2020风力发电机的原理与控制

风力发电机的原理与控制目 录 五、等效电路 31主要物理量符号表第一章 绪论 1

六、变压器的运行特性 34第三节 三相变压器 34第一节 风力发电机组的概述 1

一、三相变压器的组成 34一、风力发电机组的工作原理 1

二、三相变压器的磁路系统 35二、风力发电机组的构成 3

三、三相变压器的电路系统 36三、风力发电机组的分类 4

第三章 变流器 38第二节 风力发电机组的运行 5

第一节 电力电子器件 38一、风力发电机组的稳态工作点 ………5

一、电力电子器件的概念和特征………38二、最佳风能利用系数 6

二、电力电子器件的分类 38三、风力发电机组的运行特征 8

三、常用电力电子器件 39第三节 风力发电系统 12

第二节 电源变换基本拓扑结构……43一、发电系统的总体结构 12

一、AC-DC变换电路 43二、发电系统的形式第四节 风力发电

…12…14

二、DC-DC变换电路三、DC-AC变换电路

…47…48一、风力发电机的种类 14二、风力发电机的基本参数

第三节 风力发电机组变流器的应用技术 50三、发电机的温控与润滑………………16 、

（

……50四、空间坐标矢量变换 18

一正弦脉宽调制 技术第二章 变压器 19

二、大功率变流技术 51第一节 变压器的工作原理和基本结构 19

三、多重化技术 54四、低电压穿越技术 54一、工作原理和分类 19

第四节 变流器外形及其温控………55二、变压器的主要部件 20

第四章 笼型感应发电机 57三、变压器的冷却 23四、变压器的额定值

第一节 笼型感应发电机的工作原理和基本结构 57第二节 变压器的负载运行 25

一、工作原理 57一、运行规律 25

二、基本结构 58二、基本方程式 26

第二节 笼型感应发电机的运行……59三、折算法……………28 一、基本方程式、等效电路和相量图 …59四、相量图……………31 二、感应发电机的电磁转矩 61目 录三、并网运行时无功功率补偿 62四、感应发电机的工作特性 62

·Ⅴ·第三节 电励磁同步发电机的发电系统 92第三节 定速风力发电系统 63

一、定速同步风力发电系统及其并网…92一、系统的构成 63

二、变速同步风力发电系统 93二、并网方式 63

第七章 永磁同步发电机 95第四节 双速风力发电系统 65一、双速发电机 65

第一节 永磁同步发电机的工作原理和基本结构 95二、运行过程 66

一、工作原理 95三、电力参数监测 69

二、基本结构 95四、双速发电机机组控制系统 70

三、永磁同步发电机的运行 97第五节 变速恒频发电系第五章 绕线转子感应发电

…………72…………75

第二节 外转子永磁风力发电一、外转子永磁风力发电机结构

……98第一节 绕线转子感应发电机的结构和工作原理 75

特点 98二、外转子永磁风力发电机数学一、结构 75

模型 98二、发电机转子电流控制技术 75

第三节 组…100第二节 优化转差风力发电系统……77

一、直驱型风力发电系统的构成 ……100一、系统的构成 77

二、直驱型发电系统变流方案………101二、无功功率补偿 78

三、直驱型发电系统的保护电路 ……102三、故障穿越技术 78

第四节 不可控整流＋Boost＋逆变第三节 功率和转速的控制 78

变流器的控制 105一、优化转差机组的运行 78二、优化转差的变桨距系统 79

一、控制系统结构 106二、风力发电并网逆变器的工作原理 108第六章 电励磁同步发电机 84

第五节 中转速发电机型（半直驱）第一节 电励磁同步发电机的工作原理和基本结构 84

风力发电机组 111第八章 双馈发电机 112一、工作原理 二、基本结构 三、同步发电机的励磁方式

第一节 双馈发电机的基本结构和工作原理 112一、基本结构及特点 112第二节 电励磁同步发电机的运行…88

二、基本方程式、等效电路和一、隐极同步发电机电动势方程式、等效电路和相量图 88

相量图 113三、定、转子电流计算 116二、凸极同步发电机电动势方程式和相量图

四、能量流动平衡关系 117第二节 双馈式风力发电系统 120三、转矩—转速特性 90

一、基本结构 120四、同步发电机的外特性和调节特性…90

二、背靠背恒压源PWM调制电路……121五、有功功率调节和无功功率补偿……91

三、双馈发电系统的保护电路………123Ⅵ· 风力发电机的原理与控制第三节 双馈发电系统并网和 二、中间继电器 165脱网…………127 第三节 母线与电缆 165一、空载并网方式……127 一、母线 165二、带独立负载并网…128 二、电力电缆 166三、孤岛并网方式……129 第四节 信号检测元件 168第四节 双馈发电系统的控制………131 一、互感器 168一、双馈发电系统变速运行…………131 二、电量变送器 169二、转子侧变流器的矢量控制………133 三、电压与电流的测量 171三、转子侧变流器的直接转矩控制……139四、转子侧变流器的直接功率控制……143五、网侧变流器的控制 147六、控制柜

四、电功率测量 173第十一章 发电系统的维护 174第一节 发电机的维护及故障分析 174第九章 风力发电用其他发电机………154

一、发电机的安装 174第一节 电励磁发电机 154

二、电气连接及空载运转 174一、开关磁阻发电机 154

三、运行维护 175二、电励磁多极同步发电机 155

四、发电机的故障分析 176三、高压发电机 156四、无刷双馈发电机 156第二节 永磁发电机 157

第二节 变流器的维护及故障处理 177一、变流器的维护 177一、轴向磁通电机 157

二、变流器常见故障及处理 178二、横向磁通永磁电机 158三、双凸极永磁电机 160第十章 电器元件 162

第三节 变压器的维护 178第四节 其他常用电器部件的维修 179第一节 开关电器 162

一、熔断器的使用与维修 179一、真空断路器 162

二、电缆的使用与敷设 181三、母线的使用与安装 183二、交流接触器 164

四、中间继电器的维修 184三、熔断器 164

五、交流接触器的运行与维修………185第二节 继电器 165

参考文献 187一、热继电器 165A风轮面积（风力机）C电容CP风能利用系数（风力机）CT电磁转矩常数（永磁电机）Ce电动势比例常数（永磁电机）DY占空比（直流斩波器）e电动势瞬时值E电动势有效值·0励磁电动势（同步电机）·a电枢反应电动势（同步电机）·σ定子漏电动势（同步电机）

主要物理量符号表ig定子电流空间矢量（永磁电机）in电网电流（逆变器）i1in的基波分量（逆变器）is输出电流（逆变器）i1is的基波分量（逆变器）I电流，交流表示有效值I0空载电流（变压器）I1L一次电流的负载分量（变压器）；定子电流的负载分量（双馈电机）Ik极限电流（感应电机）Idc发电机的输出电流（永磁电机）·1σ、·2σ分别为一次、二次侧漏磁电动势（变

Im励磁电流（双馈电机）压器）·aqq轴电枢电动势（永磁电机）

IJ

励磁电流（同步电机）电机转子转动惯量·δ气隙合成电动势（永磁电机）·g永磁体产生的电动势（永磁电机）f频率f1旋转磁场频率fm转子机械频率f2转差频率（双馈电机）fe电频率（永磁电机）fem电磁力（感应电机）F作用在叶片上的气动合力（风力机）Fd驱动力（风力机）F1轴向推力（风力机）F磁动势F0空载电流产生磁动势（变压器）F1定子基波磁动势（双馈电机）F2转子电流产生的基波旋转磁动势（双馈电机）Fm合成磁动势i电流瞬时值id、iload分别是流经网侧变流器和转子侧变流器直流母线的电流（背靠背双PWM）idc电容电流（背靠背双M）i2a转子电流的有功分量（感应电机）i1a定子上与i2a相平衡的电流（感应电机）

—k变压比（变压器）；比例系数k1、k2分别为电机定子、转子绕组系数（感应电机）L电感Ln输出回路电感（逆变器）L2σ转子一相绕组的漏感（双馈电机）L1、L2分别为定子互感和转子互感（双馈电机）L1、L2分别为定子漏感和转子漏感（双馈电机）L1、L2分别为定、转子等效自感（双馈电机）Lm定、转子间互感（双馈电机）m相数Mm主传动系统的输出转矩；发电机机械驱动转矩Mfw摩擦转矩（发电系统）Mr风力机的机械转矩（风力机）Me发电机电磁转矩ML负载阻转矩（双馈电机）Mk极限转矩（感应电机）M1发电机输出转矩n转子每分钟转数ns在发电机同步转速下的风轮转速·Ⅷ·nr风轮转速n1同步转速n2转差旋转速度（双馈电机）N绕组匝数p电机绕组的极对数P对时间t求异符号PW风功率Pr风力机输出功率Pm主传动系统的输出功率Pe发电系统的输出功率PC1电机定子绕组铜耗PC2电机转子绕组铜耗PC2广义铜耗（双馈电机）P1发电机输出电功率

风力发电机的原理与控制Udc整流器输出电压U0空载时二次电压（变压器）△U电压变化率（同步电机）；电压调整率（变压器）v风速vc切入风速（风力机）vb最大允许风轮转速（风力机）vr额定风速（风力机）vf大风停机风速（风力机）vt叶尖线速度（风力机）vts同步转速下的叶尖线速度（风力机）W风能X1σ、X2σ分别为一次、二次绕组漏电抗（变压器）；定子、转子绕组漏电抗（电机）PFe、Padd和Pfw分别是铁损、转子空气动力损耗和摩擦损耗Pem电磁功率P0发电机空载损耗（永磁电机）P1定子有功功率（双馈电机）P2励磁系统输入电机的功率（双馈电机）Q1定子无功功率（双馈电机）R风轮半径（风力机）；电阻Rm励磁电阻Rk短路电阻（变压器）Ra电枢电阻（同步电机）s电机转差率SN电机额定容量Sa、Sb、Sc分别为三相桥臂的开关函数Sp、Sq两相开关函数t时间ton开通时间（直流斩波器）Ts开合周期（直流斩波器）T励磁时间常数（双馈电机）

Xm电机励磁电抗Xk短路电抗（变压器）Xt同步电抗（同步电机）Xa电枢反应电抗（同步电机）Xσ定子漏抗（同步电机）Z阻抗Z2L二次侧负载阻抗（变压器）Zm励磁阻抗Zd一次侧等效电抗（变压器）Zk变压器的短路阻抗αIm超前·m的角度（变压器）βig与d轴间角度（永磁电机）γ定子磁链与转子磁链之间夹角（双馈电机）δ功率角（同步电机）η效率ηm主传动系统的总效率ηe发电系统的总效率θ双馈电机·2／s与·1相差的电角度（相量模型）；a、A轴间电角度（空间矢量模型）ΔT2采样周期（逆变器）

θ′—相量·和I 之间的夹角（变压器）u电压瞬时值

1 1 1Lθ · ·un电网电压u1un的基波us逆变器输出电压u1us的基波udc电容的电压（背靠背双M）uref空间电压矢量（永磁电机）U电压，交流表示有效值

2相量E2和I2间的夹角（变压器）θ1旋转坐标系角度（双馈电机）θ2转子静止坐标系位置角（双馈电机）λ叶尖速比（风力机）ρ空气密度σ1校正系数（感应电机）υ转子磁链旋转角（双馈电机）Ud输入的恒定的直流电压（逆变器）

φ相量·、I之间的夹角主要物理量符号表

·Ⅸ·φuu1和电网电压un之间角位移量（逆变器）Φ磁通；每极主磁通·m主磁通·1σ、·2σ分别为一次、二次绕组交链的漏磁通（变压器）ψ磁链ψf永磁体基波励磁磁场对定子绕组磁链（永磁电机）字母附加标记说明：字母上加“·”表示相量；字母右下标为1表示变压器一次侧、电机定子；字母右下标为2表示变压器二次侧、电机转子；

ω电气角速度（电机）ω1同步角速度ω2a、A轴间电角速度（双馈电机）ωn输出电角速度（逆变器）ωs转差角速度（双馈电机）Ωr风轮的角速度（风力机）Ωm主传动系统的输出角速度字母右下标为2，右上标为“′”表示变压器二次侧、电机转子折算值；max表示极大值；字母右下标为min表示极小值；字母右下标为opt表示最优值；字母右下标为N表示额定值；字母右下标为A、B、C表示定子三相绕组，字母右下标为a、b、c表示转子三相绕组；字母右下标为α、β表示α、β轴分量；字母右下标为d、q表示d、q轴分量；字母右上标为“∗”表示共轭相量或控制参考值；黑体字母表示空间矢量。第一章 绪 论本章重点介绍了风力发电机组的构成及分类，风力发电机组的运行控制，发电系统的形式以及发电机的一些共性问题。第一节 风力发电机组的概述一、风力发电机组的工作原理风力发电机组是将风的动能转换为电能的系统。在风力发电机组中，存在着两种物质流：一种是能量流，另一种是信息流；两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理如图1-1所示。能量流

图1-1风力发电机组的工作原理风力机所捕获的是风的动能，风的动能大小可以由风功率来表示。风功率是指单位时间内，v垂直流过截面A的气流所具有的动能。因为在t时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能为W＝1mv2＝1ρAvtv2＝1ρAv3t式中 W—风能，单位为J； 2 2 2ρ空气密度，单位为kg／m3；v来流速度，单位为m／s；A面积，单位为m2。·PAGE3··PAGE3·第一章绪论·PAGE2·PAGE2·风力发电机的原理与控制所以风功率为

PW＝W／t＝1ρAv3 （11）2由式（1-1）可见，风功率与风速的立方成正比。当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动。将风的动能变成风轮旋转的动能，两者都属于机械能。风轮的输出功率为2Pr＝MrΩr式中 Pr—风轮的输出功率，单位为W；Mr风轮的输出转矩，单位为N·m；Ωr风轮的角速度，单位为d／s。风轮的输出功率通过主传动系统传递。主传动系统可以使扭矩和转速发生变化，于是有Pm＝MmΩm＝MrΩrηm （12）式中 Pm—主传动系统的输出功率，单位为W；Mm主传动系统的输出转矩，单位为N·m；Ωm主传动系统的输出角速度，单位为d／s；ηm主传动系统的总效率。主传动系统将动力传递给发电系统，发电系统把机械能变为电能。发电系统的输出功率为Pe＝3UIcosφ＝Pmηe （13）式中 Pe—发电系统的输出功率，单位是W；U—三相绕组上的线电压，单位是V；I—流过绕组的线电流，单位是A；φ—功率因数；ηe发电系统的总效率。对于并网型风力发电机组，发电系统输出的电流经过变压器升压后，即可输入电网。信息流信息流的传递是围绕控制系统进行的。控制系统的功能是过程控制和安全保护。过程控制包括起动、运行、暂停、停止等。在出现恶劣的外部环境和机组零部件突然失效时，应该紧急关机。风速、风向、风力机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信息。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时地发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。对于变桨距机组，当风速大于额定风速时，控制系统发出变桨距指令，通过变桨距系统改变风轮叶片的桨距角（在指定的径向位置叶片弦线与风轮旋转面间的夹角），从而控制风力发电机组输出功率。在起动和停止的过程中，也需要改变叶片的桨距角。对于变速型机组，当风速小于额定风速时，控制系统可以根据风的大小发出改变发电机转速的指令，以便使风力机最大限度地捕获风能。当风轮的轴向与风向偏离时，控制系统发出偏航指令，通过偏航系统校正风轮轴的指向，使风轮始终对准来风方向。当需要关机时，控制系统发出关机指令，除了借助变桨距制动外，还可以通过安装在传动轴上的制动装置实现制动。实际上，在风力发电机组中，能量流和信息流组成了闭环控制系统。同时，变桨距系统、偏航系统等也组成了若干闭环的子系统，实现相应的控制功能。应该指出，由于各种风力发电机组结构的不同，其工作原理也有差异，这里介绍的是比较典型的情况。二、风力发电机组的构成从整体上看，风力发电机组可分为风轮、机舱、塔架和基础等部分，如图1-2所示。风轮是由叶片和轮毂组成的。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩，驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到主传动系统。机舱是由底盘、导流罩和机舱罩组成的，底盘上安装了除主控制器以外的主要部件。机舱罩后部的上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音和通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱达到所需要的高度，其上安置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制和通信电缆，还装有供操作人员上、下机舱的扶梯，大型机组还设有升降梯。基础为钢筋混凝土结构，根据当地地质情况，设计成不同的形式，其中心预置与塔架连接的基础部件必须保证将风力发电机组牢牢固定在基础上，而基础周围必须设置预防雷击的接地装置。

图1-2风力发电机组的外观图1-3风力发电机组内部结构图1-3为一种变桨距、变速型的风力发电机组内部结构。它由以下基本部分组成：变桨距系统 设在轮毂之中。对于电力变距系统来说，包括变距电动机、变距控制器、电池盒等。发电系统 包括发电机、变流器等。主传动系统 包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。偏航系统 由电动机、减速器、变距轴承、制动机构等组成。控制系统 包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件。此外，还设有液压系统，为高速轴上设置的制动装置、偏航制动装置提供液压动力。液压系统包括液压站、输油管和执行机构。为了实现齿轮箱、发电机、变流器的温度控制，设有循环油冷却风扇和加热器。三、风力发电机组的分类风力发电机组的类型主要从两个方面来分，一方面是按功率大小来分，另一方面是按结构形式来分。按装机容量大小分（1）微型0.1～1kW；（2）小型1～100kW；（3）中型100～1000kW；（4）1000kW以上。按风轮轴方向分水平轴机组水平轴机组是风轮轴基本上平行于风向的风力发电机组。工作时，风轮的旋转平面与风向垂直。水平轴机组随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。风轮在塔架的前面迎风旋转，叫做上风向机组，如图1-1所示。风轮安装在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，叫做下风向机组。上风向机组必须有某种调向装置来保持风轮迎风。而下风向机组则能够自动地对准风向，从而免去了调向装置。但对于下风向机组，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，这样，塔架就干扰了流过叶片的气流，形成所谓塔影响效应，影响风力机的出力，使性能有所降低。垂直轴机组垂直轴机组是风轮轴垂直于风向的风力发电机组，如图14所示。其主要特点是可以接收来自任何方向的风，因而，当风向改变时，无需对风。由于不需要调向装置，使它们的结构简化。垂直轴机组的另一个优点是齿轮箱和发电机可以安装在地面上。由于垂直轴机组需要大量材料，占地面积大，目前，商用大型风力发电机组较少采用。按桨距角的变化分定桨距机组 叶片固定安装在轮毂上，

1-4垂直轴风力发电机组角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性。当风速超过额定风速时，利用叶片本身的空气动力特性，减小旋转力矩（失速），维持输出功率相对稳定。变桨距（正变距）机组当风速过高时，这种机组通过改变桨距角，使功率输出保持稳定。同时，机组在起动过程也需要通过变距来获得足够的起动转矩。采用变桨距技术的风力发电机组还可使叶片和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组十分有利。主动失速型（负变距）机组这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。当风力机达到额定功率后，相应地增加攻角（叶片翼型上合成气流方向与翼型几何弦的夹角），使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获，因此称为负变距型机组。按发电机转速高低分高转速发电机型发电机转子的转速在同步转速附近。通常，风轮的转速较低，达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱的增速作用来实现。齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机，并使其得到相应的转速。故也将齿轮箱称之为增速箱。直接驱动型应用多极同步风力发电机，可以使机组在低转速下运行。能够去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。中转速发电机型（半直驱”）这种机组的工作原理是以上两种形式的综合。采用中转速发电机，减少了传统齿轮箱的传动比，同时，也相应地减少了多极同步风力发电机的极数，从而减小了发电机的体积。按发电机转速变化分定速（又称恒速） 定速风力发电机组是指其发电机的转速恒定不变，即不随风速的变化而变化，始终在一个恒定不变的转速下运行。多态定速 多态定速风力发电机组中包含两台或多台发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。变速 变速风力发电机组中的发电机在转速随风速时刻变化的状态下工作。目前，主流的大型风力发电机组都采用变速恒频运行方式。第二节 风力发电机组的运行一、风力发电机组的稳态工作点当外部条件（如负载、风速和空气密度等）和自身的参数确定，风力发电机组经过动态调整后，将工作在某一平衡工作点，即稳态工作点。这个工作点取决于风力机、发电机的功率（或转矩）转速特性。 图1-5表示的是风力机在不同风速下的功率转速特性，以及发电机经由齿轮箱速比转换后的功率转速特性曲线。由图可见，当风速一定时，对应于某一特定转速风力机输出功率最大。在不同风速下，风力机输出功率最大点的连线叫做最佳风能利用系数曲线。图中的垂直线是同步发电机随风速增加功率增大的情形。发电机自身的转速虽然很高，但处于齿轮箱低速端的风力机，其转速却是比较低的。异步发电机以略高于电网频率所对应的转速运行，因而它的特性曲线与同步机的特性曲线略有差异。直流发电机的功率随着转速的增加而增加，并且其特性曲线形状非常接近风力机的最佳功率系数曲线。但是，直流发电机由于自身固有的维修保养费用高昂，功率质量比小，无法使用高压绕组等缺点，除特殊场合外，已经不再作为发电机使用。图1-5风力发电机组的稳态工作点风力机和发电机的功率转速特性曲线的交点就是风力发电机组的稳态工作点。控制系统的任务就是在保证机组安全可靠运行的前提下，使风力发电机组的稳态工作点尽可能靠近风力机的最佳风能利用系数曲线，获得尽可能多的发电量，达到良好的经济效益。同时，在风速超过额定值时，使输出功率保持稳定。二、最佳风能利用系数风力机的功率特性通常由一簇风能利用系数CP的无因次性能曲线来表示，其定义为CP＝式中 Pm—风力机输出功率，单位为W；ρ—空气密度，单位为kg／m3；v—来流速度，单位为m／s；A—风轮面积，单位为m2。在理想状态下，CP的最大值为0.59。

Pm1ρv3A2

（1-4）风能利用系数是风力机叶尖速比λ（风轮叶尖切向速度与风轮前的风速之比）的函数，如图1-6所示。CP（λ）曲线是桨距角的函数。从图上可以看到CP（λ）曲线对桨距角的变化规律；当桨距角逐渐增大时，CP（λ）将显著地缩小。如果保持桨距角不变，用一条曲线就能描述出它作为λ函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。1-7是一条典型的CP（λ）曲线。叶尖速比可以表示为v＝vλ＝RΩr vtv＝v

1-6风力机性能曲线（1-5）式中 Ωr—风力机风轮角速度，单位为d／s；R风轮半径，单位为m；v主导风速，单位为m／s；vt叶尖线速度，单位为m／s。由式（1-4）可得，风力机从风中捕获的机械功率为

图1-7桨距角不变时风力机性能曲线2Pr＝1ρACPv3 （1-6）2由式（1-6）可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于风能利用系数。如果在任何风速下，风力机都能在CPmax点运行，便可增加其输出功率。而只要使得风轮的叶尖速比λ＝λopt，就可维持风力机在CPmax下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速（即发电机的转速），使其叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的风能利用系数。这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。对于图1-7所示的情况，获得最佳风能利用系数的条件是λ＝λopt＝9 （1-7）这时，CP＝CPmax＝0.43，而从风能中获取的机械功率为Pr＝kCPmaxv3 （1-8）式中 k—常系数，k＝A／2。设vts为同步转速下的叶尖线速度，即vts＝2πRns （1-9）式中 ns—在发电机同步转速下的风轮转速。对于任何其他转速nr，则有vtvts

＝nrns

＝1－s （1-10）根据式（1-5）、式（1-7）和式（1-10），可以建立给定风速v与最佳转差率s（最佳转差率是指在该转差率下，发电机转速使得风力机运行在最佳的风能利用系数CPmax）的关系式为v＝1－svts＝1－svts （1-11）λopt 9这样，对于给定风速的相应转差率可由式（1-11）来计算。但是，由于风速测量的不可靠性，很难建立转速与风速之间直接的对应关系。实际上，并不是根据风速变化来调整转速的。为了不用风速控制风力机，可以修改功率表达式，以消除对风速的依赖关系，按已知的CPmax和λopt计算Popt。如用转速代替风速，则可以导出功率与转速的函数，三次方关系仍然成立，即最佳功率Popt与转速的三次方成正比2Popt＝1ρACPax［（R／λopt）Ωr］3 （112）2由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率也是有限度的，超过这个限度，风力发电机组的某些部分便不能工作。因此，风力发电机组受到以下两个基本限制：功率限制：所有电路及电力电子器件受功率限制。转速限制：所有旋转部件的机械强度受转速限制。三、风力发电机组的运行特征定桨距风力发电机组定桨距风力发电机的主要结构特点叶片与轮毂的连接是固定的即当风速变化时叶片的迎风角度不能随之变化。当风速高于额定风速时，叶片必须能够自动地将功率限制在额定值附近叶片的这一特性被称为自动失速性能1-8所示图中F为作用在叶片上的气动合力，该力可以分解成Fd、F1两部分；Fd与风速垂直，称为驱动力，使叶片转动；F1与风速平行，称为轴向推力，通过塔架作用到地面上。当叶片的安装角度不变时随着风速的增加攻角增大当达到临界攻角时升力系数开始减小阻力系数不断增大造成叶片失速失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少因而根部叶面先进入失速随风速增大失速部分向叶尖处扩展原先已失速的部分失速程度加深未失速的部分逐渐进入失速区失速部分使功率减少未失速部分仍有功率增加从而使输入功率保持在额定功率附近。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，变桨距风力发电机组能使风轮叶片的桨距角随风速而变化，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点。变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将桨距角置于0°附近，可认为等于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整桨距角，使叶片攻角不变，将发电机的输出功率限制在额定值附近，如图1-9所示。叶片受力定义与图1-8相同。但是，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力发电机组的单个叶片已重达数图1-8失速调节原理a）小风速b）大风速1-9变桨距调节a）小风速b）大风速吨，操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟得上风速的变化是相当困难的。事实上，如果没有其他措施，那么变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速变化是无能为力的。因此，近年来生产的变桨距风力发电机组，除了对桨距角进行控制以外，还通过控制发电机转速使输出的功率曲线更加平稳。·PAGE11··PAGE11·第一章绪论·PAGE10·PAGE10·风力发电机的原理与控制定速风力发电机组定速风力发电机组的转速基本上是不变的，取决于所并入电网的系统频率。这意味着，定速风力发电机组一旦起动，转速与风速无关。如果应用感应发电机，则风力发电机组的转速只随其转差变化。在额定功率运行状态下，发电机转差变化范围是1％～2，这取决于感应发电机的参数。由图1-6可见，对于定速运行的风力发电机组，只在某个特定风速下风能利用系数最大。为了增加风能的捕获量，经常采用双速发电机组。机组装有两个感应发电机，或一个极对数可变的感应发电机。变速风力发电机组变速风力发电机组的转速可以随风速变化，一般是通过控制发电机的转速来实现的。变速风力发电机组的运行规律可以通过风力机的转矩速度特性来说明。风力机的转矩速度特性图1-10是风力机在不同风速下的转矩-速度特性。由转矩、转速和功率的限制线画出的区域为风力机安全运行区域，即图中由OAdcC所围的区域，在这个区域中有若干种可能的控制方式。恒速运行的风力机的工作点为直线XY。从图上可以看到，定速风力机只有一个工作点运行在CPmax上。变速运行的风力机的工作点是由若干条曲线组成，其中，在额定风速以下的ab段运行在CPmax曲线上。a点与b点的转速，即变速运行的转速范围，由于b点已达到转速极限，此后，直到最大功率点，转速将保持不变，即bc段为转速恒定区。在c点，功率已达到限制点，当风速继续增加，风力机将沿着cd线运行，以保持最大功率，但必须通过某种控制来降低CP值，限制气动力转矩。如果不采用变桨距方法，那就只有降低风力机的转速。从图1-10上可以看出，在额定风速以下运行时，变速风力发电机组并没有始终运行在最大CP线上，而是由两个运行段组成。除了风力发电机组的旋转部件受到机械强度的限制原因以外，还由于在保持最大CP值时，风轮功率的增加与风速的三次方成正比，需要对风轮转速或桨距角作大幅调整，才能稳定功率输出。这将给控制系统的设计带来困难。运行状态 变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同状态。

图1-10不同风速下的转矩速度特性第一种状态是起动状态，发电机转速从静止上升到切入速度。对于目前大多数风力发电机组来说，风力发电机组的起动，只要当作用在风轮上的风速达到起动风速便可实现（发电机被用作电动机来起动风轮并加速到切入速度的情况例外）。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，因而，并不涉及发电机变速的控制。第二种状态是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能。这一阶段决定了变速风力发电机组的运行方式。从理论上说，根据风速的变化，风轮可在限定的任何转速下运行，以便最大限度地获取能量，但由于受到运行转速的限制，不得不将该阶段分成两个运行区域；即变速运行区域（CP恒定区）和恒速运行区域。为了使风轮能在CP恒定区域运行，必须应用变速恒频发电技术，使风力发电机组转速能够被控制，以跟踪风速的变化。在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三种运行状态，该状态运行区域称为功率恒定区，对于定速风力发电机组，风速增大，能量转换效率反而降低，而从风力中可获得的能量与风速的三次方成正比，这样对变速风力发电机组来说，提高能量有很大余地。例如，利用第三种运行状态大风速波动特点，将风力机转速充分地控制在高速状态，并适时地将动能转换成电能。图1-11是输出功率为转速和风速函数的风力发电机组的等值线图，图上示出了变速风力发电机组的控制途径。在低风速段，按恒定CP（或恒定叶尖速比）的方式控制风力发电机组，直到转速达到极限，然后，按恒定转速控制机组，直到功率达到最大，最后按恒定功率控制机组。图1-11还表示出了风轮转速随风速的变化情况。在CP恒定区，转速随风速呈线性变化，斜率与λopt成正比。转速达到极限后，便保持不变。转速随风速增大而减少时，功率恒定区开始。为使功率保持恒定，CP必须设置为与1／v3成正比的函数。在高于额定风速的条件下，虽然可以由变速单独完成功率控制，但实践证明，如果加入变桨距调节，则显著提高了风力发电机组传动系统的柔性及输出的稳定性。因为在高于额定风速时，追求的是稳定的功率输出。采用变桨距调节，可以限制转速变化的幅度。根据图1-6，当桨距角向增大方向变化时，CP值得到了迅速有效的调整，从而控制了由转速引起的发电机反力矩及输出电压的变化。采用转速与桨距双重调节，虽然增加了额外的变桨距机构和相应控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是变速风力发电机组理想的控制方案。变桨距变速恒频风力发电机组与定桨距定速风力发电机组的功率曲线比较如图1-12所示。图1-11风力发电机组的等值线图 图1-12风力发电机组的功率曲线比较第三节 风力发电系统一、发电系统的总体结构在风力发电机组中，发电系统是将风能变成电能的整体机构，是整个风力发电机组的重要组成部分，其结构也比较复杂。并且，不同类型的发电机，发电系统也各不相同。图1-13为双馈发电机发电系统简图。其中，发电机、变流器是发电和并网的核心部件，变压器是常见的电器部件，开关柜（又称并网柜）中包括进线出线母排、定子断路器、辅助电源变压器、定子电流互感器、总电流互感器、变频器输入熔断器和继电器等。对于上述各类电器元件，本书将分别加以介绍。二、发电系统的形式

图1-13双馈发电机发电系统简图发电系统的形式主要是由发电机的种类决定的。从变速性能来看，目前常用的发电系统有如下几种形式。定速（恒速）式风力发电机组典型的定速式风力发电机组被称为丹麦式”机组，如图1-14所示。这种形式的机组使用笼型感应发电机，发电机转子通过轴系与风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流连接。正常运行时，速度仅在很小范围内变化，通常不超过2，即为感应发电机的转差范围。感应发电机向电网提供有功功率，从

图1-14带补偿感应发电机定速风力发电机组电网吸收无功功率。吸收的无功功率用来为发电机励磁。显然，转子回路短路的感应发电机不能控制无功功率，因此，要求将电网电压保持大约等于感应发电机额定电压。带感应发电机的定速式风力发电机组，经常处于用电容器组进行空载补偿或满载补偿的状态。使用这种补偿方式是为了降低从电网吸收的总无功功率，改善风力发电机组功率因数。多态定速式风力发电机组多态定速风力发电机组中包含着两台或多台感应发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。在风力发电机组整个运行风速范围内（25msv3ms），由于风速是不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就必然要使风轮在低风速时的效率降低（而设计低风速时，效率过高，会使叶片过早地进入失速状态）。同时，发电机本身也存在低负载时的效率问题，但当功率P25额定功率时，效率仍然会急剧下降。为了解决上述问题，定桨距风力发电机组普遍采用两台或多台发电机，这样，当风力发电机组在低风速段进行时，不仅叶片具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高水平。优化转差式风力发电机组1-15为优化转差式风力发电机组示意图。这种形式的机组采用了RCC（RotorCurrentControl）技术，即发电机转子电流控制技术。通过对绕线型感应发电机转子电流的控制，迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速。使风力发电机组能够以部分变速方式运行于超同步转速的范围内，最高可超过同步转速的10双馈式风力发电机组（变速部分功率变流器式）双馈式风力发电机组的原理如图1-16所示。这种形式的机组采用交流励磁双馈型发电机。转子的转速与励磁的频率有关。交流励磁变速恒频双馈发电机组允许发电机在同步速上下30％转速范围内运行。图1-15优化转差式风力发电机组 图1-16双馈式风力发电机组的原理双馈式风力发电机组的转子通过一个AC／DC／AC变流器与电网连接，变流器的额定容量通常为风力发电机组额定功率的25％左右。转子超同步运行时，有功功率从转子回路送到电网，而转子次同步运行时，转子回路从电网吸收有功功率。双馈式风力发电机组为变桨距控制的，其结构如图1-3所示。直驱型永磁风力发电机组（变速全功率变流器式）感应发电机和同步发电机都可以通过全额AC／DC／AC变流器与电网连接（见图1-17）。这类风力发电机组变速范围更大。但是变流器的成本较高。图1-17发电机和全功率变流a）笼型感应发电机b）电励磁同步发电机典型的全功率变流器式风力发电机组是直驱型永磁风力发电机组。这种风力发电机组采用多极永磁发电机，它可以直接连接风力机，从而避免增速箱带来的诸多不利。直接驱动式风力发电机组的原理如图1-18所示。直驱型永磁风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。变速恒频控制是在定子电路 图1-18直驱型永磁风力发电机组原理实现的，因此，变频器的容量与系统的额定容量相同。相对于传统的异步发电机组，驱型永磁风力发电机组由于传动系统部件的减少，提高了机组的可靠性降低了噪声；永磁发电技术及变速恒频技术的采用，提高了风力发电机组的效率；利用变速恒频技术，可以进行无功功率补偿。直驱型风力发电机组的结构如图1-19所示。

图1-19直驱型风力发电机组结构发电系统的形式决定了风力发电机组的机型。以上介绍的各种发电系统的形式及其相关机型，将在以后各章逐一讨论。第四节 风力发电机一、风力发电机的种类风力发电机是将风能变成电能的电磁装置。由于主导机型的不断发展，应用于风力发电的发电机种类较多，常用的有如下几种：笼型感应发电机，多用于定桨距（或主动失速）、定速的风力发电机组，加全额变流器可用于变速风力发电机组。、，（）、。绕线型感应发电机，多用于变桨距、部分变速的风力发电机组。，，。永磁同步发电机加全额变流器，多用于变桨距、变速的直驱型风力发电机组。双馈发电机加部分功率变流器，多用于变桨距、变速的风力发电机组。二、风力发电机的基本参数风力发电机的额定值额定容量SN和额定功率PN额定容量SN是指出线端的额定视在功率，单位为kVA或MVA。而额定功率PN是指在规定的额定情况下，发电机输出的有功功率，单位为kW或MW。额定电压UN 是指在额定运行时发电机定子的线电压，单位为V或kV。额定电流IN 是指在额定运行时流过定子的线电流，单位为A。额定功率因数cosφN 是指发电机在额定运行时的功率因数。额定效率ηN 是指发电机在额定运行时的效率。上述额定值之间的关系为PN＝3UNINcosφN每台感应发电机上都有一个铭牌，铭牌上标明了上述额定值。除额定值外，铭牌上还标有额定频率、额定转速等。发电机的效率要详细了解发电机的效率，就必须考虑各种各样的损耗功率，下面给出了异步发电机功率平衡特性的模型。Pem＝Pel＋PCu1＋PFe＋Padd （1-13）Pm＝Pem（1－s）＋Pfw （1-14）式中 Pem—定子和转子之间通过气隙传递的电磁功率；P1—电功率；11PC1三相电机的定子铜耗，PC1＝3RI2；11PFe三相电机的定子铁耗；Pm机械功率；s转差率；Padd和Pfw分别是摩擦损耗和转子空气动力损耗。所示的Sankey图来表示上面讨论的损耗功率和总功率的关系。在所有的，PCu1PCu2（转子绕组的焦耳热损耗，且有PCu2＝｜s｜Pem，已含在式（1-14）的相关项中）和Padd是与负载有关的损耗，PFe和Pfw则是与负载无关的损耗。图1-20异步发电机的Sankey图a）电动机模式b）发电机模式用同样的角度考虑，发电机产生的转矩也可以被分为气隙转矩Me和摩擦转矩Mfw。气隙转矩Me与气隙功率有关。ΩmMe＝PmΩm

＝Pm－PfwΩm（1－s）

（1-15）Mm＝Me＋Mfw＝Me＋Ω式中 Ωm—转子机械角速度；Mm—机械转矩。

Pfwm（1－s）利用式（1-13）和式（1-14）中的功率成分来计算发电机的效率为Pmηel＝PelPm三、发电机的温控与润滑温度控制发电机在能量转换的过程中，有一些部分产生能量损耗，引起发电机发热。存在损耗的部分是发电机中的热源，热量的出现和积累，引起这些部分的温度升高。发电机正常使用时，部件温度限制值如下：绕组：B级 报警：125℃ 跳闸：135℃F级 报警：150℃ 跳闸：170℃轴承：报警：90℃ 跳闸：95℃为了使风力发电机正常工作，通常必须采取冷却措施。风力发电机的冷却系统可分为空空冷却系统和空水冷却系统。空空冷却系统主要是由风机、换热器、过滤器、进风口、出风口和温度传感器组成的，结构相对简单，如图1-21所示。发电机内部产生的热空气通过定、转子风路流到冷却器，热空气与冷空气进行热量交换后再回到发电机内部进行冷却循环。图1-21空空冷却系统结构空水冷却系统较为复杂，主要是由水泵、换热管、水箱、水管、散热器、单向阀等零件组成的，如图1-22所示。空水冷却系统的工作原理与空空冷却系统相似。发电机内部产生的热空气通过定、转子铁心通风槽板后流到冷却器上，热空气与冷却液进行热量交换后再回到发电机内部进行冷却循环。图1-22空水冷却系统结构图1-23是采用水冷的发电机，其冷却水管道布置在定子绕组周围，通过水泵与外部散热器进行循环热交换。冷却系统不仅直接带走发电机内部的热量，同时，通过热交换器，带走齿轮润滑油的热量，有效地提高了发电机的冷却效果。发电机轴承的润滑发电机轴承多采用自动润滑方式。可以实现自动地定时、定量供油。图1-24为发电机轴承润滑系统。图1-23采用水冷的发电机 图1-24发电机轴承润滑系统由图可见，润滑系统由润滑油泵、安全阀、接近开关、高压胶管和分配器等元件组成，采用两个润滑点润滑发电机。润滑油泵将油脂送往分配器。分配器可以将油脂以合适比例均匀分配到每个润滑点。如果发生堵塞，油脂则可以从安全阀溢出。溢出的油脂送回泵内，避免环境污染。为保证自动润滑系统能保障对每个自动润滑点润滑，系统配套有带监控功能的循环监测开关，可以对整套润滑系统运转是否正常进行监控，以避免意外事故的发生，保证润滑点能正常定时、定量的得到润滑。当油箱里的油脂过少时，需要补充新的油脂，润滑泵自带油位监控开关，可以监测油箱内油脂的多少，当无油脂时，系统将进行报警。四、空间坐标矢量变换电动机的变量（电压、电流、电动势、磁链等）均可用空间矢量来描述，并常在几种坐标系中进行变换和计算。常用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，另一种是旋转坐标系。坐标变换分为三相静止坐标系到两相静止坐标系间的变换、两相静止坐标系到两相旋转坐标系间变换和两相坐标系到极坐标系间的转换。静止坐标系间的矢量变换静止三相ABC坐标与静止两相α-β坐标系统之间的关系如图1-25所示。按照三相总磁动势与两相总磁动势相等的原则，在绕组匝数不变的约束条件下，变换关系写成矩阵式有Vα＝

1 0VA （116）Vβ 1 2VB3 3其逆变换矩阵形式为V 1 0A

－

3Vα

图1-25静止坐标系间关系VB＝

2 （1-17）V

VβC －1 －3 2 2坐标中，坐标中，矢量在d-q坐标中的分量分别为Vjα-βd-qVd、Vq，在α-β坐标中的分量分别为Vα、Vβ，两个坐标系横轴夹角为φ。1-26所示，可写出两坐标系统中的矢量转换关系式为Vd＝

cosφ sinφVα （118）Vq其反变换关系式为

－sinφ cosφ VβVα

cosφ －sinφVd （119）Vβ sinφ cosφ Vq

图1-26静止—旋转坐标系间关系矢量分析器矢量分析器又称直角坐标—极坐标变换（K／P变换），用于求解一个矢量的模和相角，在任一直角坐标系中有V2V2＋V2x ycosφ＝Vx／Vsinφ＝Vy／V （120）第二章 变 压 器变压器是利用电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它把某一电压等级的交流电能转换成频率相同的另一种或几种电压等级的交流电能。变压器在风力发电中得到广泛应用。本章介绍变压器的工作原理和基本结构，运行原理以及常用的三相变压器。变压器的数学模型及分析方法与旋转电机类似，如基本方程的列解、折算法、相量图、等效电路等，这些内容在本章将做较系统地介绍。后文在介绍旋转电机时不再一一做详细地推导和论述。第一节 变压器的工作原理和基本结构变压器是一种交流电能的变换装置。利用一、二次绕组匝数的不同，把任何一种数值的交流电压、电流变换成所需要的另一种数值的交流电压和电流，以满足电能的传输、分配和使用。变压器的工作原理是基于电磁感应定律，因此，磁场是变压器工作的媒介。一、工作原理和分类工作原理变压器的工作原理（图2-1）是两个（或两个以上）互相绝缘的绕组套在一个共同的铁心上，它们之间有磁的耦合，但没有电的直接联系。通常，两个绕组中一个接在交流电源，称为一次绕组，简称一次侧。另一个接到负载，称为二次绕组，简称二次侧。在外施电压作用下，一次侧有交流电流通过，并在铁心中产生交变磁通，其频率与外施电压频率相同。这个交变磁通同时交链一、二次绕组，并在一、二次绕组内感应出电动势，二次侧有了电动势，便向负载供电，实现了能量传递。在这一过程中，一、二次电动势的频率都等于磁通的交变频率，亦即一次侧外施电压的频率；而一、二次感应电动势之比等于一、二次绕组匝数之比。可以证明，对常用电力变压器，一次感应电动势的大小也接近于一次侧外施电压， 图2-1变压器工作原理而二次侧感应电动势则接近于二次侧端电压。因此，变压器一、二次电压之比决定于一、二次绕组匝数之比，只要改变一、二次绕组的匝数，便可达到改变电压的目的。变压器的分类及结构变压器的类型很多，按用途不同，可分为电力变压器（又分为升压变压器、降压变压器和配电变压器等。另外，220kV以上的是超高压变压器、35～110kV是中压变压器、10kV为配电变压器）、特种变压器（电炉变压器、整流变压器等）、仪用互感器（电压、电流互感器）、试验用的高压变压器和调压器等。·PAGE21·PAGE21·第二章变压器·PAGE20·PAGE20·风力发电机的原理与控制按绕组数目的多少，变压器可以分为两绕组、三绕组和多绕组变压器以及自耦变压器；根据变压器铁心结构，分为心式变压器和壳式变压器；按相数的多少，分为单相变压器和三相变压器等。按变压器的冷却方式和冷却介质的不同，分为用空气冷却的干式变压器和用油冷却的油浸式变压器等，风力发电常用的干式变压器如图2-2所示。二、变压器的主要部件变压器的结构主要由铁心、绕组、油箱和绝缘套管等部件组成。铁心和绕组是变压器进行电磁感应的基本部分，称为器身。油箱起机械支撑、冷却散热和保护作用；油起冷却和绝缘作用；套管主要起绝缘作用。下面分别介绍这几部分的结构形式。铁心铁心是变压器的磁路部分。为了提高磁路的磁

图2-2干式变压器导率和降低铁心内的磁路损耗，铁心通常用厚度为0.35mm、表面涂绝缘漆的含硅量较高的硅钢片制成。铁心分为铁心柱和铁轭两部分，铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来，使之形成闭合磁路。根据结构形式，铁心又分成心式和壳式两种，如图2-3所示。为了清楚起见，图中同时画出了绕组。心式铁心（图2-3a）结构的特点是铁轭靠着绕组的顶面和底面，但不包围绕图2-3变压器的铁心a）心式b）壳式组的侧面。图2-3b是壳式变压器的铁心，其特点是铁轭不仅包围绕组的顶面和底面，而且还包围着绕组的侧面。由于心式铁心结构比较简单，绕组的布置和绝缘也比较容易，因此电力变压器主要采用心式铁心结构，而只在一些特种变压器（如电炉变压器）才采用壳式铁心结构。铁心的装配方法一般采用交错式装配，它是剪成一定尺寸的长方形硅钢片交错叠装而成。在叠装时，相邻层的接缝要错开，如图2-4所示。为了减少装配工时，通常用2～3张硅钢片做一层。这种叠法的优点是接缝处气隙小，夹紧结构简单，缺点是装配工艺较复杂。近年来，铁心材料采用冷轧硅钢片愈来愈多。有一种冷轧硅钢片，沿着轧辗方向有较小的铁耗和较高的磁导率，如按图2-4下料和叠装，则在磁路转角处，由于磁通方向和轧辗方向呈90°，将引起铁耗增加。因此，为了使磁通方向和轧辗方向基本一致，采用了图2-5所示的冷轧硅钢片的叠装法。图2-4三相铁心的叠装次序 图2-5冷轧硅钢片的叠装法为了使绕组便于制造和在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，一般都把绕组做成圆形。这时为了充分利用绕组内的圆柱形空间，铁心柱一般做成阶梯形的多边形，如图2-6所示。阶梯的级数越多，截面越接近于圆形，空间利用情况越好，但制造工艺也越复杂。在实际生产中，铁心柱的级数随变压器容量的增加而增多。小容量变压器的铁心柱也有做成正方形的。在大容量变压器中，为了改善铁心的冷却条件，常在铁心柱中开设油道，以利散热。变压器铁轭的截面有矩形的，也有阶梯形的，如图2-7所示。为了减少变压器的空载电流和铁耗，在心式铁心中，铁轭截面一般比铁心柱截面大5％～10％。在大容量变压器中也有做成相等的。图2-6铁柱截面的形状 图2-7铁轭截面的各种形状绕组绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。高、低压绕组之间的相对位置有同心式和交迭式两种不同的排列方式。同心式绕组的排列方式如图2-3所示，高、低压绕组同心地套在铁心柱上。为了便于绕组和铁心绝缘，通常低压绕组靠近铁心。交叠式绕组的排列方式如图2-8所示。高、低压绕组沿铁心柱高度方向交叠地放置。为了减小绝缘距离，通常低压绕组靠近铁轭。这种结构主要用在壳式变压器中。变压器的高、低绕组分别由一个或多个线圈构成。在这里，线圈是构成绕组的一种零部件。根据线圈绕制的特点，变压器所用的线圈可分为圆筒式、饼式、连续式、纠结式和螺旋式等几种主要形式。圆筒式线圈圆筒式线圈是最简单的一种线圈形式，它是由一根或几根并联的绝缘导线沿铁心高度方向连续绕制而成，一般用于10～630kVA三相变压器的高压绕组或低压绕组。用作高压绕组时，由于电压较高，电流较小，导线细，匝数多，通常采用圆线绕成多层圆筒式线圈（2-9）。为了便于线圈内部散热，当层数较多时，中间开设轴向油道。用作低压绕组时，由于电压较低，电流较大，导线截面大，匝数少，通常采用扁线绕成单层或双层圆筒式线圈。在双层圆筒式线圈中，有时在层间再开设轴向油道。图2-8交叠式绕组的饼式线圈排列方式 图2-9多层圆筒式线圈饼式线圈饼式线圈是由一根或几根并联的绝缘扁线沿铁心柱的径向一匝接着一匝地串联绕制而成，数匝成一饼。为了便于散热，饼间开设径向油道。通常以两饼作为一个单元一次绕成，中间无接头，称为双饼式，一般用于壳式变压器中，如图28所示。连续式线圈连续式线圈是由很多个如前面所述的线饼沿轴向串联绕成。但绕制时，先是若干匝沿径向串联绕成一个线饼，然后采用特殊的翻绕法”，使绕制连续地过渡到下一个线饼，线饼之间没有焊接头，如图2-10所示。连续式线圈一般用于三相容量为630kVA及以上、电压为3～110kV的绕组。

图2-10连续式线圈a）连续式线圈的外形b）线饼间的连接法纠结式线圈纠结式线圈的外形与连续式线圈相似但焊接头较多为使在过电压时起始电压比较均匀地分布于各线饼之间，这种线圈的线匝不是依次排列的，而是前后纠结在一起当线圈由一根导线组成时先用两根导线并绕在交叉串联成一路2-11所示。这时每两个线饼为一单元，各单元之间再依次串联起来。这种线圈用于大容量变压器的高压绕组。一般用于三相容量为6300kVA及以上、110～330kV的绕组。螺旋式线圈螺旋式线圈是由多根扁线沿径向并联排列然后沿铁心柱轴向高度像螺纹一样一匝跟着一匝地绕制而成这时一个线饼就是一匝当并联导线数太多时可把并联导线沿轴向分成两排，绕成双螺旋式线圈。为了减小导线中的附加损耗，绕制过程中，将导线进行换位。这种线圈一般用于三相容量为800kVA及以上、35kV及以下的大电流绕组。套管变压器的引出线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使带电的引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管一般是瓷质的，它的结构主要取决于电压等级。1kV以下的采用实心瓷套管；10～35kV采用空心充气式或充油式套管，如图2-12所示。电压为110kV及以上时，采用电容式套管。为了增强表面放电距离，套管外形做成多级伞形，电压愈高级数愈多。图2-11纠结式线圈线饼间的连接法 图2-1235kV充油式套管三、变压器的冷却变压器运行时，有铁耗、铜耗和杂散损耗等。这些损耗转变成热量，使变压器有关部分温度升高。于是，由于各部分与周围介质之间存在着温差，热量散发到周围介质中去。当发热量与散热量相等时，变压器各部分的温度就达到了稳定值。这时，变压器中某部分的温度与周围冷却介质温度之差称为该部分的温升。变压器的油箱和油管表面主要靠辐射和对流两种方式散热，但热量从绕组或铁心内部传到表面则依靠传导方式传热。变压器各部分的允许温升取决于绝缘材料。我国油浸电力变压器一般采用A级绝缘材料，最高允许温度为105℃，高于105℃时绝缘材料就很快老化。根据我国电力变压器标准GB10941—1996的规定，为保证变压器具有正常的使用年限（20～30年），油浸电力变压器温升限值见表2-1（周围冷却空气的最高温度规定为40）。表2-1油浸式变压器温升限值 （单位：k）变压器的部分温升限值测量方法绕组自然油循环65电阻法强迫油循环铁心表面75温度计法与变压器油接触（非导电部分）的结构件表面80油顶层55为了保证变压器散热良好，必须采用一定的冷却方式将变压器中产生的热量带走。常用的冷却介质是变压器油和空气两种，前者称为油浸式，后者称为干式。油浸式变压器又分为油浸自冷式、油浸风冷式及强迫油循环等三种。油浸自冷式依靠油的自然对流带走热量，没有其他冷却设备。油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，另加风散给油箱壁和油管吹风，以加强散热作用。强迫油循环是用油泵将变压器中的热油抽到变压器外的冷却器中冷却后再送入变压器。冷却器可以用循环水冷却或强迫风冷却。油浸自冷式和强迫风冷式变压器中的热量，全部通过油箱和油管表面散发到周围空气中在一定的温升限度下每平方米表面及所能散走的热量是有限的20kVA以下的变压器，油箱本身表面已能满足散热的需要，因此采用平板式油箱。当容量增大而损耗增加时油箱表面已不能散走所产生的热量必须采取其他措施来增加散热面积30～2000kVA的变压器一般在油箱四周加焊冷却用的扁形油管以增强散热表面这种油箱叫做管式油箱25～63MVA的变压器所需散热面积较大，在油箱四周已安排不下所需油管，这时把油管先组合成一个整体的散热器，再把散热器装到油箱上，这种油箱称为散热器式油箱8～40MVA的变压器在散热器上还另装风扇吹风以提高散热能力。50MVA及以上的大容量变压器，采用强迫油循环冷却方式。用于风力发电机组的一种干式变压器的冷却系统如图2-13所示。冷却方式属于冷媒冷却。有两个循环，空气在变压器壳体中循环，作为冷媒的液体在管道中循环。塔筒外的风扇是吹风，塔筒内的风扇是吸风。油浸式变压器用油是从石油中提炼出来的矿物油。它既起冷却作用，又加强绝缘，要求介电强度高、粘度低、发火点高、酸碱度低、灰尘等杂物及水分少。即使含很少量的水分，也会使变压器油的绝缘强度大为降低，故要求

图2-13变压器的冷却系统油箱中的油最好不和外面的空气接触。因此，油箱盖要封好。但是，当变压器油受热膨胀时，将使油箱受到很大的压力，严重时会把油箱胀坏。因此，在油箱顶上装有一个圆筒形的储油柜。储油柜和油箱连通，柜内油面高度随油的热胀冷缩而变动，这样，可使油箱中的油不和外面空气接触。储油柜下面还装有放置氧化钙或硅胶等干燥剂的吸湿器，外面的空气必须经过吸湿器才能进入储油柜，这样，可减少油的氧化和水分的侵入。四、变压器的额定值额定容量SN 额定容量是变压器的额定视在功率，单位为VA、kVA或MVA。由于变压器效率高，通常把一次侧、二次侧的额定容量设计得相等。额定一次、二次电压U1N和U2N 单位为V或kV。按规定，二次额定电压U2N是当变压器一次外加额定电压U1N时的二次空载电压。对三相变压器，额定电压指线电压。额定一次、二次电流I1N和I2N 根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流，单位为A。对三相变压器，额定电流指线电流。对单相变压器 I1N＝SN；I2N＝SN。U1N对三相变压器 I1N＝SN

U2N；I2N＝SN。

3U1N额定频率 单位为Hz，我国规定为50Hz

3U2N此外，额定运行时，变压器的效率、温升等数据也是额定值。每台变压器的油箱上都有一个铭牌，铭牌上标明了上述额定值。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、接线图、阻抗电压等。第二节 变压器的负载运行一、运行规律设N1和N2分别为变压器一、二次绕组的匝数，变压器空载运行时，由空载电流·0产生磁动势F0＝·0N1，F0建立主磁通在一、二次绕组内感应电动势·1和·2，电源电压·1与反电动势－·I0Z1相平衡，维持空载电流·0在一次绕组内流过，使变压器中的电磁关系处于平衡状态，各物理量的大小均有一个确定的数量。现在，如果在变压器二次侧加上负载阻抗ZL，如图214所示，则二次绕组中有电流·2流过，产生磁动势F2＝·2N2，从电磁关系上说，变压器从空载运行过渡到了负载运行。这时，由于一次侧磁动势和二次侧磁动势都同时作用在同一磁路上，磁动势F2的出现使主磁通趋于改变，随之，电动势·1和·2也跟着变化，从而打破了原来的平衡状态。在一定的电源电压·1下，·1的改变使一次绕组中的电流发生变化，从空载时的·0改变为负载时的·1。这时一、二次电流·1和·2所产生的磁动势·1N1和·2N2构成变压器铁心中的合成磁动势Fm＝·1N1＋·2N2，而由Fm建立负载时的主磁通·m（这时的·m的数值和空载时稍有不同），并由·m在一、二次绕组中感应电动势·1和·2。当电动势·1和·2恰好能在一、二次侧产生前述的·1及·2时，变压器中的电磁关系就重新达到平衡状态。下面进一步说明上述物理过程中的能量关系。为便于分析，忽略一次绕组的漏阻抗电压0降，认为E1＝U1＝常数，随之产生·1的主·m也应保持不变。于是，为了保持主磁，从空载到负载时，一次电流应从·01L2·，·的作1L2，··N1L 1L·

图2-14变压器的负载运行2·恰好与二次磁动势I2N2相抵消，故得2·1LN1

＋·N2＝0或并且有下列关系

· ＝－·N21L 2N1

（2-1）·＝－·

·＝N2·1 1··

2 N111 ·N2 ·1故得 U1I1L＝（－E1）

－I2N＝E2I2在考虑到·1和·2反相位，由式（21）可见，·1L和·2也是反相位，可得U1I1Lcosθ1＝E2I2cosθ2 （2-2）式中 θ1—相量·1和·1L之间的夹角；θ2相量·2和·2之间的夹角。式（2-2）表明，负载时，一次绕组从电源增加的一部分输入电功率U1I1Lcosθ1传递到二次绕组，变为二次绕组获得的电功率E2I2cosθ2，这就是变压器通过电磁感应进行能量传递的原理。从上面分析可知，变压器负载运行时，通过电磁感应关系，一、二次电流是紧密联系在一起的，二次电流的增加或减小必然同时引起一次电流的增加或减小，相应地，二次侧向负载输出的功率增加或减小时，一次侧从电源吸取的功率必然同时增加或减小。二、基本方程式在变压器和交流电机中，电压、电流、电动势和磁通等物理量的大小及方向都随时间改变，为了正确地表示它们之间的数量和相位关系，在列方程式时，必须首先规定各物理量的正方向。正方向原则上可以任意规定，但是正方向规定的不同，同一电路内所列方程式中各物理量的