电机学chap13_风力发电机课件

1、 风力发电机13.风力发电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机一、风力发电概述风力发电具有清洁、无污染、运行成本低、建设周期短、控制灵活方便等优点，是发展新能源和可再生能源的重点领域。 风力发电系统主要包括风机、发电机、功率变换器和控制器等，发电机及其变流器控制系统负责机械能到风能的转换和变换，是风力发电机组的核心部件。根据发电机类型，主流风力发电机系统可分为直驱式永磁风力发电系统和非直驱双馈发电系统。普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机一、风力发电概述图13-1 直驱式永磁风力发电系统结构示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机一、风力发电

2、概述图13-2 双馈风力发电系统结构示意图普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机图13-3 直驱式永磁风力发电机组永磁电机作为主发电机，具有结构简单，无励磁损耗、维护工作少、功率密度高等优点。直驱式结构中发电机的转轴与风力机直接相连，电机转速由风速决定往往较低。普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机基本结构和工作原理图13-4 直驱式永磁风力发电机的基本结构直驱式永磁风力发电机由定子和转子两部分组成，定、转子之间为气隙。电机定子包括铁心和绕组，绕组为三相对称绕组，各相绕组轴线空间相差120角度。电机转子包括转轴、转子轭

3、和永磁材料。普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机基本结构和工作原理图13-4 直驱式永磁风力发电机的基本结构电机转子旋转时，由永磁体在气隙中建立旋转磁场，该磁场切割电机电枢绕组，并在绕组中产生感应电动势，对外输出交流电。交流电的频率由电机转速和极对数决定。普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机结构类型图13-5 径向磁通永磁风力发电机a）磁极凸出式b）磁极凹入式c）切向式转子磁路结构d）混合转子磁路结构普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机结构类型图13-6 轴向磁通永磁风力发电

4、机图13-7 横向磁通永磁风力发电机普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机运行特性忽略电机内的磁场饱和和铁心损耗的影响。1.相量图 图13-8 直驱式永磁风力发电机的相量图a）阻感负载 b）阻容负载13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机运行特性2.等效电路 图13-9 直驱式永磁风力发电机的等效电路普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机运行特性3.电动势波形 电压波形畸变率普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机运行特性4.数学模型 普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发

5、电机二、直驱式永磁风力发电机运行特性5.特性 图13-10 直驱式永磁风力发电机的外特性曲线普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机运行特性5.特性图13-11 直驱式永磁风力发电机的特性曲线采用id等于零控制策略控制直驱式永磁风力发电机运行时a）电流曲线 b）电压曲线 c）功率因数曲线普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机永磁材料1.磁滞回线描述永磁材料磁化过程特点和磁特性的曲线。磁滞回线的面积取决于最大充磁磁场强度的大小，当该磁场强度接近或超过饱和磁场强度Hs时，磁滞回线的面积趋于最大值。磁滞回线在第二象限的部分称为

6、退磁曲线。退磁曲线上磁场强度为零时对应的磁感应强度值称为剩余磁感应强度。退磁曲线上磁感应强度为零时对应的磁场强度值称为磁感应强度矫顽力。图13-12永磁材料的磁滞回线普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机二、直驱式永磁风力发电机永磁材料2.磁回复线当磁场强度单方向变化时，用退磁曲线表示磁通密度和磁场强度的关系。一般情况下，该局部磁滞回线的上下两条曲线非常接近，可近似用一条直线PR代替，称该直线为回复线。图13-13永磁材料的磁回复线普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机图13-14 双馈式异步风力发电机双馈式异步发电机的定子接电网，转子接交流

7、励磁变换器，定子、转子都参与馈电，所以被称之为“双馈”发电机。双馈式异步发电机采用交流励磁，改变励磁电流的频率可实现变速恒频运行，改变励磁电流的相位可控制转子磁场的空间位置，改变发电机输出电势与电网电压间的相对位置，调节发电机的功率角。普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机基本结构双馈式异步发电机主要由定子和转子组成，其定子结构与传统感应电机定子相同，包括铁心和三相电枢绕组。转子结构与感应电机和同步电机相似但略有不同，双馈式异步发电机转子上带有电刷和集电环，可以连接交流电源，可以输入电能或输出电能，励磁电源的频率对转子的速度有决定作用。图13-15 双馈式

8、异步风力发电机绕组的链接方式普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机运行原理双馈式异步发电机同时具有异步电机和同步电机的某些特性。根据转子转速的不同，双馈发电机有如下三种运行状态：1）亚同步运行状态：此时n0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场方向与转子转速方向相同，励磁变换器从电网取电向转子绕组输入电功率，发电机输出功率为(1-s)Pem, 小于传送到定子侧的电磁功率。图13-16 亚同步运行状态时的功率流向普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机运行原理2）超同步运行状态：此时n ns,转差率s0，频率为f2的转子电流

9、产生的旋转磁场方向与转子转速方向相反。转子绕组通过励磁变换器向电网输出转差功率，即转子输入电功率为负值，定转子同时发电，转子输出电能经双向变流器输入电网，总输出功率为（1+s的绝对值）Pem，大于Pem。图13-17 超同步运行状态时的功率流向普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机运行原理3）同步运行状态：此时n =ns, f2为零，转子中的电流为直流，电网与转子绕组之间无功率交换，励磁变换器向转子提供直流励磁，此时可等效为同步发电机。普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机基本方程1.假定条件2.基本方程普通高等教育“

10、十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机等效电路图13-18 双馈式异步发电机的等效电路图普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机相量图图13-19 双馈式异步发电机的相量图a）亚同步运 b）超同步运行普通高等教育“十一五”国家级规划教材13.风力发电机三、双馈式异步风力发电机运行控制图13-20 双馈式异步发电机的运行区间双馈式异步发电机的运行可以分为起动阶段、并网阶段和恒功率阶段。12段对应切入风速，s为切入风速，23段对应并网阶段的变速运行区域，而34段对应并网阶段的恒速运行区域，n为额定速度，45段对应恒功率阶段。普通高等教育“十一五