第二部分-风力发电机及其系统培训

1、风力发电机及其系统v定速笼型异步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统v转子电流受控的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v双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统v转子电流混合控制的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v变速笼型异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统v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v永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向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，向对称的三相绕组中通入对称三相交

2、流电流，可以产生一个旋转磁场。可以产生一个旋转磁场。如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场作旋转运动。转子在一个圆周内旋转，呈现出作旋转运动。转子在一个圆周内旋转，呈现出的磁极（的磁极（N N、S S极）数目称为极数，用极）数目称为极数，用2P2P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n n1 1取决于电流的频率取决于电流的频率 f f 和极对数和极对数 P P：160 fnP 同步转速同步转速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

3、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

4、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：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!nn10s00nn10s101n10nsv铁损：电机的铁损包括磁滞损失和涡流损铁损：电机的铁损包括磁滞损失和涡流损失两部分，电机空载时所消耗的功率。失两部分，电机空载时所消耗的功率。v铜损：电机绕组上的损耗，包括原绕组的

5、铜损：电机绕组上的损耗，包括原绕组的铜损和副绕组的铜损，一般电机短路情况铜损和副绕组的铜损，一般电机短路情况下的损耗就是铜损。下的损耗就是铜损。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：R1jX1RmjXm2j

6、X21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rspm+ paP22Rv定速笼型异步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统v转子电流受控的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v双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统v转子电流混合控制的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v变速笼型异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统v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v永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

7、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。优点：优点：（1 1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变桨调速）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，其高频分量由机构调节，其高频分量由RCCRCC调节，可明显减轻桨调节，可明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率叶应力，平滑输出电功率; ;（2 2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子转速变）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；化形成的动能，提高风能利用率；（3 3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。）

8、电力电子主回路结构简单，不需要大功率电源。缺点：缺点： 旋转电力电子开关电路检修、更换困难。旋转电力电子开关电路检修、更换困难。v定速笼型异步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统v转子电流受控的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v双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统v转子电流混合控制的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v变速笼型异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统v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v永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双馈异步风力发电机（风冷）双馈异步风力发电机（风冷）v风力发电机的

9、关键部位：滑环（电刷）系统风力发电机的关键部位：滑环（电刷）系统v 什么是双馈电机？什么是双馈电机？v 所谓双馈电机所谓双馈电机, ,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组, ,一般将定子绕组接入电网一般将定子绕组接入电网, ,而而接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按要求分别进行调节要求分别进行调节 。v 双馈电机的特点：双馈电机的特点：v （1 1）和异步电机区别和异步电机区别：异步电机是通过定子从电网吸异步电机是通过定子从电网吸收励磁电流收励磁电流, ,本身无励磁绕

10、组本身无励磁绕组, ,而双馈与同步机一样有而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组独立的励磁绕组; ;异步电机无法改变功率因数异步电机无法改变功率因数; ;异步电异步电机的转速随负荷变化而变化机的转速随负荷变化而变化 。v （2 2）和同步机区别和同步机区别 ：同步机励磁只可调节电流的幅：同步机励磁只可调节电流的幅值值, ,因此只能对无功功率进行调节因此只能对无功功率进行调节, ,而双馈电机可以调而双馈电机可以调节幅值、频率和相位节幅值、频率和相位: :改变励磁频率改变励磁频率, ,可以调节电机转可以调节电机转速速; ;改变励磁电流相位改变励磁电流相位, ,可以调节发电机电势和电网电可以调节发电机电

11、势和电网电压向量的相对位置压向量的相对位置, ,改变了电机功率角改变了电机功率角, ,可以调节有功可以调节有功和无功和无功. . v控控制制原原理理简简图图v双馈系统（变换器系统）双馈系统（变换器系统）: :v (1)(1)交交变频器交交变频器( (双馈中有一定应用双馈中有一定应用) ) v 优点优点: :自然换流自然换流, ,四象限可靠运行四象限可靠运行; ;无直流滤波无直流滤波, ,变频效变频效率高率高 。v 缺点缺点: :变压器始终吸收无功、功率因数低变压器始终吸收无功、功率因数低; ;谐波大谐波大, ,输出输出频率低频率低, ,需要隔离变压器需要隔离变压器 v (2)(2)交直交变频器

12、交直交变频器( (大量应用大量应用) ) v 优点优点: :双双PWMPWM实现能量的双向传递实现能量的双向传递; ;结构简单、电流谐波结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可控含量小、输入功率因数可控 v 缺点缺点: :直流环节的支撑电容体积较大直流环节的支撑电容体积较大, ,寿命较短寿命较短, ,且双侧且双侧采用采用PWMPWM控制控制, ,开关损耗较大开关损耗较大. .v (3)(3)矩阵变换器矩阵变换器( (研发阶段研发阶段) ) v 优点优点: :四象限运行四象限运行; ;可输出幅值、频率、相位和相序均可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压可控的电压, ,谐波含量较小谐波含量较小.

13、 . v 缺点缺点: :换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断, ,实现比较困难实现比较困难基于基于IGBTIGBT（绝缘栅双极晶闸管）技术的（绝缘栅双极晶闸管）技术的双馈双馈异步风力发电机系统异步风力发电机系统交直交双向功率变换器交直交双向功率变换器v 大大的的机机侧侧小小的的网网侧侧引入转子交流励磁变流器，控制转子电流；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；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

14、转速高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；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；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。率，容量与转差率有关。v亚同步发电运行亚同步发电运行 n nr r n n1 1时时 ，（即，（即 0 0S S1 1） 如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为：如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为： P P电磁电磁=P=P机械机械+P+P转差转差 P P上网上网=

15、P=P电磁电磁 （定子馈电，转子由变频器提供励磁）（定子馈电，转子由变频器提供励磁）b.b.超同步发电运行超同步发电运行 n nr r n n1 1时，（即时，（即 S0S0） 如果忽略各种损耗，则发电机的能量如果忽略各种损耗，则发电机的能量 关系为：关系为： P P机械机械=P=P转差转差+P+P电磁电磁 P P上网上网=P=P转差转差+P+P电磁电磁（定子馈电（定子馈电+ +转子馈电）转子馈电）v定速笼型异步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统v转子电流受控的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v双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统v转子电流混合控制的异步风力发电

16、机系统转子电流混合控制的异步风力发电机系统v变速笼型异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统v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v永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v 优点：优点：（1 1）简化了主回路结构和控制策略，成本低；）简化了主回路结构和控制策略，成本低；（2 2）兼具双馈控制和）兼具双馈控制和RCCRCC控制的优点。控制的优点。v 缺点：缺点：（1 1）转速范围缩小；）转速范围缩小；（2 2）超同步速运行时，无功功率不可调，功率因数略低。）超同步速运行时，无功功率不可调，功率因数略低。v定速笼型异步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统v

17、转子电流受控的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v双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统v转子电流混合控制的异步风力发电机系转子电流混合控制的异步风力发电机系统统v变速笼型异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统v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v永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gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full

18、 rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 系统特点系统特点笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；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，运运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行效率高；行效率高；发电机机端电压可调，轻载运行效率高；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；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。变流器与发电机功率容

19、量相等，系统成本高。v定速笼型异步风力发电机系统定速笼型异步风力发电机系统v转子电流受控的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v双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统v转子电流混合控制的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v变速笼型异步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统v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v永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发展同步发电机的必要性：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，也可经整流器变换接向交流负载供电，也可经

20、整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同为直流电，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步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。机组的首选机型。近年来，在大容量风力发电机组产品中，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，有望成同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。为未来的主力机型。 去除齿轮箱，直接驱动的理由：去除齿轮箱，直接驱动的理由：v由齿轮箱引起的风电机组故障率高；由齿轮箱引起的风电机组故障率高；v齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染；染；v系统的噪声大，效率低，寿命短。系统的噪声大

21、，效率低，寿命短。直驱带来的问题：直驱带来的问题：v发电机转速低、转矩大，体积重量明显发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大；增大；v全功率整流逆变，变流器成本高。全功率整流逆变，变流器成本高。定子铁心 定子绕组 发电机转子同步发电机原理：产生感应电动势同步发电机原理：产生感应电动势 风力机拖着发电机的转子以恒定转风力机拖着发电机的转子以恒定转 速速n n1 1相对于定子沿逆时针方向旋转；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，相对于磁根据电磁感应定律可知，相对于

22、磁 极运动（即切割磁力线）的导体中极运动（即切割磁力线）的导体中 将感应出电动势：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导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。Vlvbev内功率因数角内功率因数角=0=00 0 BI.AI.CI.AE0.时轴CE0.B0.E+90+900 0FFad轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNS 交轴电枢反应 内功率因数角内功率因数角=90=900 0时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应Fav内功率因数角内功率因数角=-90=-900 0时轴A

23、E0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应Fav内功率因数角内功率因数角0 00 090900 0 时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应 + +90900 0Fa 位置位置夹角夹角记作记作电枢反电枢反应性质应性质对电机的影响对电机的影响=负载性质负载性质n(f)n(f)U U=0=00 0q q轴轴+90+900 0交轴交轴波形波形畸变畸变下降下降不变不变R R=90=900 0d d轴轴+90+900 0直、去直、去削弱削弱不

24、变不变下降下降L L=-90=-900 0d d轴轴+90+900 0直、助直、助增强增强不变不变上升上升C C0 00 090900 0d d、q q轴轴+90+900 0交、直去交、直去削弱削弱下降下降下降下降 R R、L L-90-900 0000 0d d、q q轴轴+90+900 0交、直助交、直助增强增强下降下降上升上升R R、C CaFafFFaFaqFadFadFaqFadFadFaqFFv电枢磁势和电枢电流分量电枢磁势和电枢电流分量 coscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交轴分量直轴分量0jjddqqEUIRI XI X式中，式中，

25、 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）v 三个角三个角v 四个轴四个轴 :.:)(;,:;,:00三者关系的时间相位角与是功角功率角与负载有关的时间相位角与是外功率因数角与电机参数及负载有关的时间相位角与是内功率因数角UEIUIE直轴（纵轴、d 轴） ：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q 轴） ：与直轴成 900电角度的位置。 相轴： 每相绕组的

26、轴线位置。 时轴: 时间相量在其上投影可得瞬时值 电枢反应和机-电能量转换n1TemaqIIrdIIn1nadIfAZBXCYNS凸极发电机的电磁过程fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI凸极发电机的电势方程式凸极发电机的电势方程式addadxI jEaqqaqxI jExI jEqqddaxIjxIjIrUE0其中其中：xxxxxxxxxqdaqqadd并且有称为交轴同步电抗称为直轴同步电抗凸极发电机的相量图凸极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数参数ra 、xd、xq 。1 1、已知内功率因数角、已知

27、内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图2、未知内功率因数角1）利用方程式求出：2）利用公式求出：qaQxI jIrUEcossinarctanUIrUIxaq隐极发电机的电磁过程fIfF00EIaFaEEEaaRIaaxI jExI jE隐极发电机的电势方程式taxIjIrUE0其中xxxxxxatat并且有称为同步电抗同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势txIjUE0简化方程式隐极发电机的等效电路隐极发电机的等效电路：raxt0EIU只要去掉只要去掉 r ra a 即可得到简化等效电路即可得到简化等效电路隐极发电机的相量图已知发

28、电机的端电压、负载电流和功率因数已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数及参数ra 、xtUIarItxI j0E当功率因数当功率因数cos 滞后时滞后时的相量图的相量图1 1、空载特性、空载特性：)(0001fIfEUInn2 2、短路特性、短路特性：)(01fkIfIUnn3 3、外特性、外特性：)(cos1IfUCCInnf4 4、调整特性、调整特性：)(cos1IfICCUnnfv1 1、提高供电的可靠性、提高供电的可靠性v2 2、提高供电的经济性、提高供电的经济性v3 3、提高电能、提高电能 的质量（主要是的质量（主要是U U和和f f）无穷大电网：无穷大电网：1）S2）Z

29、S 0 3）US = C 4） fS= C1 1、电机和电网之间有环流，定子绕、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。组端部受力变形。2 2、产生拍振电流和电压，引起电机、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。内功率振荡。3 3、电机和电网之间有高次谐波环流，、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。增加损耗，温度升高，效率降低。4 4、电网和电机之间存在巨大的电位、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。机安全运行。输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损附加损耗耗pad铁损铁损pFe电磁功电磁

30、功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P2emcuemadFemecemPPPPPPPPPPP12011)(功率极限值(隐极)temxUEmP0max0900PemPemmax1800Pem18000900Pemmax0180)390)2sin) 1:0max0ememememPPPP隐极0)40180)390)2sin) 1:0max0附加不成正比与凸极emememememPPPPP1 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间的时间相角差间相角差2 2、是励磁磁势、是励磁磁势 和合成磁势和合成磁势 间的空间相角差间的空间相角差0EUfFFEEEUEa00a00FFf0Ex

31、I jxI jEEaaUIFfF0a功角 意义的图示A：NSFNSFfT1nTemn1功角 意义的图示B功角功角 是转子磁极是转子磁极轴线和定子合成磁轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角极轴线的空间夹角 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)MPPpmUImI RmI UIRUIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE2011sinsin22MdqdE UUPmmXXX功角特性功角特性0PM90。1

32、80。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 coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter系统特点：系统特点：通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电通过调节转子励磁电流，可