第一讲_风力发电机及其系统

1、风力发电机及其系统湖南大学电机系讲义(2011年版)黄 科 元风力发电机及其系统主要内容 绪论 风力发电机组及其分类 典型风力发电机系统绪论绪论绪论风力发电机组的内部结构机舱轮毂桨叶调桨系统偏航系统齿轮箱发电机底座塔筒控制柜风力机风能转换效率特性 风轮的功率风轮的功率 风能转换率风能转换率 叶尖速比叶尖速比VRTSRm),(TSRfCppCAVP321TSR: Tip Speed Rate风力发电机组及其分类 风力发电机组的分类：按风轮桨叶分类 风力发电机组的分类：按风轮转速分类 风力发电机组的分类：按传动机构分类 风力发电机组的分类：按发电机分类 风力发电机组的分类：按并网方式分类 定桨定速

2、 vs.变桨变速：输出功率比较风力发电机组的分类按风轮桨叶分类： 失速型： 高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率； 变桨型： 高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。风力发电机组的分类按风轮转速分类： 定速型： 风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与恒速发电机对应； 变速型： （1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能转换率，与双速发电机对应； （2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。风力发电机组的分类按传动机构分类： 齿轮箱升速型： 用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机； （减小发电机体积重量，降低电气系统成本

3、） 直驱型： 直接连接低速风力机和低速发电机。 （避免齿轮箱故障）风力发电机组的分类按发电机分类： 异步型： （1）笼型单速异步发电机； （2）笼型双速变极异步发电机； （3）绕线式双馈异步发电机； 同步型： （1）电励磁同步发电机； （2）永磁同步发电机。风力发电机组的分类按并网方式分类： 并网型： 并入电网，可省却储能环节。 离网型： 一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。定桨定速 vs.变桨变速风力发电机组输出功率的比较典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异

4、步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统三相笼型异步风力发电机笼型异步风力发电机的内部结构定子铁心定子铁心转子绕组转子绕组（端环）（端环）机座机座转子铁心转子铁心定子绕组定子绕组风扇风扇端盖端盖笼型异步风力发电机的工作原理 向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个行波磁场。生一个行波磁场。 如果三相绕组分布在一个圆周上，则行波磁场作旋转如果三相绕组分布在一个圆周上，则行波磁场作旋转运动，

5、即旋转磁场。运动，即旋转磁场。 旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数极）数目称为极数，用目称为极数，用2P表示。表示。 旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决取决于电流的频率于电流的频率 f 和极对数和极对数 P：160 fnP 同步转速同步转速笼型异步风力发电机的工作原理AXZBCYSn1Nffne, iT f 产生电磁转矩产生电磁转矩T 定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转旋转 在转子导条中产生感应电动势在转子导条中产生感应电动势 e e 在转子绕

6、组中产生感应电流在转子绕组中产生感应电流 i i 在磁场中产生电磁力在磁场中产生电磁力f 若转子以转速若转子以转速nn1, 向向n1的方向旋转的方向旋转 n 是否会等于是否会等于 n1？要产生要产生T，必须，必须nn1 异步异步机械能机械能 电能电能，是，是发电机发电机转子转速大于定子旋转磁场转速，转子转速大于定子旋转磁场转速， 发电！发电！笼型异步风力发电机的工作原理笼型异步发电机笼型异步发电机 中中转差率转差率S 与运行状态的关系与运行状态的关系? 把同步转速把同步转速n1与转子转速与转子转速n的差与同步转速的差与同步转速n1的比值，称为的比值，称为转差率转差率，用，用s表示，即表示，即1

7、1nnsn 异步电机的特点之一是转子转速异步电机的特点之一是转子转速n和定子旋转磁场的同步转和定子旋转磁场的同步转速速n1不同。不同。n(1s)n1则转子转速则转子转速n可表示为：可表示为：笼型异步风力发电机的工作原理SNn1TnSNn1Tn用转差率用转差率s可以表示异步电机的运行状态可以表示异步电机的运行状态!nn10s00nn10s101n10ns笼型异步发电机的等值电路2R2jXjX1R1RmjXm1U1E1I= =2E2I0I21Rss一相等值电路一相等值电路定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗转子可变电阻反映发电机的负载状况转子可变电阻反映

8、发电机的负载状况笼型异步发电机的功率表述R1jX1RmjXm2R2jX21RssPmpCu2pCu1pFeP1PM1U1I0I2I12EE111 11cosPm U I定子输出功率：定子输出功率：定、转子铜损耗：定、转子铜损耗：2Cu11 11pm I R2Cu21 22pm IR21 221msPm IRs机械输入功率：机械输入功率：电磁功率：电磁功率：221222222212coscosMRPm E Im E Im Is 2Fe1 0mpm I R铁损耗：铁损耗：笼型异步发电机的功率流程图R1jX1RmjXm2jX21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rs

9、pm+ paP22R笼型异步发电机的机械特性曲线TTmsnTmn101 0发电机电动机电磁制动Smax221122211122 ()() Rm pUsTRfRXXs电磁转矩：电磁转矩：电动机状态：电动机状态： 0nn1 ，0s1发电机状态：发电机状态： 0n1n ，s0软特性软特性 vs. 硬特性硬特性笼型异步发电机的运行特点（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容；（2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦；（3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，max绝对值要大 ；（4）并网瞬间与

10、电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置； 典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control， RCC) 定义： 转子电流控制技术是指通过电力电子开关和脉宽调制（PWM）来控制绕线型异步发电机转子电流的一项技术。 系统的结构特征：（1）采用

11、变桨风力机；（2）采用绕线型异步发电机，但没有滑环；（3）采用旋转开关器件斩波控制转子电流，动态调整发电机的机械特性。转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control， RCC)转子采用类似于定子的三相交流绕组，一般接成Y接；转子三相绕组可在转子内部联接，也可经滑环电刷装置将转子三相绕组端接线引出；转子三相绕组的端接线在转子内部短接时，发电机的机械特性类似于笼型异步发电机；外接附加电阻时，机械特性变软。sm2RsRs2T10smn0n1sTmRs0固有机械特性TsRs增增大大sm1RsRs1转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control

12、， RCC) 三相三相绕线型绕线型异步电动机的参异步电动机的参数和数和U1、f1一定，转子每相中一定，转子每相中串入附加电阻串入附加电阻Rs Rs时：时： Tm不变，不变， |smax| ， Tf (s)更倾斜更倾斜转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control， RCC)转子电流斩波控制电路：原理： 控制附加电阻的接入时间，从而控制转子电流RCC异步风力发电机系统的特点优点：（1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速机构调节，其高频分量由RCC调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率;（2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变化形成的动能，提高风

13、能利用率；（3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺点： 旋转电力电子开关电路检修、更换困难。典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统系统主回路构成： 双馈异步发电机 交直交双向功率变换器双馈异步风力发电机系统国产1MW双馈异步风力发电机双馈异步风力发电机系统双馈异步发电机绕线型转子三相异步发电机的一种；定子绕组直接

14、接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向功率变换器；转子绕组通入变频交流励磁；转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；双馈异步风力发电机系统基于IGBT和DSP技术的国产 600kW双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线；在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态；发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和

15、空间电压矢量PWM控制方法；可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。双馈异步风力发电机的运行原理引入转子交流励磁变流器，控制转子电流；转子电流的频率为转差频率，跟随转速变化；通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态；通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率；转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量与转差率有关（约为全功率的S倍）。双馈异步风力发电机的等值电路S0 时时S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。时，右边的转子支路转变为一个电流源。定子磁场定向矢量控制将定转子电压、电流和磁链各量投影到

16、由定子磁场确定的同步旋转坐标系中，进行调节控制的方法。双馈发电机的功率转速关系双馈发电机的负载电流关系双馈发电机负载电流曲线02004006008001000120002004006008001000120014001600负载功率(kW)电流(A)定子电流转子电流双馈发电机的负载转子电压关系双馈发电机的效率曲线双馈异步风力发电机系统的特点（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变流器成本相对较低；（3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）；（4）并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求；（6）改善作用于风轮桨叶上机械应力 状况 ；（7）双向变流器结构和控制较复杂

17、；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统转子电流混合控制的异步风力发电机系统1电网VT 1VT 3VT 5VT 4VT 6VT 2VT 7VT 85 多功能变换器8R4变压装置2双馈电机3绕线转子6 整流器7星点短接及保护装置 混合控制双馈斩波转子电流混合控制的特点 优点：（1）简化了主回路结构和控制策略，成本低

18、；（2）兼具双馈控制和RCC控制的优点。 缺点：（1）转速范围缩小；（2）超同步速运行时，无功功率不可调，功率因数略低。典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreaker

19、Yaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 变速笼型异步风力发电机系统系统特点笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行效率高；发电机机端电压可调，轻载运行效率高；发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网波动的适应性好；变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机

20、系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统电励磁直驱同步风力发电机系统发展同步发电机的必要性：同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。 直接驱动同步风力发电机去除齿轮箱，直接驱动的理由： 由齿轮箱引起的风电机组故障率高； 齿轮箱的运行维护工作量大，易

21、漏油污染； 系统的噪声大，效率低，寿命 短。直驱带来的问题： 发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大； 全功率整流逆变，变流器成本高。直接驱动同步风力发电机同步风力发电机的定、转子结构同步风力发电机的定、转子结构定子铁心 定子绕组 发电机转子同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步发电机原理：产生感应电动势 风力机拖着发电机的转子以恒定转 速n1相对于定子沿逆时针方向旋转； 安放于定子铁心槽内的导体与转子 上的主磁极之间发生相对运动 ； 根据电磁感应定律可知，相对于磁 极运动（即切割磁力线）的导体中 将感应出电动势： 导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。Vlvbe同步风

22、力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理如果发电机的转速为n1，单位为r/min，即发电机转子每秒转了n1/60圈，则定子导体中感应电动势的频率为：当发电机的极对数p与转速n1一定时，发电机内感应电动势的频率f就是固定的数值。 160pnfHz同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步发电机原理： 产生电磁力 如果在同步发电机定子导体A中有电流流过，那么根据电磁作用力定律，导体A在主磁极的磁场作用下，将受到一个电磁力 ： 电磁力的方向可用左手定则判断 。 Nfb li同步风力发电机的电动势方程式同步风力发电机的电动势方程式0jjddqqEUIRI XI X式中，式中

23、， Xd XsXad XqXsXaqXad 、Xaq 每相电枢绕组的直每相电枢绕组的直 轴、交轴电枢反应电抗。轴、交轴电枢反应电抗。Xd 、Xq 每相电枢绕组的直轴、每相电枢绕组的直轴、 交轴同步电抗。交轴同步电抗。UIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE相量图相量图（忽略忽略R）同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 E0:定子一相感应电动势的有效值定子一相感应电动势的有效值空载特性空载特性 E0f ( if )if:转子励磁电流转子励磁电流0if (Ff )E0 空载特性空载特性反映了转子励磁反映了转子励磁磁动势产生磁场、并在定子磁动势产生磁场、并在定子绕组中感应电动势的能力

24、绕组中感应电动势的能力。同步发电机的外特性同步发电机的外特性 外特性反映负载性质不外特性反映负载性质不同时，端电压随负载大小同时，端电压随负载大小变化而变化的情况。变化而变化的情况。 外特性：同步发电机在外特性：同步发电机在nnN ，ifconst，cos const的条件下，端电压的条件下，端电压U和负载电流和负载电流I 的关系曲线。的关系曲线。 负载的负载的 cos 不同，不同，U 随随I 变化的趋势有所不同。变化的趋势有所不同。0IUINUNcos0.8cos1cos()0.8同步发电机的电压调整率同步发电机的电压调整率 保 持 发 电 机 额 定 运 行 时保 持 发 电 机 额 定

25、运 行 时（UN、IN、cos N）的额定励）的额定励磁电流磁电流ifN和转速不变，去掉和转速不变，去掉全部负载后，空载电动势为全部负载后，空载电动势为E0 ，则，则电压调整率电压调整率为为0IUINE0UNif=ifN ,NcoscosU0NN%100%EUUU式中式中E0和和UN同为相值或线值。同为相值或线值。同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 电磁功率可用电枢感应电动势、电枢电磁功率可用电枢感应电动势、电枢电流及它们之间的夹角表示。对隐极同电流及它们之间的夹角表示。对隐极同步发电机（不计饱和）步发电机（不计饱和）: 00cosMqPmE ImE I22Cucos(cos)MPPpm

26、UImI RmI UIRUIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性2011sinsin22MdqdE UUPmmXXX功角特性功角特性0PM90。180。励磁电磁功率励磁电磁功率磁阻电磁功率磁阻电磁功率 隐极同步发电机，最大电磁功率隐极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。 凸极同步发电机，最大电磁功率凸极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。gearboxbrakepitch drivemain inverter(full rating)wind turbine controlrectifierline cou

27、pling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter电励磁直驱同步风力发电机系统电励磁直驱同步风力发电机系统系统特点：通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；定子绕组输出电压的频率随转速变化；可采用不控整流和PWM逆变，成本较低；转子可采用无刷旋转励磁；转子结构复杂，励磁消耗电功率；体积大、重量重，效率稍低。典型风力发电机系统 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统永磁直接驱动同步