双馈风力发电机及控制原理

1、 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-112009-4-1 双馈风力发电机及控制原理 2009年8月 北京清能华福风电技术有限公司 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-122009-4-1 双馈风力发电机及控制原理 主要内容 风力发电简介 双馈电机原理 双馈电机控制策略 Click to edit Master

2、 text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-132009-4-1 一、风力发电简介 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-142009-4-1 风力发电简介 中国风电场分布图（截止2007年年底） Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level

3、 2009-4-152009-4-1 风力发电简介 中国风电市场发展 电机、齿轮箱、叶片等设备已实现国产化； 电控系统国产化程度低，被国外设备占据。 1997-2008年中国风力发电总装机容量（除台湾省） Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-162009-4-1 风力发电简介 风电机组分类 按风轮机类型分(风能到机械能) 水平轴、垂直轴 定桨距、变桨距 单叶片、双叶片、三叶片、多叶片 定速型、变速型 按发电机类型分(机械能到电能) 鼠笼式 绕线式 同步

4、/永磁式 其他新型电机（开关磁阻电机、横向磁场电机、高压电机） Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-172009-4-1 风力发电简介 不同类型的风机 水平轴风机 垂直轴风机 永磁直驱型风机 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-182009-4-1 风力发电简介 风力发电技术的进展 2010 1980 2000

5、 1990 100100 8080 6060 4040 2020 0 0 风 轮 直 径 m 刚性结构 三桨叶上风布局，主 动偏航，定速控制 叶尖刹车或全桨距控 制 玻璃钢桨叶 齿轮传动，大小两台 感应电机 塔架或者塔筒结构 50300KW，1530M 风轮直径 变速或定速运行 特殊桨叶设计NREL 功率调节和桨角控制 行星齿轮传动 感应电机 300750KW，30 50M风轮直径 更大的机组容量 变速或定速运行 更先进的桨叶材料和制造工艺 负载和轮毂的反馈控制 高效的电力电子设备 低速直驱型发电机 更加柔性的结构 1.5MW机组的 商业化运行 5MW 750KW 500KW 300KW 10

6、0KW 50KW 1.8MW Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-192009-4-1 风力发电简介 定速到变速的原因 追求最大的风能捕获 减小机组的机械应力 风能利用系数与叶尖速比的关系 最大功率点跟踪 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1102009-4-1 风力发电简介 基于鼠笼式异步电机的风电机组 C

7、lick to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1112009-4-1 风力发电简介 基于绕线式电机的风电机组 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1122009-4-1 风力发电简介 双馈机型的优、缺点 优点： 气动效率高，机械应力小，功率波动小 功率变换设备成本低 缺点： 电机滑环、齿轮箱等设备维护量大 Click to

8、 edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1132009-4-1 风力发电简介 基于同步电机的风电机组（直驱机型） Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1142009-4-1 风力发电简介 直驱型机组优、缺点 优点： 不需要齿轮箱，维护量小 永磁同步机组效率高 缺点： 技术不成熟 全功率变流器，成本高 Click to edit M

9、aster text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1152009-4-1 水平轴风力发电机的结构和组成 风力发电简介 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1162009-4-1 二、双馈电机原理 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth lev

10、el 2009-4-1172009-4-1 双馈电机原理 电机的分类 变压器 直流电机 同步电机 异步电机 鼠笼式 绕线式 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1182009-4-1 双馈电机原理 异步电机运行方式 转差功率全部损耗 定子调压、转子串电阻 最优转差功率 定子变频运行 转差功率回馈（双馈运行模式） 静止Kramer(单向)、静止Scherbius(双向) 双馈电机是由绕线式电机与变流器共同组 成的一种电机运行系统。 Click to ed

11、it Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1192009-4-1 双馈电机原理 双馈电机系统结构 静止Kramer结构 转差功率单向流动 定子侧励磁 转速范围窄 静止Scherbius结构 转差功率双向流动 转子侧励磁 转速范围宽 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1202009-4-1 双馈电机原理 异步电机运行方式 异步电机等效电路

12、 普通异步运行模式 双馈运行模式 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1212009-4-1 双馈电机原理 不同工况下双馈电机的能量关系 A、超同步速发电 c、亚同步速发电 B、超同步速电动 D、亚同步速电动 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1222009-4-1 双馈电机原理 普通异步电机运行工况 A、超

13、同步速发电 D、亚同步速电动 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1232009-4-1 双馈电机原理 双馈电机工作原理 双馈电机是一种交流励磁的电机； 同步电机是双馈电机的一种特例。 电机类型同步电机双馈电机 励磁方式转子绕组直流励磁转子绕组交流励磁 气隙磁场转速转子转速转子转速+转子励磁电流频率 功角与转子惯性相关（机械）由转子励磁器调节（电气） 转子转速固定（与电网频率同步）同步速上下一定转速范围 转子绕组仅有一个d轴励磁绕组等效存在两个可控励磁

14、绕组 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1242009-4-1 双馈电机原理 双馈电机与普通绕线电机设计上的不同 电机类型双馈风力发电机普通绕线电机 转子绝缘变流器驱动，要求高正弦电压供电，要求低 散热要求在整个转速运行范围内， 轴带风扇风量与风机功率曲 线相匹配，设计难度大。 轴带风扇转速固定，风量 容易控制，散热简单。 系统参数匹配需要考虑与双馈变流器的参 数匹配，如转子堵转开路电 压，互感参数，漏感参数等。 系统配合要求较低。 Click to

15、 edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1252009-4-1 双馈电机原理 双馈电机与双馈变流器的参数匹配 双馈系统主要参数 电网电压等级-变流器电压容量 变流器电压容量+转速运行范围-转子开路电压 系统功率等级+转速运行范围+电机互感-变流器电 流容量 新的要求 故障穿越-降低转子开路电压，提高变流器电流容 量，增大电机机械强度。 无功功率支持-提高变流器电流容量，改善电机散 热。 Click to edit Master text styles Second lev

16、el Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1262009-4-1 三、双馈电机控制策略 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1272009-4-1 双馈电机控制策略 常用的控制策略 转子侧变流器 控制双馈电机运行 矢量控制 直接转矩控制 网侧变流器 稳定直流环节电压 矢量控制 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourt

17、h level Fifth level 2009-4-1282009-4-1 双馈电机控制策略 矢量控制 矢量：既有大小，又有方向的量 矢量控制：即控制电机磁场矢量的大小，又控 制磁场矢量的方向。(相当于控制电机反电势) 控制方式：连续控制，相当于电位器。 稳态无差运行，响应略慢。 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1292009-4-1 双馈电机控制策略 直接转矩控制 即控制电机磁场矢量的大小，又控制磁场矢量 的方向。 控制方式：梆梆控制，相当于开

18、关； 无法达到稳态误差，转矩和磁场脉动大。 响应快。 目前的趋势： 矢量控制与直接转矩控制相结合。 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1302009-4-1 双馈电机控制策略 双馈电机矢量控制原理 通过控制转子电流来控制定子反电势 变流器通过控制附加在转子绕组端口的电压来 控制转子电流 由给定的有功、无功指令，通过一定的折算， 得到转子电流指令的幅值、相位和相序。 Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 2009-4-1312009-4-1 双馈电机控制策略 双馈电机矢量控制原理 关键的电机参数及检测值 电机互感-定子侧的无功功率指令向转子电流折算 电机定转子匝比-定子侧功率向转子电流的折算 电机饱和度-定子无功功率控制的精度 电