直驱风力发电机课件.ppt

《直驱风力发电机课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直驱风力发电机课件.ppt（48页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1.2MW直接驱动型风力发电机组,1.2MW直接驱动型风力发电机组,直接驱动风力发电机组基本结构,永磁同步发电机,型式：96极永磁同步发电机定子：三相绕组转子：永磁，位于绕组外圈额定功率：1200KW额定电压：700V转速范围：1120rpm绝缘等级：F防护等级：IP54发电机外径：4500mm 定子长度：740-800mm绕组：采用Rofil线浸漆方式：普通浸漆,驱动装置：采用三个相互独立的变频调速电机传动机构。后备储能单元：采用大容量电容，免维护，可靠性高。传动方式：同步齿型带，免维护， 成本低。,变距系统设计方案,主要零部件,机舱底座,主要零部件,轮毂,主要零部件,永磁电机效率对比,1.

2、2MW永磁直接驱动风机功率曲线,发 电 量 对 比,MW永磁直驱发电机特点,采用永磁体励磁多极、低速、大容量外转子内定子结构与传统的电励磁电机相比，永磁电机结构简单，运行可靠；体积小、重量轻；损耗少、效率高；提高了功率质量比；电机形状和尺寸可以灵活选择等优点无需直流电无需无功励磁电流源无需集电环、电刷装置,外转子内定子结构,金风62/1200风力发电机是外转子型，转子位于定子的外部。由于采用这种永磁体外转子结构，与同类电励磁风力发电机相比，金风62/1200风力发电机组的电机的尺寸和外径相对较小。下图显示了两种结构的对比。图中两种结构的气隙直径是相同的，因此功率输出也是相同的。 金风62/12

3、00风力机外转子直径仅仅比气隙直径大了几厘米，而一般的电机结构高出气隙直径很多。电机直径小带来的好处就是重量轻，易于运输。,直接驱动永磁发电机,磁钢,外转子发电机,利于磁钢散热,自然空气冷却,大的外表面，利于散热不必使用强迫风冷,铁心,绕组,风,定子,转子,抗环境侵蚀和腐蚀保护,无需励磁能量,高效,长寿命的低速发电机,冷却风道,径向永磁电机结构,轴向永磁电机结构,直接驱动风力发电机组 结构形式及工作原理,定子支架,零 部 件,轴,加工完的定子支架,多极永磁发电机发电系统,变速恒频闭环控制模型,风 机,风,转速 传感器,发电机转速,测量转速,发电机转矩需求,控制器,需求转矩转速,桨距执行机构,叶

4、片桨距,桨距需求,变流系统原理框图,多极永磁发电机型风力发电系统结构如图所示。风力机与发电机直接相连,风力机采用变桨距功率控制方式实现最有效运行。 永磁发电机的定子与普通交流电机相同,转子为永磁式结构,无需励磁绕组,因此不存在励磁绕组损耗,提高了效率。转子上没有滑环,运行更安全可靠。但是它的不足之处是,它因使用磁性材料如钕铁硼和钐钴等而成本很高,而且电机的电压调节性能差。 此外,这种系统的变速恒频控制也在定子电路实现,电力电子变换器的容量要求与发电机额定容量相同,增加了系统损耗。,类 型：三叶片、上风向、变速变桨功率调节、永磁直接驱动。额定功率： 1200kW叶轮直径： 62m传动类型： 直接

5、驱动发电机类型： 永磁同步发电机控制系统： 计算机控制，远程监控偏航系统： 主动对风切入风速： 3-4m/s额定风速： 12m/s切出风速： 25m/s安全风速： 70m/s（3秒平均值）最大风能利用系数： Cpmax0.44噪声：LWA100dB(A)(距地面10米，8m/s风速标准状况下)年均可利用率： 95%设计使用寿命： 20年,1.2MW直接驱动风机主要技术指标,结构简单紧凑，可靠性高；机械传动损耗减少；电机效率高，运行范围宽；无需励磁，无碳刷滑环，维护量少；对恶劣环境的适应性很强；发电品质高，无需进行无功补偿；,直接永磁技术的优势,永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是

6、由永磁体产生的。 永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。 而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。 此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂，而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。,因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算

7、的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。,永磁材料的技术性能与退磁曲线的形状, 对电机的性能、外形尺寸、运行可靠性等有很大的影响,是设计与制造永磁电机时需要考虑的十分重要的参数。对于不同的情况, 不同的场合, 应采用不同的结构形式和永磁材料。图 给出这几种永磁材料的退磁曲线(还受温度影响）。,永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。 但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技

8、术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。,控制问题,不可逆退磁问题,如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而，既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。,成本问题,由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中会根据具体使用的

9、场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。 无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公斤瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发电机的市场前景不会被成本问题困扰。,低速永磁风力发电机设计特点,定子: 永磁发电机的定子结构与一般电机类似,但因为该类发电机的电负荷较大,使得发电机的铜耗较大,因此应在保证齿、轭磁通密度及机械强度的前提下,尽量加大槽面积,增加绕组线径,减小铜耗,提高效率。,定子绕组的分布影响风

10、力发电机的起动阻力矩的大小。起动阻力矩是永磁式风力发电机设计中的一个至关重要的参数。 起动阻力矩小,发电机在低速风时便能发电,风能利用程度高;反之,风能利用程度低。 起动阻力矩是由于永磁电机中齿槽效应的影响,使得发电机在起动时引起的磁阻力矩。 从电机理论上讲,降低齿槽效应所引起的阻力矩的方法,主要是采用定子斜槽、转子斜极以及定子分数槽绕组。根据文献及实践经验,采用分数槽绕组是降低阻转矩最有效的办法。（公司采用斜极）,转子,永磁风力发电机转子磁路结构,按工作主磁场方向的不同,主要分为切向式和径向式两种结构:如图 所示。,切向式,径向式,径向式结构的永磁体直接粘在转子磁轭上,一对极的两块永磁体串联

11、,永磁体仅有一个截面提供每极磁通,所以气隙磁密较小,发电机的体积稍大。永磁体粘结在转子表面受到转子周向长度的限制,这在多极电机中格外明显。 倘若增大转子外径, 势必加大发电机的体积。,切向式结构是把永磁体镶嵌在转子铁心中间固定在隔磁套上,隔磁套由非磁性材料制成(如铜、不锈钢、工程材料等) ,用来隔断永磁体与转子的漏磁通路,减少漏磁。从图 可以看出,该结构使永磁体起并联作用,即永磁体有两个截面对气隙提供每极磁通,使发电机的气隙磁密较高,在多极情况下效果更好,而且该结构对永磁体宽度的限制不是很大,极数较多时,可摆放足够多的永磁体。所设计的发电机转速较低,需较多的极数以减少体积和满足频率要求,所以选

12、用切向式结构。（目前公司径向）,极对数选择,在永磁电机中,根据永磁体的体积的计算公式可以看出,增大频率可以减少需要的永磁体体积,又从f = pn/60 知道,在转速n 一定时,频率f 和极对数p 成正比。因此,在设计发电机时应尽量增加p ,同时,根据技术条件要求,风力发电机的频率应不低于20Hz ,这也要求低速风力发电机具有较多的极数,但是,极数过多也会受电机尺寸及加工工艺的限制,尤其是切向式结构的转子。,然而,国内外许多专家认为,永磁发电机型风力发电系统是未来风力发电技术的主要发展方向,对大型直驱式设计来说尤其是这样。从理论上讲,系统的电能输出是按它获得的空气体积的三次方增加的,也就是说,随

13、着风力发电机组单机容量不断增大,系统各结构部件的重量也会成比例地增加,因此发展结构简单的永磁发电机具有一定的优势。 特别是随着永磁材料技术、现代电力电子技术、控制技术等的发展,永磁发电机型直驱式风力发电系统的市场前景逐渐显现。,高压永磁发电机型风力发电系统,ABB公司于1998年研制出一种新型风力发电系统(Powerformer)。该系统采用高压永磁发电机(Windformer)直接与风力机相连,变桨距控制,采用高压直流(HVDC)输电的连接方式实现系统并网,输出功率可以达到3MW,输出电压不低于20kV。这种风力发电系统的结构如图所示。,发电机的转子用新型永磁材料钕铁硼和钐钴制成,且为多极,

14、结构与上述多极永磁发电机型风力发电系统相似。 主要不同之处是,该系统采用的高压永磁发电机的定子是用一种圆形交联聚乙烯电缆(XLPE)绕制的电缆电枢绕组,电缆具有坚固的固体绝缘,工作电场强度可高达15kV/mm(有效值)。 该系统中每台电机发出高压电,输出端可以经过整流装置直接接到直流母线上,再经过逆变器转换为交流电输送到当地电网;若要输送到远方电网,则通过升压变压器接入高压输电线路。,Powerformer的优点：不需要齿轮箱,电机转子上也没有励磁装置和滑环,结构简单,减少了系统损耗,可靠性更高。 另外,传统的发电侧输出电压一般维持在20kV以下,要实现发电侧与输电网的顺利对接,需借助升压变压

15、器。而Power former整合了发电机和升压变压器,使机组元件大大减少,系统的有功损耗和无功损耗都大大降低。其发电机侧输出的电压在20kV以上,直接通过HVDC输电方式把电输送到负荷端,分散式的不可控整流提高了机组效率和运行可靠性。,缺点：这种系统采用的高压发电机的转子需要大量永磁材料,且对材料性能的稳定性要求较高,同时发电机对整个系统的其他方面要求也较高,这些都使机组成本增加。 目前,Powerformer还属于试验阶段,整个系统长期运行的性能如何还有待进一步深入研究。,横向磁通发电机型风力发电系统,目前大量使用的风力机都是水平轴型,它把发电机装在塔架顶端的机舱内,对发电机的体积和重量也

16、有一定要求。 传统永磁电机虽然质量相对轻些,但存在定子齿槽在同一截面、几何尺寸相互制约的缺陷。 另外,应用于风力发电系统的发电机要求具有较高的转矩密度,因而近年来把横向磁通发电机应用于风力发电系统开始引起人们关注。,横向磁通发电机的定子齿槽和电枢线圈在空间上互相垂直,磁路方向沿转子轴向方向,定子尺寸和线圈尺寸相互独立,它实现了电路与磁路的解耦,即可以同时实现高电负荷和高磁负荷。而且,横向磁通发电机的磁路是三维的,根据转子永磁体磁极的放置方法可分为多种类型。 简言之,横向磁通发电机属于同步电机的范畴,它的运行机制又有永磁电机的特点,如果把它设计成多极对数的电机,就可以应用于直驱式风力发电系统。

17、但在现阶段,对横向磁通发电机的研究还不够充分。现有的拓扑结构中,工艺比较复杂,控制比较困难,成本较高,功率因数也不是很高。 因此,横向磁通发电机型直驱式风力发电系统的设计和应用还有待进一步研究。,永磁同步发电机设计,传统的计算单设计 使用场化路的方法，将实际空间存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段此路中磁通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的计算。在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时较为实用。,计算流程如下： 1.确定额定数据 2.永磁体的选择 3.转子结构的确定 4.定子绕组和定子冲片 5.磁路计算 6.损耗和效率的计算,有限元计算设计： 在传统的计算之后，可以依靠软件建立模型，进行仿真计算，便于修改模型，赋予不同的材料属性，分析结果，进行比较，优化方案。,对气隙划分网格,划分网格完成,三维模型,