风力发电机及其系统

关于风力发电机及其系统第1页，共74页，2023年，2月20日，星期日2风力发电机及其系统

目的

介绍现代风力发电机组中的发电机及其系统的基本结构、运行原理和控制方法，说明发电机对风力机和电力系统的影响。（1）恒速恒频风力发电机系统（2）变速恒频风力发电机系统

内容第2页，共74页，2023年，2月20日，星期日风力发电机组的结构第3页，共74页，2023年，2月20日，星期日4

风力机（轮毂、桨叶），传动机构（齿轮箱），发电机，控制器（调桨、偏航、启停、并网），结构件（机舱、塔筒、基础）风力发电机组的结构第4页，共74页，2023年，2月20日，星期日5双馈异步风力发电机组第5页，共74页，2023年，2月20日，星期日风力发电机组的结构第6页，共74页，2023年，2月20日，星期日7直驱永磁同步风力发电机组第7页，共74页，2023年，2月20日，星期日8风力发电机组的基础知识

桨叶的距角

桨叶围绕翼展长度方向的轴线旋转的角度。显然，桨距角的变动对桨叶的升力影响很大。

桨叶的升力与阻力第8页，共74页，2023年，2月20日，星期日9风力机风能转换效率特性风轮的功率风能转换率叶尖速比TSR:TipSpeedRate第9页，共74页，2023年，2月20日，星期日10定桨距桨叶桨距角固定，大风速时，翼型的尾部气流紊乱，升力不增反降，称为失速现象。变桨距桨叶桨距角可调，大风速时，增大桨距角，可保持风力机吸收功率恒定，也可完全释放功率。变桨距有利于大风速下稳定风力机吸收的功率。风力发电机组的功率控制第10页，共74页，2023年，2月20日，星期日11风力发电机组的功率控制定速发电机发电机转子转速基本恒定，例如笼型转子异步发电机。变速发电机

发电机转子转速可在一定范围内变化。需要变频器保证馈入电网的电能频率恒定。变速发电机有利于小风速下风力机吸收更多的功率。第11页，共74页，2023年，2月20日，星期日12风力机的输出功率定桨定速

vs.变桨变速风力机输出功率的比较：第12页，共74页，2023年，2月20日，星期日13风力发电机组两大核心系统：风力机系统＋发电机系统一个灵魂：系统控制器风力机系统：

桨叶轮毂主轴调桨机构（液压或电动伺服机构）偏航机构（电动伺服机构）刹车、制动机构风速传感器发电机系统：

发电机励磁调节器（电力电子变换器）并网开关软并网装置无功补偿器主变压器转速传感器第13页，共74页，2023年，2月20日，星期日14风力发电机组风电机组对发电机系统的基本要求：（1）将旋转风力机的机械能高效率地转换为电能

转速、转矩、效率、电压、电流、体积、重量（2）输出的电能质量应满足电力系统的并网要求频率、有功、无功、波形畸变率、三相不平衡度、并网冲击、电压跌落跨越（3）与风力机系统匹配，最大限度发挥风力机的风能转换率有无齿轮箱（直驱）、变速（MPPT）、变桨（恒功）（4）安全、可靠运行过压、过流、过速、过热等状态监测与保护第14页，共74页，2023年，2月20日，星期日15风力发电机组风电机组的分类：（1）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，调整桨距角，限制输出转矩与功率。（2）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；

变速型：

双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率；

连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。第15页，共74页，2023年，2月20日，星期日16风力发电机组风电机组的分类：（3）按传动机构分类升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。

直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。（4）按发电机分类

异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步发电机；绕线式异步发电机。

同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。（5）按并网方式分类

并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。

离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。

第16页，共74页，2023年，2月20日，星期日17风力发电机系统风力发电机系统的分类：恒速恒频风力发电机系统（1）同步发电机系统（2）笼型异步发电机系统（3）绕线转子RCC异步发电机系统变速恒频风力发电机系统（1）变速恒频鼠笼异步发电机系统（高速）（2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速）（3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）（4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）（5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）第17页，共74页，2023年，2月20日，星期日18风力发电机系统恒速恒频同步风力发电机系统三要素：（1）同步发电机（2）调速器（3）励磁调节器第18页，共74页，2023年，2月20日，星期日19恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的定、转子结构定子铁心定子绕组转子磁极第19页，共74页，2023年，2月20日，星期日20恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的基本工作原理—产生感应电动势（1）风力机拖着发电机的转子以恒定转速n1沿逆时针方向旋转（2）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（3）导体切割磁力线感应出电动势导体感应电动势的方向可用右手定则判断！交变频率：p：磁极的极对数第20页，共74页，2023年，2月20日，星期日21恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的基本工作原理—产生电磁制动力（1）载流导体在磁场中受到电磁力（2）绕组电流受力形成电磁转矩（3）电磁转矩阻止转子旋转，是一种制动转矩，与风力机的拖动转矩相平衡。电磁制动力的方向可用左手定则判断！第21页，共74页，2023年，2月20日，星期日22恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的电动势方程式相量图（忽略R）式中，

Xd＝Xs＋Xad

Xq＝Xs＋XaqXad、Xaq—每相电枢绕组的直轴和交轴电枢反应电抗。Xs—每相电枢绕组的漏电抗。Xd、Xq—每相电枢绕组的直轴和交轴同步电抗。第22页，共74页，2023年，2月20日，星期日23空载特性E0＝f(if

)恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的空载电压特性E0:定子一相感应电动势的有效值if:转子励磁电流

空载特性反映了转子励磁磁动势产生磁场、并在定子绕组中感应电动势的能力。额定点第23页，共74页，2023年，2月20日，星期日24恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的外特性外特性U＝f(I)外特性反映负载性质不同时，端电压随负载大小变化而变化的情况。

外特性：同步发电机在n＝nN，if＝const，cos＝const的条件下，端电压U和负载电流I的关系曲线。

负载的cos不同，U

随I

变化的趋势有所不同。第24页，共74页，2023年，2月20日，星期日25恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的电压调整率保持发电机额定运行时（UN、IN、cosN）的额定励磁电流ifN和转速不变，去掉全部负载后，空载电动势为E0，则电压调整率为式中E0和UN同为相值或线值。第25页，共74页，2023年，2月20日，星期日26恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的功角特性励磁电磁功率磁阻电磁功率

隐极同步发电机，最大电磁功率出现在

功角＝90处。

凸极同步发电机，最大电磁功率出现在功角＜90处。第26页，共74页，2023年，2月20日，星期日27恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的并网条件

发电机输出的三相交流电压与电网电压应满足四同条件，即：

“同相序、同幅值、同频率、同相位”同相序：由正确的旋转方向保证同幅值：由励磁调节器自动保证同频率：由调速器保证，桨距调节可用作并网调速器同相位：由调速器微调实现第27页，共74页，2023年，2月20日，星期日28恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机系统的主要问题

（1）并网问题：并网控制复杂，对调速器要求过高，并网过程长，成功率较低，冲击电流不易控制，不适合于频繁脱、并网的风力发电机。（2）运行问题：转子转速受电网频率的钳制，发电机呈现刚性机械特性。转子受到的冲击应力大，电磁功率波动快，风力机的风能转换率偏低。（3）过载问题：高风速时，对变桨调节的动态响应要求高，无法利用转子惯量缓冲。留给过速保护的响应时间太短。恒速恒频同步风力发电机系统极少被采用！第28页，共74页，2023年，2月20日，星期日29风力发电机系统恒速恒频笼型异步风力发电机系统三要素：（1）异步发电机（2）调速器（3）无功补偿器第29页，共74页，2023年，2月20日，星期日30恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的定、转子结构第30页，共74页，2023年，2月20日，星期日31恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的工作原理—

旋转磁场(1)向对称三相绕组中通入对称三相交流电流，可形成行波磁场；(2)如果绕组分布在圆周上，则行波磁场为旋转磁场；(3)旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数目称为极数，用2p表示。(4)旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决于电流的频率f

和极对数p：——同步转速第31页，共74页，2023年，2月20日，星期日32恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的工作原理—

电磁感应（1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1旋转（2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势e和电流i（3）i在磁场中受力f，产生电磁转矩T

（4）若转子以转速n>n1,向n1的方向旋转，T为制动转矩转差率:

同步转速n1与转子转速n的差与同步转速n1的比值，称为转差率，用s表示，即:n＝(1－s)n1或：第32页，共74页，2023年，2月20日，星期日33恒速恒频笼型异步风力发电机系统发电机状态电动机状态用转差率s可以表示异步电机的运行状态!n＞n1＞0s＜00＜n＜n10＜s＜101n10ns笼型异步风力发电机的运行状态第33页，共74页，2023年，2月20日，星期日34恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的等值电路一相等值电路定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗转子可变电阻反映发电机的负载状况第34页，共74页，2023年，2月20日，星期日35恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的电磁功率表述定子输出功率：定、转子铜损耗：电磁功率：铁损耗：第35页，共74页，2023年，2月20日，星期日36恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的等值电路一相等值电路定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗转子可变电阻反映发电机的负载状况第36页，共74页，2023年，2月20日，星期日37恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的功率流程图第37页，共74页，2023年，2月20日，星期日38恒速恒频笼型异步风力发电机系统电磁转矩：电动机状态：0＜n＜n1，0＜s＜1发电机状态：0＜n1＜n

，s＜0软特性

vs.硬特性笼型异步风力发电机的机械特性曲线第38页，共74页，2023年，2月20日，星期日39恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机系统的特点

（1）无功补偿：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；（由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。可能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC）（2）软并网：并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控硅软起动限流装置；第39页，共74页，2023年，2月20日，星期日40恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机系统的特点（3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转速变动范围小，导致风力机的风能转换率偏低

。风速不稳时，风电机组容易受到冲击机械应力；（软特性发电机的转子损耗较大，发热严重）（4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要求发电机的效率曲线平坦，在中低负载区效率较高。可考虑在轻载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。第40页，共74页，2023年，2月20日，星期日41恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型双速异步风力发电机系统的特点（1）变极双速笼型异步风力发电机方案在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电枢绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以获得合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低轻载运行时的铁心磁密和损耗。（2）大、小电机方案：采用两台不同容量、不同极对数的单速笼型异步发电机同轴串联。高速发电机角接，低速发电机绕组星接。根据需要，可在两套绕组切换。与变极双速方案相比，小电机的负荷率较高，发电效率更高、第41页，共74页，2023年，2月20日，星期日42恒速恒频RCC异步风力发电机系统RCC：RotorCurrentControl，转子电流控制

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。第42页，共74页，2023年，2月20日，星期日43恒速恒频RCC异步风力发电机系统绕线型转子异步发电机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。第43页，共74页，2023年，2月20日，星期日44恒速恒频RCC异步风力发电机系统Rs增大转子回路串入三相对称电阻时的人为机械特性

三相绕线型异步电机的参数和U1、f1一定，转子每相中串入附加电阻Rs。

Rs↑时：

Tm不变，

|smax|↑，

T＝f(s)更倾斜。第44页，共74页，2023年，2月20日，星期日45恒速恒频RCC异步风力发电机系统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.第45页，共74页，2023年，2月20日，星期日46恒速恒频RCC异步风力发电机系统优点：（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。第46页，共74页，2023年，2月20日，星期日47风力发电机系统变速恒频笼型异步风力发电机系统第47页，共74页，2023年，2月20日，星期日48变速恒频笼型异步风力发电机系统四象限背靠背变频器（全功率容量）第48页，共74页，2023年，2月20日，星期日49变速恒频笼型异步风力发电机系统系统特点：（1）交直交变频器使发电机转速与电网频率间的关联解耦；笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；可利用发电机的电磁转矩控制风力机转子的转速，跟踪其最大功率点。发电机的运行转差率小，发电机机械特性硬，运行效率高；（2）发电机侧变频器运行于升压整流状态，机端电压可调，轻载运行时发电机的铁耗小、效率高；第49页，共74页，2023年，2月20日，星期日50变速恒频笼型异步风力发电机系统系统特点：（3）电网侧变频器运行于逆变状态，将发电机发出的有功传送至电网，并可作为无功发生器参与调节电网无功；对电网波动的适应性好，可以将电网的波动屏蔽于发电机之外；

（4）变频器与发电机功率容量相等，系统成本高。第50页，共74页，2023年，2月20日，星期日51风力发电机系统变速恒频双馈异步风力发电机系统

双馈异步风力发电机＋交直交双向功率变换器第51页，共74页，2023年，2月20日，星期日52变速恒频双馈异步风力发电机系统国产MW双馈异步风力发电机第52页，共74页，2023年，2月20日，星期日53变速恒频双馈异步风力发电机系统国产1.5MW双馈异步风力发电机交流励磁变频器第53页，共74页，2023年，2月20日，星期日54变速恒频双馈异步风力发电机系统绕线型转子三相异步发电机的结构第54页，共74页，2023年，2月20日，星期日55变速恒频双馈异步风力发电机系统

绕线型绕组的联结方式绕线型转子绕组通常采用Y联结第55页，共74页，2023年，2月20日，星期日56变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步发电机：（1）绕线型转子三相异步发电机的一种；（2）定子绕组直接接入交流电网；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；（3）转子绕组通入受控的变频交流励磁电流；（4）转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；（5）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；第56页，共74页，2023年，2月20日，星期日57变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步发电机的运行原理—

转子交流励磁（1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；（2）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；（3）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；（4）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0.3倍，|s|<0.3）第57页，共74页，2023年，2月20日，星期日58变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步发电机的等值电路S＝0

时，右边的转子支路转变为一个电流源。S≠0

时变频器第58页，共74页，2023年，2月20日，星期日59变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统中的变频器

拓扑结构：交直交电压型变频器。由两个共用直流环节的背靠背三相整流/逆变器组成。可实现变频、变压和功率双向流动；

控制方式：发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制；电网侧变频器采用电网电压定向矢量控制。通过二者之间的协调控制，保持直流母线电压恒定。可实现发电机的有功功率和无功功率之间的解耦控制；

电压调制：空间电压矢量正弦型脉宽调制。第59页，共74页，2023年，2月20日，星期日60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。变速恒频双馈异步风力发电机系统第60页，共74页，2023年，2月20日，星期日61变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机的功率转速关系第61页，共74页，2023年，2月20日，星期日62变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机的功率电流关系第62页，共74页，2023年，2月20日，星期日63变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机的功率转子电压关系第63页，共74页，2023年，2月20日，星期日64变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机的功率效率曲线第64页，共74页，2023年，2月20日，星期日65变速恒频双馈异步风力发电机系统系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变频器成本相对较低；（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）双向变频器结构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损