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风力发电机及其系统,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,风力发电机组的结构,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,5,双馈异步风力发电机组,风力发电机组的结构,7,直驱永磁同步风力发电机组,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,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: Tip Speed Rate,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,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。,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：,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,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,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。,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。,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）,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,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,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：,：磁极的极对数,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！,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 XsXad XqXsXaq,Xad 、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。,23,空载特性 E0f ( 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,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 Uf ( 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nnN ，ifconst，cosconst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。,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。,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。,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,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！,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,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,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,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nn1, 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(1s)n1,或：,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!,笼型异步风力发电机的运行状态,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,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：,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,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,38,恒速恒频笼型异步风力发电机系统,电磁转矩：,软特性 vs. 硬特性,笼型异步风力发电机的机械特性曲线,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；,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。,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、,42,恒速恒频RCC异步风力发电机系统,RCC ：Rotor Current Control，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。,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。,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| ， Tf (s)更倾斜。,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.,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。,47,风力发电机系统,变速恒频笼型异步风力发电机系统,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）,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；,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。,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,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,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,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,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,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；,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）,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,S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。,S0 时,变频器,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。,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,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,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,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,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,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。,66,风力发电机系统,变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）,半直驱或直驱,67,变速恒频电励磁同步发电机系统,系统特点：,（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定； （3）可采用不控整流和PWM逆变，成本低于全功率变换 ；（4）电能质量好，并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况 （6）转子可采用无刷旋转励磁；（7）转子结构复杂，励磁消耗电功率；（8）体积大、重量重，效率稍低 。,68,风力发电机系统,变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）,半直驱或直驱,69,变速恒频永磁同步发电机系统,不控整流升压斩波PWM逆变器,70,变速恒频永磁同步发电机系统,系统特点：,（1）连续变速运行，风能转换率高，可降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况 ；（2）具有最高的运行效率 ； （3）励磁不可调，感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；,71,变速恒频永磁同步发电机系统,系统特点：,（4）在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好 ；（5）永磁发电机体积大、重量重，成本高；全容量全控变流器控制复杂，成本高；（6）永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。,72,风力发电机系统,变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）,半直驱或直驱,新结构发电机与电力电子变流器相结合，有望大幅度减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量！,73,风力发电机系统,变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）,半直驱或直驱,新结构发电机与电力电子变流器相结合，有望大幅度减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量！,74,本章小结,（1）笼型异步风力发电机系统成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来十年内继续成为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。,