。
#21所用变
外来10kV电源
3134 龙垦III线
3144
ZK
龙垦IV线
421 4212
423
400VI段
400VII段
#14 #13
#12
#11
#10
#9
#8
#7
#23 #24
#25
#26
#27
#28
#6
#5
#4
#3
#2
#1
#15 #16 #17
#18
#19
#20 #21 #22
见详图A
三 风机的介绍
风力发电系统
部门： 导师： 作者：
主要内容
1 风能的基本情况 2 风电场电气系统 3 风机介绍 4 监控系统
5 维护与检修
一 风能的基本情况
1.世界风电基本情况
50,000 MW
45,000 40,000 35,000 30,000
25,000 20,000 15,000 10,000
5,000 1530 2520 0 1997 1998
缺点：单母线的可靠性较低
单母线接线适用于电源数目较少、容量较小的
场合：
(1) 6～10kV配电装置的出线回路不超过5回。
(2) 35～63kV配电装置的出线回路数不超过3
回。
(3) 110～220kV配电装置的出线回路不超过2
回。
WL1 WL2 WL3 WL4
按容量，风机数量， 可扩展为单母线分段。
1.1 全球风电新增装机容量
300,000 MW 250,000
317897 282430
200,000
150,000
100,000
50,000 7600
0 1997
238035
197686 158864 120267 93639 10200 13600 17400 23900 31100 39431 47620 59691 74006 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
2）问题：核心技术问题（“消化吸收”） 方案：自主研发，总体设计，集成技术，核心部件，降低成本，建立 公测平台和认证标准。
3）问题：产能过剩，并网困难
方案：加快电网，电源统一规划建设，加强电网调度能力，调峰能
力，储能能力
风电占总电网不能大于5%,全 国70%至80%的风电场发电量 都远低于可研
二 风电场电气系统
一般可在箱式变电所中各集电
变压器的高压侧由电力电缆直接
并联。
35kV
风电场集电环节的接线多为
单母线分段接线。
0.69kV
#4
#3
#2
#1
2.3 单母线
单母线以一条母线作为配电装置中的电能汇集节点，是 有母线接线形式中最简单的接线形式。
S
优点是：接线简单清晰、设备少、操作简单、
便于扩建和采用成套配电装置
风电场电气一次系统示意图如下图所示：
1风机叶轮
2传动装置
3发电机
4变流器
5箱式升压变压器
6配电装置
7升压变压器 8高压配电装置 9架空线路
2
3
1
4
5
9
8 7 6
35kV
2.2 风电机组的电气接线
风电机组，除了风力机和发电机以外， 还包括电力电子换流器（有时也称为变 频器）和对应的机组升压变压器。
743 1250 2537 5848 12002 25805 44733 62364 75324 86580
1.3 我国风电新增装机容量和累计装机容量
3.国内风电政策
中国可再生能源学会风能专业委员会名誉主任施鹏飞:“中国政府承 诺： 2010年，我国风电装机总容量在全世界风电总量已经排名第 一。2012年，风电已经超过核电，成为中国第三大电源。2015年 ，非石化能源消费比重提高到11.4%、非石化能源发电装机比重达 到30%。2020年，非石化能源要占一次能源消费的15%，2050年 ，仅仅风电占一次能源消费的17%。这些约束性指标是中国制定其 它各种能源规划的主要依据。以下为风机装机计划表。
1 国内主要风机机组生产厂家
2.1 国内排名前五的风机厂家 2 国内主要风电运营商
龙源电力；中国风电；大唐新能源；华电；华能；国电电力
上市公司，装机11910MW， 有自己的检修团队和培训机 构
3.双馈风电机组
1）整体结构
轮毂
主轴承
主轴
驱动链
齿轮葙 制动器
高速轴联轴器
发电机
偏航驱动
机架
塔筒
主控柜
2）风轮系统
2.国内风电基本情况
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0 新增装机/MW 累计装机/MW
2002 66 448
2003 98 546
2004 2005 197 507
2006 1288
2007 3311
2008 2009 2010 2011 2012 2013 6154 13803 18928 17631 12960 11256
叶片
3叶片
叶片 面积
叶尖 速比
实度
高速 运行
低启动 速度
变桨系统
0°
变桨控 制
启动 3,11,25
最Baidu Nhomakorabea 功率
90 °
停机
轮毂及轮毂罩
自动润滑系统
轴承和齿轮
2.1变桨系统
偏航驱动
机架
塔筒
主控柜
变桨系统的构成
1.变桨轴承 3套 2.自动润滑系统 1套 3.变桨齿轮葙 3套 4.变桨电气 1套 包括：变桨控制箱 1套
2012
2013
1.2 全球风电累计装机容量
2014年2月份，全球风能理事会，在能源发布上显示：全球历年累 计装机总容量从2012年的282GW跃升到了2013年的321GW。全 球风电总量在2013年新增的装机总容量高达36GW。2013年，在 国家的新增装机容量排名前三的是：中国13.2GW、美国13.1GW 和2.4GW的、和德国。
8133 7270 3440 3760 6500 1999 2000 2001 2002 2003
44711
40629
38708 38850
35467
26721
15052 19865 11531 8207
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
一般情况下，多采用一机一变，即 一台风电机组配备一台变压器。
0.69kV
2.3 集电环节及其接线
集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来
一般每一组3～8台风电机组的集电变压器放在一个箱式变电所。
每一组的多台风电机组输出，
齿轮箱工作原理
齿轮箱由它的两个扭矩臂支撑，由于主轴采用两个主轴承支撑， 使得齿轮箱只承受转矩，风轮的弯矩载荷由主轴轴承承担。风力发 电机的主制动器是空气动力制动器。在齿轮箱的输出轴上，装有常 开式高速轴制动器，它是通过液压系统进行操作，在叶片顺桨、风 轮转速降低于3rpm或高于25rpm 后，高速轴制动器启动使风轮停 转。
变流器
P2 n n1
DFIG Pem
s Pem
变流器
1 s Pem
电网
（a）亚同步运行状态
（b）超同步运行状态
（a）亚同步运行状态：n< n 1 ,转差率s>0,频率 f 2 转子电流产生的旋转磁场
转速与转子转速方向相同。 励磁变流器向发电机提供交流励磁，定子发电给 电网。
（b）超同步运行状态: n< n 1 ,转差率s<0,频率 f 2 转子电流产生的旋转磁场
速度 调速范围宽 范围 （±30%）
冷却 变流器空冷冷 却方式
转子 交流励磁 励磁
（z）直驱 无
5.2 同步电机发电原理
图5.2 直驱永磁同步发电机示意图 桨叶吸收风能转化为机械能通过主轴直接传递给发电机发电， 发出的电通过全功率变流器之后并网。
5.3 双馈电机系统与同步电机系统对比
性能 （s）双馈 结构 有齿轮箱，滑
环（两年）， 碳刷（半年） p极 4极，6极 对数 变流 部分功率变流 器 （联合1/3）
转速与转子转速方向相反，这是由于转子电流相序发生变化。此时，发电机 定子和转子同时发出电能给电网。
（c）同步运行状态： n= n 1 ，转子中的电流为直流，f 2 =0，即变流器提供直
流励磁。与同步发电机相同。
同步发电机励磁方式：直流和永磁铁。前者损 耗小，不失磁，但电机尺寸更大，滑环和电刷
5.2 同步电机发电机组 轴向-内转子结构同步发电机组示意图
蓄电池 3套 整流器 3套 驱动电机 3套
国外：MOOG、SSB、 ATECH、Mita Teknik、 Windtec、Parker 国内：科诺伟业、北京和 利时、北京能高、天津瑞 能、金风
整流器
限位开关
驱动装置 转角传感器
蓄电池
驱动齿轮 润滑脂入口
3）齿轮箱
齿轮箱参数
• 两级行星齿轮和一级平行轴齿轮 • 螺旋齿，主轴承（20年） • 额定输入转速：16.6r/min • 传动比：1: 105.13 • 额定功率 ： 1663 kW • 检修：半年，定期油检（防止氧化） • 集成化液压系统: 10℃～ 65℃
年份 2010年 2013年 2030年 2050年
风电装机总容量 45GW(0.045亿千瓦） 321GW（0.321亿千瓦）
4亿千瓦 10亿千瓦
1.4 我国未来风机装机计划
4.我国风力发电制约因素与解决方案
1）问题：政府 方案： 经济激励政策，体制保障。鼓励国产。投资与融资体制。多 元风电采购。宣传教育。国外合作与引进。
110kV洋垦738线 A BC
7388
7383 7384
35kV
738
7381
7387
70017
7001 70014
110kV正母线
7011 701
7017
7014
7010 Z
#1主变
3014
0.69kV 详图A
311
312
3001
3114 龙垦1线
3124 龙垦‖线
301
313
314
3003
35kV1段母线 315
发电机： 形式 四极（p=2）双馈异步发电机 额定出力 1560kW 转速(rpm) 1000～1800+11% 额定电压 690V 保护等级 IP54；空-空冷却器
变频器： 形式 IGBT，脉宽调制变频器 额定功率 300kW（1/3-1/4机组功率）
变频器生厂商：ABB；爱默 生；施耐德；西门子
2.1风电场电气部分的构成
风电场的电气部分也是由一次部分和二次部分共同组成。 风电场电气一次系统可以分为四个主要部分：风电机组、集 电系统、升压站及厂用电系统。 风电场的主流风力发电机本身输出电压为690V，经过箱式 升压变压器将电压升高到10kV或35kV，再经过主变升压至 110KV或220KV，再通过高压架空线并网。
n2
60 f2 p
设 n 1为电网频率50Hz对应的同步转速，而 n 为1 发电机转子转速，
且 n , n和2 满n 足1 以下关系
n n2 n1 其中，当与n旋转方向相反时，n 2 取负值。
5.1 双馈风力发电机工作原理
np 60 f2 f1
发电机运行时，转差率s来描述发电机的转速，根据转差率公式， 将上式 中的转速用转差率s替换，则上式可变为
s n1 n n1
f2f1(1 6 s0 )n 1pf1(1s)f1sf1
在双馈异步发电机转子以变化的转速运行时，控制转子电流的 频率，可以使定子频率恒定。只要在转子的三相对称绕组中通入 转差频率的电流，双馈异步发电机就可以实现变速恒频运行。
DFIG Pem
P2
1 s Pem
电网
n n1
sPem
5.1 双馈风力发电机工作原理
图5.1 双馈风力发电结构图
双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子和转 子,一般将定子接入电网,而双向四象限运行变频器接入转子，并 对其频率、电压幅值和相位进行调节。双馈机组市场占85%。
5.1 双馈风力发电机工作原理
在转子三相对称绕组中通入三相对称的交流电，将在电机气隙 间产生磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率f2及电 机的极对数p有关。
4） 双高速轴联轴器
特点： 1. 连接齿轮箱输出端与发电机输入端。 2. 采用挠性联轴器，允许轴向、径向和角度偏移。 3. 齿轮箱端备有刹车盘，用于转子刹车。 4. 中间段采用玻璃钢材料，切断发电机与齿轮箱的电磁传导。 5. 限止扭矩功能，防止发电机短路产生的高扭矩传入齿轮箱。
5） 1.5MW发电机和变频器基本参 数
1，液压变桨 2，高速轴制动，偏航制动 3，齿轮箱齿面，各轴承供油 4，齿轮箱和发电机冷却提供动力
国内生厂商：重庆齿轮箱、杭州前进齿 轮箱、南京高精齿轮
润滑泵
齿轮箱电气元件 轮箱里的电气元件主要有：温度传感器PT100（1045 润滑油、 1041 低速轴、1042 高速轴），油泵电机MPG-KF，加热器O/52， 油位传感器FSK-176，油压传感器EDS3346（7303），油过滤器传 感器VM3（7301），水泵电机，冷却水压力传感器，冷却风扇电机。
#21所用变
外来10kV电源
3134 龙垦III线
3144
ZK
龙垦IV线
421 4212
423
400VI段
400VII段
#14 #13
#12
#11
#10
#9
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#7
#23 #24
#25
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#28
#6
#5
#4
#3
#2
#1
#15 #16 #17
#18
#19
#20 #21 #22
见详图A
三 风机的介绍
风力发电系统
部门： 导师： 作者：
主要内容
1 风能的基本情况 2 风电场电气系统 3 风机介绍 4 监控系统
5 维护与检修
一 风能的基本情况
1.世界风电基本情况
50,000 MW
45,000 40,000 35,000 30,000
25,000 20,000 15,000 10,000
5,000 1530 2520 0 1997 1998
缺点：单母线的可靠性较低
单母线接线适用于电源数目较少、容量较小的
场合：
(1) 6～10kV配电装置的出线回路不超过5回。
(2) 35～63kV配电装置的出线回路数不超过3
回。
(3) 110～220kV配电装置的出线回路不超过2
回。
WL1 WL2 WL3 WL4
按容量，风机数量， 可扩展为单母线分段。
1.1 全球风电新增装机容量
300,000 MW 250,000
317897 282430
200,000
150,000
100,000
50,000 7600
0 1997
238035
197686 158864 120267 93639 10200 13600 17400 23900 31100 39431 47620 59691 74006 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
2）问题：核心技术问题（“消化吸收”） 方案：自主研发，总体设计，集成技术，核心部件，降低成本，建立 公测平台和认证标准。
3）问题：产能过剩，并网困难
方案：加快电网，电源统一规划建设，加强电网调度能力，调峰能
力，储能能力
风电占总电网不能大于5%,全 国70%至80%的风电场发电量 都远低于可研
二 风电场电气系统
一般可在箱式变电所中各集电
变压器的高压侧由电力电缆直接
并联。
35kV
风电场集电环节的接线多为
单母线分段接线。
0.69kV
#4
#3
#2
#1
2.3 单母线
单母线以一条母线作为配电装置中的电能汇集节点，是 有母线接线形式中最简单的接线形式。
S
优点是：接线简单清晰、设备少、操作简单、
便于扩建和采用成套配电装置
风电场电气一次系统示意图如下图所示：
1风机叶轮
2传动装置
3发电机
4变流器
5箱式升压变压器
6配电装置
7升压变压器 8高压配电装置 9架空线路
2
3
1
4
5
9
8 7 6
35kV
2.2 风电机组的电气接线
风电机组，除了风力机和发电机以外， 还包括电力电子换流器（有时也称为变 频器）和对应的机组升压变压器。
743 1250 2537 5848 12002 25805 44733 62364 75324 86580
1.3 我国风电新增装机容量和累计装机容量
3.国内风电政策
中国可再生能源学会风能专业委员会名誉主任施鹏飞:“中国政府承 诺： 2010年，我国风电装机总容量在全世界风电总量已经排名第 一。2012年，风电已经超过核电，成为中国第三大电源。2015年 ，非石化能源消费比重提高到11.4%、非石化能源发电装机比重达 到30%。2020年，非石化能源要占一次能源消费的15%，2050年 ，仅仅风电占一次能源消费的17%。这些约束性指标是中国制定其 它各种能源规划的主要依据。以下为风机装机计划表。
1 国内主要风机机组生产厂家
2.1 国内排名前五的风机厂家 2 国内主要风电运营商
龙源电力；中国风电；大唐新能源；华电；华能；国电电力
上市公司，装机11910MW， 有自己的检修团队和培训机 构
3.双馈风电机组
1）整体结构
轮毂
主轴承
主轴
驱动链
齿轮葙 制动器
高速轴联轴器
发电机
偏航驱动
机架
塔筒
主控柜
2）风轮系统
2.国内风电基本情况
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0 新增装机/MW 累计装机/MW
2002 66 448
2003 98 546
2004 2005 197 507
2006 1288
2007 3311
2008 2009 2010 2011 2012 2013 6154 13803 18928 17631 12960 11256
叶片
3叶片
叶片 面积
叶尖 速比
实度
高速 运行
低启动 速度
变桨系统
0°
变桨控 制
启动 3,11,25
最Baidu Nhomakorabea 功率
90 °
停机
轮毂及轮毂罩
自动润滑系统
轴承和齿轮
2.1变桨系统
偏航驱动
机架
塔筒
主控柜
变桨系统的构成
1.变桨轴承 3套 2.自动润滑系统 1套 3.变桨齿轮葙 3套 4.变桨电气 1套 包括：变桨控制箱 1套
2012
2013
1.2 全球风电累计装机容量
2014年2月份，全球风能理事会，在能源发布上显示：全球历年累 计装机总容量从2012年的282GW跃升到了2013年的321GW。全 球风电总量在2013年新增的装机总容量高达36GW。2013年，在 国家的新增装机容量排名前三的是：中国13.2GW、美国13.1GW 和2.4GW的、和德国。
8133 7270 3440 3760 6500 1999 2000 2001 2002 2003
44711
40629
38708 38850
35467
26721
15052 19865 11531 8207
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013