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ABB变频器在风力发电行业的应用

导读: 高速异步发电机双馈系统主要由升速齿轮箱+绕线异步发电机+双馈变频器构成,ABB 发电机典型功率范围为600~5 000 kW

0 引言

  能源和环境是人类所面临的两大问题,以清洁、可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的方向,目前已经受到了各国政府的极大重视,一些相应的技术也在蓬勃发展之中。风力发电是目前可再生能源利用中技术最成熟的、最具商业化发展前景的能源利用方式,风力发电将成为21 世纪最具开发前景的新能源之一。

  现在,世界上大中型风力发电机组主要有两种型式。一类是定桨距失速调节型,属于恒速机型,一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机,通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值,继而使风电机组并网后定子磁场旋转频率等于电网频率,转子、叶轮的变化范围小,捕获风能的效率低。另一类是变速变距型,一般采用双馈电机或者永磁同步电机,通过调速器和变桨距控制相结合的方法使叶轮转速可以跟随风速的改变在很宽的范围内变化,保持最佳叶尖速比运行,从而使Cp(风能利用系数)在很大的风速变化范围内均能保持最大值,能量捕获效率最大。发电机发出的电能通过变流器调节,变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。相比之下,变速型风力发电机具有不可比拟的优势。

  目前流行的变速变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案:一种是升速齿轮箱+绕线式异步电动机+双馈电力电子变换器;另一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器。两种方案各有优缺点:前者采用高速电机,体积小重量轻,双馈变流器的容量仅与电机的转差容量相关,效率高、价格低廉,缺点是升速齿轮箱价格贵,噪音大、易疲劳损坏;后者无齿轮箱,可靠性高,但采用低速永磁电机,体积大,造价高,变频器需要全功率,成本提高。

  除了上述两个方案外,还引入了两个折中方案,一个是低速集成齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器;一个是高速齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器。根据美国国家可再生能源实验室NREL报告的量化比较数据分析,这两种折中方案也具有很大的发展潜力。

1 四种风力发电系统简介

  1.1 高速异步发电机双馈系统(DFIG)

  高速异步发电机双馈系统主要由升速齿轮箱+绕线异步发电机+双馈变频器构成,ABB 发电机典型功率范围为600~5 000 kW,如图1所示。

  DFIG的特点是发电机转速可以在同步转速上、下两个方向变化。假设1.5 MW风电机组的叶轮转速变化范围为10~20 r/min,通常令15 r/min对应电机同步转速,这样转速变化范围为电机额定转速的±1/3,相应变频器的功率只有电机功率的1/3。若想简化机构采用直接驱动,电机额定转速也应该为15 r/min,由于异步电机定子接在50 Hz 电网,则要求电机极对数为200,很难实现,因此该方案必须使用升速齿轮箱,配高速异步电机(通常采用6极电机)。升速齿轮箱速比大,负荷重,随风速变化波动大且频繁,造价高、易疲劳损坏是该方案的主要缺点,另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性,增加维护工作量。

  对数为200,很难实现,因此该方案必须使用升速齿轮箱,配高速异步电机(通常采用6极电机)。升速齿轮箱速比大,负荷重,随风速变化波动大且频繁,造价高、易疲劳损坏是该方案的主要缺点,另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性,增加维护工作量。

  1.2 低速永磁同步发电机直驱系统(PMDD)

  低速永磁同步发电机直驱系统主要由低速永磁同步发电机+全功率变频器构成,如图2所示。ABB发电机典型功率范围为600~5 000 kW。

  PMDD的特点是没有升速齿轮箱,叶轮直接驱动低速发电机转子,消除了DFIG 的薄弱环节,大大提高可靠性,降低维护工作量。由于发电机定子绕组不直接与电网相连,而是通过变频器连接,因此电机额定转速可以降低,使电机极数减少至合理值。缺点是低速电机体积大,定子绕组绝缘等级要求高,变频器要输送发电机全功率,因此电机和变频器的价格都比DFIG高。

 

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