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风力发电机及其系统,清华大学电机系讲义(2005年版),柴 建 云,电话:010-62775559,风力发电机及其系统,主要内容 绪论 风力发电机组及其分类 典型风力发电机系统,绪论,绪论,绪论,风力发电机组的内部结构,机舱轮毂桨叶调桨系统偏航系统齿轮箱发电机底座塔筒控制柜,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,风力发电机组及其分类,风力发电机组的分类：按风轮桨叶分类风力发电机组的分类：按风轮转速分类风力发电机组的分类：按传动机构分类风力发电机组的分类：按发电机分类风力发电机组的分类：按并网方式分类定桨定速 vs.变桨变速：输出功率比较,风力发电机组的分类,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：高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。,风力发电机组的分类,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，与恒速发电机对应；变速型：（1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能转换率，与双速发电机对应；（2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。,风力发电机组的分类,按传动机构分类：齿轮箱升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机；（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）直驱型：直接连接低速风力机和低速发电机。（避免齿轮箱故障）,风力发电机组的分类,按发电机分类：异步型：（1）笼型单速异步发电机；（2）笼型双速变极异步发电机；（3）绕线式双馈异步发电机；同步型：（1）电励磁同步发电机；（2）永磁同步发电机。,风力发电机组的分类,按并网方式分类：并网型：并入电网，可省却储能环节。离网型：一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。,定桨定速 vs.变桨变速风力发电机组输出功率的比较,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,定速笼型异步风力发电机系统,三相笼型异步风力发电机,笼型异步风力发电机的内部结构,定子铁心,转子绕组（端环）,机座,转子铁心,定子绕组,风扇,端盖,笼型异步风力发电机的工作原理,向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个行波磁场。如果三相绕组分布在一个圆周上，则行波磁场作旋转运动，即旋转磁场。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。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：,旋转磁场,同步转速,笼型异步风力发电机的工作原理,f 产生电磁转矩T,定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转,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 i,i 在磁场中产生电磁力f,若转子以转速nn1,向n1的方向旋转,n 是否会等于 n1？,要产生T，必须nn1,异步,机械能 电能，是发电机,转子转速大于定子旋转磁场转速，发电！,笼型异步风力发电机的工作原理,转差率,笼型异步发电机 中转差率S 与运行状态的关系?,把同步转速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,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速n1不同。,n(1s)n1,则转子转速n可表示为：,笼型异步风力发电机的工作原理,异步电机的运行状态,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,笼型异步发电机的功率表述,定子输出功率：,定、转子铜损耗：,机械输入功率：,电磁功率：,铁损耗：,笼型异步发电机的功率流程图,笼型异步发电机的机械特性曲线,电磁转矩：,软特性 vs.硬特性,笼型异步发电机的运行特点,（1）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；（2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦；（3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，max绝对值要大；（4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置；,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control，RCC),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。,转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control，RCC),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。,转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control，RCC),转子回路串入三相对称电阻时的人为机械特性,三相绕线型异步电动机的参数和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,转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control，RCC),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,RCC异步风力发电机系统的特点,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。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,双馈异步风力发电机系统,系统主回路构成：双馈异步发电机 交直交双向功率变换器,双馈异步风力发电机系统,国产1MW双馈异步风力发电机,双馈异步风力发电机系统,双馈异步发电机绕线型转子三相异步发电机的一种；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；转子绕组通入变频交流励磁；转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；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；,双馈异步风力发电机系统,基于IGBT和DSP技术的国产 600kW双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器,双馈异步风力发电机系统,交直交双向功率变换器两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线；在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态；发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。,双馈异步风力发电机的运行原理,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；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；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；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S倍）。,双馈异步风力发电机的等值电路,S0 时,S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。,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。,双馈发电机的功率转速关系,双馈发电机的负载电流关系,双馈发电机的负载转子电压关系,双馈发电机的效率曲线,双馈异步风力发电机系统的特点,（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变流器成本相对较低；（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）双向变流器结构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,转子电流混合控制的异步风力发电机系统,混合控制双馈斩波,转子电流混合控制的特点,优点：（1）简化了主回路结构和控制策略，成本低；（2）兼具双馈控制和RCC控制的优点。缺点：（1）转速范围缩小；（2）超同步速运行时，无功功率不可调，功率因数略低。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,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,系统特点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。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,电励磁直驱同步风力发电机系统,发展同步发电机的必要性：同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，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机组的首选机型。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，有望成为未来的主力机型。,直接驱动同步风力发电机,去除齿轮箱，直接驱动的理由：由齿轮箱引起的风电机组故障率高；齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染；系统的噪声大，效率低，寿命 短。直驱带来的问题：发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大；全功率整流逆变，变流器成本高。,直接驱动同步风力发电机,同步风力发电机的定、转子结构,定子铁心 定子绕组 发电机转子,同步风力发电机的基本工作原理,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 速n1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 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 极运动（即切割磁力线）的导体中 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。,同步风力发电机的基本工作原理,如果发电机的转速为n1，单位为r/min，即发电机转子每秒转了n1/60圈，则定子导体中感应电动势的频率为：当发电机的极对数p与转速n1一定时，发电机内感应电动势的频率f就是固定的数值。,同步风力发电机的基本工作原理,同步发电机原理：产生电磁力 如果在同步发电机定子导体A中有电流流过，那么根据电磁作用力定律，导体A在主磁极的磁场作用下，将受到一个电磁力：电磁力的方向可用左手定则判断。,同步风力发电机的电动势方程式,电动势方程式:,式中，Xd XsXad XqXsXaq,Xad、Xaq 每相电枢绕组的直 轴、交轴电枢反应电抗。,Xd、Xq 每相电枢绕组的直轴、交轴同步电抗。,相量图（忽略R）,同步发电机的空载特性,E0:定子一相感应电动势的有效值,空载特性 E0f(if),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。,同步发电机的外特性,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。,同步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。,同步发电机的功角特性,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。对隐极同步发电机（不计饱和）:,电磁功率的表达式,同步发电机的功角特性,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 90处。,凸极同步发电机，最大电磁功率 出现在 90处。,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,系统特点：通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；定子绕组输出电压的频率随转速变化；可采用不控整流和PWM逆变，成本较低；转子可采用无刷旋转励磁；转子结构复杂，励磁消耗电功率；体积大、重量重，效率稍低。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,永磁直接驱动同步风力发电机,永磁同步发电机的功率变换电路,永磁直接驱动同步发电机系统,系统特点：永磁发电机具有最高的运行效率；永磁发电机的励磁不可调，导致其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，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；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；永磁发电机和全容量全控变流器成本高；永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,混合励磁直驱同步风力发电机系统,系统特点：利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力；采用部分功率容量的SVG逆变器向发电机机端注入无功电流，以调节发电机的端电压；无需全功率容量的脉冲整流或DC-DC变换器，可明显节省变流器的容量；SVG逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。,典型风力发电机系统,定速笼型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双馈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变速笼型异步风力发电机系统电励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混合励磁直驱同步风力发电机系统横向磁通永磁同步风力发电机系统,横向磁通永磁同步风力发电机系统,新结构发电机与电力电子变流器的结合，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！,小结,（1）笼型异步发电机成本低、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。将在未来数年内继续称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。,谢谢！,