最近北京风电展(China WindPower)正在进行中,是既上海光伏展、PCIM 展和工博会之后的又一个比较大的展会,只是地址不再是魔都,而是帝都,大家有机会的可以去逛逛。每个展会都会展现其主题相关行业的现状和发展趋势,也是相关从业人员交流的地方;对于不同岗位来说,参展后的收获不尽相同,感触也不同。只想说,无论哪个行业,哪个方向,只要你能够稳稳地深入,又能够吸收新的内容,你方可成“一方霸主“,也就是我们俗称的大牛,权威 ...... 加油把,工作(or 生活)是一碗汤,我不想做一根叉子,争做汤匙吧~

 

我们先来看看北京风电展的 LOGO

 

 

是不是凸显出来了北京和风电两个关键元素,还略带点中国风的味道。今天我们就来聊聊直驱和双馈风力发电。


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风力发电机

 

 

风力发电机组是将叶轮吸收的风能转化为机械能,再经由发电机将机械能转化为电能,最终输出交流电。跟太阳能发电类似的,其实从广义上讲,风能也是太阳能的一种形式,有种说法是,风力发电机是一种以太阳为热源,以大气为工作介质的发电机。


风力发电机组的分类:
①按照桨叶数量分类可分为:单叶片、双叶片、三叶片和多叶片机型;


②按照风机接受风的方向可分为:上风向型和下风向型;


③根据风机旋转主轴的方向可分为:水平轴式风机和垂直轴式风机;


④按照功率传递的机械连接方式可分为:直驱型和双馈风机;√


今天,我们来聊聊第四种分类,了解下直驱型和双馈风力发电。


02
直驱 VS 双馈

直驱式风力发电机,是一种由风力直接驱动的发电机,也称为无齿轮风力发电机。这种发电机采用多级电机和叶轮直接连接进行驱动,省去了齿轮箱这一传统部件,主要由风轮、永磁同步电机、AC-DC-AC 变流器、变压器等部分组成。

 

 

双馈风力发电机组主要由风轮、增速箱、双馈异步发电机、AC-DC-AC 变流器、变压器等组成。风轮经过增速后带动发电机,发电机定子绕组线端是发电机电力的输出端,通过开关箱连接到交流电网。发电机转子绕组通过集电环连接到 AC-DC-AC 变流器,变流器的另一端连接到变压器,变压器的副边侧通过开关箱连接到交流电网,这样的系统可以在发电机转速低于同步转速 40%和高于同步转速 15%内正常运行。

 

 

直驱发电机和双馈发电机的区别
直驱发电机:直驱同步发电机也叫低转速发电机,都是多极结构,有多极内转子结构和多极外转子结构等,只是在结构的要求上有变化。采用永磁体(略受欢迎的一种)技术的直驱式发电机结构简单、效率高。磁直驱式发电机在结构上有轴式和盘式两种结构。


双馈发电机:双馈式异步发电机的定子绕组直接与电网相连,转子绕组通过变流器与电网连接,转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按照运行要求自动调节,机组可以在不同的转速下实现恒频发电,满足用电负载和并网要求。由于采用了交流励磁,发电机和电力系统构成了"柔性连接",即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流,精确地调节发电机输出电压,使其能够满足要求。


03
Differences

★传动结构的区别


上文说到直驱风机组的风轮是直接连接到发电机上的,而双馈发电系统的传动一般包括风轮、主承轴、低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等,不是所有的都包含上述所有的部件。


什么是齿轮箱呢?齿轮箱又叫变速箱,一种传动机构,通过不同齿数的齿轮啮合,将马达的转速转换到执行设备所需的转速,同时能改变转矩的结构。大概可以进行下面的几种分类:


①按照内部传动链结构可分为:平行轴结构齿轮箱和行星结构齿轮箱以及两者相互结合的齿轮箱;


②按照变速次数可分为:单级和多级;


③按照转动的布置形式可分为:展开式、分流式、同轴式以及混合式等一些;


关于具体的齿轮箱的细节这里就不多说了,风电中的齿轮箱不仅仅指发电机的增速箱,其中偏航电机、变桨电机的减速器也都是齿轮箱;


★发电机的区别,上面已经提到过了,这里就不再赘述了。


这里我们简单地介绍下三相交流发电机的发电原理。我们假设三相交流发电机,定子铁芯的内圆均匀分布着 6 个槽,嵌装着三个相互间隔 120°的同样线圈,分别成为 A、B、C 相线圈。

 

 

当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线,都会感生出交流电动势,其幅度和频率相同,实际上的三相交流发电机定子铁芯上有多个槽和多个三相绕组按规律均匀地分布在槽中。  比如说转子有 3 对磁极,旋转一周磁场将循环 3 个周期,每旋转 120°磁场就变化一个周期。在定子铁芯内圆周内有 18 个嵌线槽。在 120°机械角度里有 6 个槽,均匀分布 A、B、C 三相线圈;另外两个 120°里也是一样地,三个 A 相线圈串联起来即为整机地 A 相绕组,B 相和 C 相也一样。三个绕组地引出端为相线当转子匀速旋转时 A、B、C 相线圈顺序切割磁力线,都会感生出交流电动势,幅度和频率相同。


交流电机转速和频率地关系是:n=60f/p,这个公式是不是很熟悉。在规定频率后,旋转磁场的转速大小只和磁极对数有关,磁极对数越多,旋转磁场的转速就越低。但是电动机转子的转速总是落后于磁场同步转速的,导致直驱发电机的极数较高的原因。


★变频器的区别
一般使用 AC-DC-AC 这种形式,两边各有一个 PWM 变流器。

 

 

和电网连接的一般称为网侧变流器;和发电机连接的成为机侧变流器,中间使用直流环节将两边连接起来。变流器可以实现整流和逆变这两种基本功能,中间使用电容来建立直流环节。


”双馈“,字面不难看出,指的是双向反馈,即双馈式风机发电的能量流动有两种形式。一种是电网给变频器供电,变频器对转子绕组进行励磁,对转子绕组进行馈电,能量的流向是从电网流向转子的;另一种是发电机转子处于发电状态,输出能量,此时转子侧变流器处于整流状态,中间直流环节不变,网侧变流器处于逆变状态,将中间直流母线电压逆变为和电网电压幅值频率一致的交流电,将能量输送给电网。双馈的优点是变频器的功率可以只是风机功率的三分之一,降低了成本,但是这也使得风机对电网的波动较为敏感,在电网电压波动时,容易跳闸脱网。


全功率风力发电机一般大多采用永磁发电机,成本会高一点,但是发电机和电网全隔离,发电机受到的冲击小,寿命长,故障率低,特别是对于电网波动的敏感较小,可以在不增加任何设备的情况下实现低电压穿越功能(这个概念之前我们有聊过,详情见太阳能发电 Ⅷ —— 电网电压跌落 (PS:该话题告一段落),其中有涉及到,大家可以参考下),在电网故障时,可以发出无功来维持电网电压。


大功率交 - 直 - 交变流器的价格非常昂贵,在双馈风力发电机组中的交 - 直 - 交变流器仅向转子绕组提供励磁电源,功率为发电机的 25%,已经够用了,相对于全功率变流器价格便宜多了,这一点也是双馈发电机组的主要优点之一。


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现状

就目前来看,全世界的风电组中,八成以上的仍然是带齿轮箱的机型。尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中,全都是采用技术成熟并且可靠性较高的带齿轮箱的技术方案。包括 2MW、2.3MW、3MW、3.6MW 和 5MW 等功率等级的机型,厂商包括 VESTAS、Siemens、Repower、GE 等,全都是主要的海上风电组的生产厂商。当然,除了以上这些厂商,国内的几大厂商,如金风电气、远景能源、湘电等,都在最近的 CWP 设有展位。