风力发电机及其系统

1、风力发电机及其系统 代贤涛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 按风轮转速分类 按传动机构分类 按发电机分类 按并网方式分类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

2、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） 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

3、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。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

4、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

5、绕组分布在一个圆周上，则行波磁场作旋转运动，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，

6、称为转差率转差率，用，用s表示，即表示，即11nnsn 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

7、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； 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，

8、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。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。双馈异步风力发电机系统系统主回路构成

9、： 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0200400600800100012000200400600800100012

10、0014001600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；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。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；（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。变速笼型异步风力发电机系统gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter c