风力发电机及风力发电机变频器简介PPT课件

1、2.同步发电机转子转速与频率的关系 同步发电机的频率f取决于转子转速n和发电机的极对数p 例如：一台极对数为1的同步发电机的同步转速为60spnf 6060 5030001sfnp一、双馈异步风力发电机原理简介第1页/共24页3.同步风力发电机并网方式举例(1)恒速恒频同步风力发电机转子由直流电源提供励磁电流，调速齿轮箱控制发电机转子转速保持在同步转速，从而使发电机定子感应出恒定频率的电势和稳定的电压，并入电网。一、双馈异步风力发电机原理简介第2页/共24页(2)直驱永磁同步风力发电机转子采用磁通很密集的永磁定子绕组，发电机转子和风轮同轴转速较低，要求定子或转子绕组的极对数相应的增加，因此其绕

2、组的体积也相应增大，造成发电机体积较大。同时转子旋转速度不稳定，所以定子感应出的频率和电压都不稳定，因此需要一个网侧的变频器将其电压频率稳定后并网。一、双馈异步风力发电机原理简介第3页/共24页（一）双馈异步发电机特点简介1.双馈异步发电机的定义1）如果从发电机转速是否与同步转速一致来定义，则双馈异步发电机应当被称为异步发电机2）但双馈异步发电机在性能上又不象异步发电机，相反具有很多同步发电机的特点 。 异步发电机转子无励磁绕组，而双馈异步发电机与同步发电机一样，具有独立的励磁绕组;异步发电机无法改变功率因数，双馈异步发电机与同步发电机一样可调节功率因数。所以双馈异步发电机可称为交流励磁同步发

3、电机，实际上，它是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机，相对于同步发电机，双馈异步发电机具有很多的优越性。 一、双馈异步风力发电机原理简介第4页/共24页2.双馈异步发电机的优点 1) 通过改变转子励磁电流相位，实现输出功率因数的调整。而同步发电机直流励磁，其电流可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率 2）通过改变转子励磁电流频率，转子可运行在变化的速度状态，实现变速恒频运行。同步发电机的转子必须运行在恒定转速，和风力机配合发电时，要求恒速恒频。 3）通过改变转子励磁电流幅值，实现无功功率输出的大小。一、双馈异步风力发电机原理简介第5页/共24页（二）双馈异步发电机原理简介1.基本工作原理

4、 双馈异步发电机定子绕组直接与电网相连，转子绕组从变频器IGBT变流模块得到励磁电流，这个励磁电流在转子绕组上产生一个相对转子的励磁旋转磁场n1，这个励磁旋转磁场的转速与转子转速n2叠加，使叠加后的旋转磁场转速保持为发电机的同步转速ns，从而使切割定子产生的电压和频率保持恒定。1260p nnf一、双馈异步风力发电机原理简介第6页/共24页2.双馈异步发电机的并网方式 双馈异步发电机转子由变频器中的IGBT模块将电网电流变流为转子绕组励磁，当转子转速和励磁旋转转速叠加达到发电机同步转速时，变频器控制定子绕组并网，如果从定子绕组的并网方式看来，双馈异步发电机更接近同步发电机。一、双馈异步风力发电

5、机原理简介第7页/共24页3.双馈异步发电机的励磁原理向对称绕组通入三相对称的交流电，可以产生一个行波磁场；如果三相绕组分布在一个圆周上，则行波磁场做旋转运动，即旋转磁场；旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数称为极数，用2P表示；旋转磁场的旋转方向取决于三相励磁电流的相序，转速n1取决于三相励磁电流的频率 和磁场极对数Pf160fnP励磁电流频率励磁旋转磁场转速励磁旋转磁场极对数一、双馈异步风力发电机原理简介第8页/共24页4.双馈异步发电机运行的三种状态1）亚同步状态：转子转速n2低于发电机同步转速ns，此时变频器IGBT变流模块为转子绕组提供三相交流励磁，在转子绕组上产生一个转

6、速为n1的与转子旋转方向相同的励磁旋转磁场，在此状态下变频器根据n2的变化实时改变n1，使n2+n1恒等于发电机同步转速ns。该状态下发电机只由定子绕组发出功率。212ssnnnnn一、双馈异步风力发电机原理简介第9页/共24页2）同步状态：转子转速n1等于发电机同步转速ns，此时变频器IGBT变流模块为转子绕组提供三相支流励磁，在转子绕组上产生一个恒定不动的磁场，该状态下发电机只由定子绕组发出功率21=0snnn一、双馈异步风力发电机原理简介第10页/共24页3）超同步状态：转子转速n2高于发电机同步转速ns，此时转子绕组上产生一个转速为n1的与转子旋转方向相反的励磁旋转磁场，在此状态下变频

7、器根据n2的变化实时改变n1，使n1-n2恒等于发电机同步转速ns。该状态下发电机不但由定子绕组发出功率，转子绕组也向电网反馈出滑差功率。这也是双馈异步发电机名称的由来。212ssnnnnn一、双馈异步风力发电机原理简介第11页/共24页综上所述，我们可以看出双馈异步发电机转差率还有以下特点：1）亚同步运行时风机发出功率等于机械功率减去滑差功率；同步运行时风机发出功率等于机械功率；超同步时风机发出功率等于机械功率加上滑差功率。2）根据风速的要求和风力发电机转速范围较窄的特点，一般双馈异步风力发电机的转差率为30%，因此双馈异步发电机变频器的容量也为定子额定功率的30%，且风力发电机可在转子转速

8、达到额定转速的70%时并网，达到转子转速限值时最多可从转子绕组馈出定子发出功率30%的滑差功率。一、双馈异步风力发电机原理简介第12页/共24页（一）双馈异步发电机变频器的主要特点这种变频器是专为双馈异步式风力发电机设计的这种变频器可以控制风力发电机的功率因数这种变频器也可以在电网故障时对电网提供支持，具有低电压穿越能力采用DTC（直接转矩控制）提供了优异的控制平台，做到高可靠性的快速控制二、风力发电机变频器原理简介第13页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理二、风力发电机变频器原理简介第14页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理1.IGBT变流模块

9、双馈异步发电机的变频器主要由两组相同构造背靠背的IGBT变流模块构成其主体，分别为网侧变流模块（INU)和转子侧变流器(ISU)（1）网侧变流模块：是一个基于IGBT的变流器，它带有AC熔断器，ABB的网侧变流器模块带有一个装有IGBT供电程序的控制单元，但其网侧变频器还是由转子侧变频器控制单元来控制的。 其作用为保证输入电流的波形为正弦，减少谐波含量，实现功率控制，并保证直流母线电压稳定。中间直流电流向转子变流器供电。网侧LCL滤波器用来抑制交流电压和电流谐波。二、风力发电机变频器原理简介第15页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理 缺省情况下，网侧变流器将直流环节的电

10、压控制在输入电压的峰值。IGBT半导体模块的控制基于DTC（直接转矩控制法）。为实现其控制需要测量电网两相电流和直流环节的电压。（2）转子侧侧变流模块：ABB的网侧变流器由两个基于IGBT的逆变模块组成，该模块NDCU-33控制模块控制，NDCU-33模块装有绕线电机控制应用程序，该程序还通过光纤对网侧变流器进行控制。 变频器整流模块改变转子绕组励磁电流频率称为转差频率，跟随转子转速改变保证输出频率恒定；改变绕组励磁电流相位使其无论在亚同步、同步还是超同步状态下都可以向电网发电，使定子绕组在三种状态下都能发电且能改变定子输出的功率因数；改变励磁电流和电压幅值，可以调节定子绕组输出的电流幅值调整

11、有功功率。二、风力发电机变频器原理简介第16页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理下图为ABB变频器传动单元拓扑图，电网电流首先经过LCL滤波器滤波后进入网侧变流器，网侧变流器将交流电整流为直流电输出到公共直流母线，公共直流母线上装的有RC高通滤波器滤波后，电流进入转子侧变流器，转子变流器将直流电转为转子绕组需要的电流、电压、相位和频率后经du/dt滤波器滤波供给发电机转子。二、风力发电机变频器原理简介第17页/共24页二、风力发电机变频器原理简介（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理（3）LCL滤波器 实际电网中的电压和电流不是完全平衡的，并且有时会伴有谐波，

12、而且当转子绕组对电网馈出功率时，网侧变流器的高频通断也会产生和开关频率（13kHz)相同的高次谐波，这种谐波会对电网中一些敏感的检测元件造成损害，所以在网侧变流器和电网之间加入了LCL滤波器。 LCL滤波器的阻抗值与流过电流的频率成反比，频率越高，阻抗越小，所以可以滤除高次谐波。第18页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理（4）高通RC滤波器是容许高频信号通过、但减弱（或减少）频率低于信号通过的滤波器。作用在公共直流母线上滤除交流干扰波形，RC串联滤波器串联越多效果越好，但是会增大直流损耗（5）du/dt滤波器转子侧变流器会对转子绕组和转子轴承产生比中间直流回路电压高很多

13、的尖峰输出电压。这个具有很大的du/dt值的尖峰电压会对转子绕组和转子轴承绝缘带来额外的压力。Du/dt滤波器可以限制这个du/dt尖峰电压。二、风力发电机变频器原理简介第19页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理（6）Crowbar电路（转子短路保护电路） 在电网电压跌落后，双馈异步发电机转子绕应发电机组感应而过流，并导致转子侧变流器直流电压升高。转子过流会导致发电机转子绕组击穿，和转子侧变流器的损坏。 故此为保证电网电压跌落后风机不脱网，并且并且不损坏发电机和变频器，必须使用有源Crowbar电路来限制低穿时的转子电流。二、风力发电机变频器原理简介第20页/共24页（二）双馈异步发电机变频器的主要元件及其工作原理二、风力发电机变频器原理简介Crowbar电路拓扑图日立变频器Crowbar电路第21页/共