风力发电讲义第4章.ppt

2023年10月26日,1,第四章 风力发电机与蓄能装置4.1 风力发电原理,一、风力发电原理概述风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能,送到电网中，如图所示,2023年10月26日,2,二、定桨距风力发电机组（一）主要结构特点 桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。（二）适用范围 中小型风力发电机组的主导机型 并网型机组在80年代开始商品化 技术上，变桨技术+变速恒频技术逐步采用 自身优点：结构简单性能可靠（三）面临问题 1、当 时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定功率附近（即，自动失速性能）2、当运行中，突失电网时，桨叶自身必须要具备制动能力，在大风条件下能安全停机。,2023年10月26日,3,（四）解决方法（1）采用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力机桨叶，在风轮转速恒定条件下，风速增加达到 时，叶片将处于“失速”状态。输出功率降低，发电机不会因为超负荷而烧毁。失速：升力小于阻力（攻角）（2）叶尖扰流器气动刹车装置,2023年10月26日,4,三、变桨矩风力发电机组（一）变桨矩风轮 风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的桨矩角，当风速超过额定风速后，输出功率可稳定地保持在额定功率上，特别是在大风情况下，风力机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。,顺桨：一般是使叶片弦线与旋转平面垂直的状态,2023年10月26日,5,（二）变桨距机组的特点 变桨距是指整个叶片绕叶片中心轴旋转，使叶片桨距角在一定范围(一般090)内变化，以便调节输出功率不超过设计容许值。在机组出现故障时，需要紧急停机，一般应先使叶片顺桨，这样机组结构受力小，可以保证机组运行的安全可靠性。变桨距叶片一般叶宽小，叶片轻，机头质量比失速机组小，不需很大的刹车，启动性能好，在低空气密度地区仍可达到额定功率，在额定风速之后，输出功率可保持相对稳定保证较高的发电量。（三）变桨距机组适用范围 由于增加了一套变桨距机构，增加了故障发生的机率，而且处理变距机构叶片轴承故障难度大，变桨距机组比较适于高原空气密度低的地区运行，避免了当失速机安装角确定后，有可能夏季发电低，而冬季又超发的问题 在大中型风力发电机组中将会普遍采用变桨技术,2023年10月26日,6,（四）变桨距机组的优点：1、平稳的输出功率特性当功率在额定功率以下时，等同于定桨矩风力发电机组（叶片节矩角在0附近），功率跟随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，变桨矩机构调节节矩角，将输出功率控制在PN附近。变桨矩风力发电机组对高频风速的响应比较慢，因此对高频风速条件下的功率调节存在困难利用对发电机转子上励磁电流的控制来实现对转差率控制，进而控制发电机转速能够快速响应高频风速，充分吸收风能，是输出功率更加平稳,2023年10月26日,7,2、在额定点具有较高的风能利用系数Cp在相同的额定功率点，额定风速比定桨矩风力发电机组要低在额定风速点，定桨矩风力发电机组开始失速，随着风速提高，功率开始降低；而变桨矩风力机组，通过桨叶的节矩控制，将机组的输出功率限制在额定功率附近，因此具有较高Cp3、确保高风速段的额定功率桨矩角的调节仅受控于输出功率的反馈信号，而不受气流密度变化的影响在气流变化条件下（海拔变化、温度变化等），变桨矩系统都能通过调整叶片角度，进而获得额定功率输出。,2023年10月26日,8,4、启动性能与制动性能更好启动时：桨叶节矩可以转到合适的角度，以确保机组在低风速时获得最大的启动力矩在发电机脱网时（制动时）：变桨矩系统可以先转动桨叶，以减小输出功率，并确保在发电机断网之前，输出功率减小至0。这就保证脱网瞬间没有力矩作用在发电机组上，避免了脱网时突甩负载的过程。,2023年10月26日,9,四、风力发电系统的发电机及运行并网发电机主要分为同步发电机和异步发电机，在风力发电机组中主要采用异步发电机。普通异步发电机结构简单，可以直接并入电网（软并网），无需同步调节装置 普通异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。当风速增加使齿轮箱高速输出轴转速达到异步发电机同步转速时，机组并入电网，向电网送电，风速继续增加，发电机转速也略为升高，增加输出功率。达到额定风速后，由于风轮的调节，稳定在额定功率不再增加。反之风速减小，发电机转速低于同步转速时，则从电网吸收电能，处于电动机状态，经过适当延时后应脱开电网。定桨矩发电机一般还采用单绕组双速异步发电机，如4极1500r/min，6极1000r/min，改善了低功率时发电机的效率问题和低风速时的叶尖速比，因此一些变桨矩风力发电机组也回采用双速发电机。,2023年10月26日,10,同步发电机的并网一般有两种方式：准同期直接并网交直交并网（变速恒频风力发电机组，全功率变流）优点：减少齿轮箱的传动损失和发生故障的概率，发电机转速与风轮相同而且随着风速变化，风轮可以转换更多的风能，所承受的载荷稳定，减轻部件的重量。缺点：这种发电机结构复杂，制造工艺要求很高，需要变流装置才能与电网频率同步，经过转换又损失了能量。,2023年10月26日,11,四、风力发电中的控制系统控制系统包括控制和监测两部分控制部分又分为手动和自动。运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，自动控制应该在无人值守的条件下实施运行人员设置的控制策略，保证机组正常安全运行。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询，也要送到风电场中央控制室的电脑系统，通过网络或电信系统现场数据还能传输到业主所在城市的办公室。安全系统保证机组在发生非正常情况时立即停机，预防或减轻故障损失，关键部件采用了“失效一保护”的原则，一旦发生某些部件失灵或电网停电，保护装置会立即启动制动风轮，防止事故进一步扩大。,2023年10月26日,12,4.2 风力发电系统及其风力发电机,发电机系统直接影响机组的性能、效率、发电质量、运行方式和装置结构,风轮承担,发电机和控制系统,2023年10月26日,13,4.2 风力发电系统及其风力发电机,一、风力发电系统的一般要求 研制和选用适合于风机转换的、运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统，是风力发电工作的重要组成部分。发电机系统方案制定需重点解决以下问题：（1）高质量地将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电或电压恒定的直流电（2）高效率地实现上述两种能量转换，以降低每度电的成本（3）稳定可靠地同电网、柴油发电机及其他发电装置或储能系统联合运行，为用户提供稳定的电能。,2023年10月26日,14,4.2 风力发电系统及其风力发电机,二、风力发电机系统分类（按运行方式）1、恒速恒频风力发电系统结构简单，一般使用同步电机或者笼型异步电机作为发电机。同步发电机运行于同步转速（由电机极数和频率决定）异步电机其运行速度略高于同步转速通过定桨矩（失速型）风轮机保持发电机的转速为一恒定值，进而确保输出端电压的频率和幅值恒定缺点：运行的风速范围比较窄,2023年10月26日,15,2、变速恒频风力发电系统在较宽的风速范围内，保持近乎恒定的最佳叶尖速比，可以最大限度地捕获风能，减小风力机的机械应力。提高风力机的运行效率和系统稳定性。（比定速风力发电系统多捕获3%28%能量）减少风轮过塔架或因为阵风而引起的转矩脉动，且低速运行时，噪声较小。可实现无电流冲击的软并网利用电力电子学实现变速运行最佳化。虽然这会使风力发电转换装置的电气部分变得较为复杂和昂贵，但由于电气部分在大中型风力机组中所占成本不高，因此变速恒频风力发电机组的研究受到许多国家重视,2023年10月26日,16,变速运行的风力发电系统又分为两类：不连续变速系统和连续变速系统不连续变速系统：（1）比单一转速运行的风电机组具有较高的年发电量，因为它能在一定的风速范围内运行于最佳叶尖速比附近。（2）面对风速的快速变化，相当于单速风力机，不能有效地获取变化的风能。（3）不能利用转子的惯性来吸收峰值转矩，不能改善风力机疲劳寿命连续变速系统：（1）主要应用电力电子学方法实现连续变速，其主要构成为发电机和电力电子变换装置（2）发电机可以为“同步发电机、笼型感应发电机、绕线型感应发电机、磁场调制发电机、无刷双馈发电机等”。而电力电子装置有“交-直-交变换器、交-交变换器等”,2023年10月26日,17,三、风力发电机 1、同步发电机 2、异步发电机、3、双馈发电机、4、无刷双馈发电机、5、低速交流发电机、6、高压同步发电机、7、交流发电机,2023年10月26日,18,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,1、同步发电机（一）三相同步发电机的结构原理风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机，其输出联接到邻近的三相电网或输配电线。同步发电机在运行时既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定，电能质量高，因此被电力系统广泛采用。原理：普通三相同步发电机的原理结构如图所示。在定子铁心上有若干槽，槽内嵌有均匀分布的在空间彼此相隔120度电角的三相电枢绕组。转子上装有磁极和励磁绕组，当励磁绕组通以直流电流后，电机内产生磁场。转子被风力机带动旋转，则磁场与定子三相绕组之间有相对运动，从而在定子三相绕组中感应出三个幅值相同，彼此相隔120度电角的交流电势。这个交流电势的频率f决定于电机的极对数p和转子转速n，即,2023年10月26日,19,2023年10月26日,20,同步发电机的主要优点：可以向电网或负载提供无功功率，它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要。同步发电机的缺点：它的结构以及控制系统比较复杂，成本相对于感应发电机也比较高。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,21,2、异步发电机（一）异步发电机的基本原理及其转矩转速特性 异步发电机有鼠笼型和绕线型两种。在恒速恒频系统中，一般采用鼠笼型异步电机。定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。转子采用笼型结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈圆筒形，槽中嵌入金属（铝或铜）导条，在铁心两端用铝或铜端环将导条短接。转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维护。当异步电机连接到频率恒定的电网上时，有不同的运行状态：当异步电机转速小于同步转速时（即nns），异步电机以电动机的方式运行，异步电机自电网吸取电能。当异步电机转速超过同步转速时（即nns）（由原动机驱动）,则异步电机将处于发电运行状态此时异步电机吸收由原动机供给的机械能而向电网输出电能。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,22,异步电机的不同运行状态可用异步电机的滑差率S来区别表示。异步电机的滑差率定义为异步电机的电磁转矩 M 与滑差率S的关系如图：异步电机的M-S特性也即是异步电机的M-n特性,改变异步电机转子绕组回路内电阻的大小可以改变异步电机的M-n特性曲线，图 3-18中曲线 2 代表转子绕组电阻较大的M-n特性曲线。感应发电机的功率输出特性曲线如图2所示。右图可以看出，感应发电机的输出功率与转速有关，通常在高于同步转速3-5的转速时达到最大值。超过这个转速，感应发电机将进入不稳定运行区,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,23,异步电机电磁转矩与转差率关系图 感应发电机的输出功率特性,2023年10月26日,24,感应发电机也可以有两种运行方式：并网运行和单独运行。在并网运行时，感应发电机一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收落后的无功功率。在单独运行时，感应发电机电压的建立需要有一个自励过程。自励的条件:一个是电机本身存在一定的剩磁：另一个是在发电机的定子输出端与负载并联一组适当容量的电容器，使发电机的磁化曲线与电容特性曲线交于正常的运行点，产生所需的额定电压。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,25,3、双馈发电机（一）工作原理双馈发电机的结构类似绕线型感应电机，其定子绕组直接接入电网，转子绕组由一台频率、电压可调的低频电源（一般采用交/交循环变流器）供给三相低频励磁电流，图中给出这种系统的原理方框图。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度n2与转子的机械转速nr相叠加，使其等于定子的同步转速n1，即,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,26,从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速nr随之而变化。在nr变化的同时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。循环变流器：系统中所采用的循环变流器是将一种频率变换成另一种较低频率的电力变换装置，半导体开关器件采用线路换向，为了获得较好的输出电压和电流波形，输出频率一般不超过输入频率的三分之一。由于电力变换装置处在发电机的转子回路(励磁回路)，其容量一般不超过发电机额定功率的30%。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,27,发电机运行：（1）超同步运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，n2为负)，定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力；（2）亚同步速运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n2为正)。在定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。（3）同步运行。此种状态下，nr=n1,滑差频率 f2=0,这表明此时通入转子绕组的电流的频率为0，也即是直流电流，与普通同步发电机一样。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,28,4、无刷双馈异步发电机（一）结构原理图如图所示:由两台绕线式三相异步电机组成，一台作为主发电机，其定子绕组与电网连接；另一台作为励磁电机，其定子绕组通过变频器与电网连接。两台异步电机的转子为同轴连接，转子绕组在电路上互相连接，因而在转子转轴上皆没有滑环和电刷。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,29,（二）利用无刷双馈异步发电机实现变速恒频发电原理异步电机转子旋转的转速nR 随风速变化设主发电机的磁极对数为p，励磁机的磁极对数为pe设励磁机定子绕组由变频器输入的电流频率为 fe1，由电机原理推导可得，主发电机定子绕组中的感应电势频率 f1应为由上式可得，当风力机的风轮以转速nR作变速运行时，只需改变由变频器输入励磁机定子绕组电流的频率fe1，就可实现主发电机定子绕组输出电流的频率为恒定值（即f50Hz)，即达到变速恒频发电。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,30,无刷双馈异步发电机运行在低风速时,式中为“”；无刷双馈异步发电机运行在高风速时,式中为“”（三）能量传递关系能量传递情况如图所示（1）低风速运行时，n1nR，此时主发电机定子绕组输出的电功率P1为电机轴上输入机械功率Pm和由变频器输入的电功率Pe1之和。P1 Pm Pe1（2）高风速运行时，nRn1，电机轴上输入机械功率Pm分别转换为由主发电机定子绕组输出的电功率P1和由励磁机定子绕组转变为电功率经变频器馈入电网的电功率Pe1之和。P1 Pm Pe1,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,31,（四）优缺点（1）由于不存在滑环及电刷，运行时的事故率小，更安全可靠；（2）在高风速运行时除去主发电机向电网送入电功率外，励磁机经变频器可向电源馈送电功率；（3）采用了两台异步电机，整个电机系统的结构尺寸增大，这将导致风电机组机舱结构尺寸及质量增加。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,32,五、低速交流发电机（一）风力机直接驱动的低速交流发电机的应用场合 火力发电厂和核发电厂中应用的是高速交流发电机，其转速为每分钟 3000转或 1500转；在水力发电厂中应用的则是低速交流发电机，其转速为为每分钟几十至几百转。风力机属于低速旋转的机械，中型及大型风力机的转速约为每分钟1040转，如果由风力机直接驱动交流发电机，则必须应用低速交流发电机,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,33,（二）低速交流发电机的特点 1.外形特点 由低速发电机的磁极对数多，定子内径大，轴向长度相对于定子内径而言是很小的，即低速发电机的外形酷似一个扁平的大圆盘。2.绕组槽数 大型水轮发电机多采用分数槽绕组，即发电机的每极每相槽数不是整数，可以削弱高次谐波电势及高次齿谐波电势，使发电机绕组电势波形得到改善，成为正弦波形。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,34,中小型低速发电机中也可采用斜槽（把定子铁芯上的槽或转子磁极扭斜一个定子齿距的大小）或采用磁性槽楔，也可减小齿谐波电势。3.低速交流发电机转子磁极数多,采用永久磁体，可以使转子的结构简单，强度增加，制造方便4.结构型式低速交流发电机也有水平轴及垂直轴两种型式，德国采用的是水平轴结构，而加拿大采用的是垂直轴结构型式：,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,35,低速交流发电机,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,36,六、高压同步发电机 ABB 公司研制的综合的发电设备（Powerformer），发电机的定子绕组输出电压高,可达1020kV，甚至高达40kV以上，可不用升压变压器直接与电网连接，兼有发电机及变压器的功能（一）结构特点1、发电机定子绕组利用圆形的电缆线代替传统发电机中带绝缘的矩形截面铜导体，电缆具有坚固的固体绝缘，此外因为定子绕组的电压高，为满足绕组匝数的要求，定子铁芯槽形为深槽；2、发电机转子采用永磁材料制成，且为多极的，转子上没有滑环。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,37,（二）高压发电机（Powerformer）在风力发电系统中的应用特点1、系统的损耗降低，效率约可提高5左右不用增速齿轮箱，同时由于省去了一台升压变压器2、提高了系统运行的可靠性无增速齿轮箱，避免线圈匝间及相间的绝缘击穿3、与电网连接方便、稳妥 高压发电机的输出端可经过整流装置变换为高压直流电输出，并接到直流母线上，实现并网，再将直流电经逆变器转换为交流电，输送到地方电网；若远距离输送时，可通过再设置更高变比的升压变压器接入高压输电线路，4、深槽形定子铁芯，定子齿抗弯强度要求高5、永磁转子性能稳定性要求高，造价高,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,38,高压同步风力发电机系统,2023年10月26日,39,七、交流发电机（一）交流永磁发电机 交流永磁发电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构。1、交流永磁发电机特点：（1）没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率（2）转子上没有滑环，运转时更安全可靠（3）电机的重量轻，体积小，制造工艺简便（4）电压调节性能差（缺点）因此在小型及微型风力发电机中被广泛采用。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,40,2、永磁材料：钕铁硼、铁氧体在微型及小型风力发电机中采用钕铁硼材料(效率高)的更多，但与铁氧体比较，价格要贵些，无论是哪种永磁材料，都要先在永磁机中充磁才能获得磁性。3 永磁发电机的结构永磁发电机定子与普通交流电机相同，包括定子铁芯及定子绕组；定子铁芯槽内安放定子三相绕组或单相绕组。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,41,永磁发电机的转子按照永磁体的布置及形状，有凸极式及爪极式两类，如图所示。永磁电机转子按磁路结构的磁化方向，可分为径向式、切向式和轴向式三种类型。,凸极式永磁电机结构图凸极式永磁电机磁通走向为：N 极气隙定子齿槽定子扼定子齿槽气隙S 极，如图 所示，形成闭合磁通回路。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,42,爪极式永磁电机的所有左端爪极皆为 N 极，所有右端爪极皆为 S 极，爪极与定子铁芯间的气隙距离远小于左右两端爪极之间的间隙，因此磁通不会直接由 N 极爪进入 S 极爪而形成短路，左端爪极与右端爪极做成相同的形状。采用永磁发电机的微、小型风力发电机组常省去增速齿轮箱，发电机直接与风力机相连。在这种低速永磁电机中，定子铁耗和机械损耗相对较小，而定子绕组铜耗所占比例较大。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,43,为了提高电机效率，主要应降低定子铜损，因此采用较大的定子槽面积和较大的绕组导体截面，额定电流密度取得较低。永磁发电机的运行性能是不能通过其本身来进行调节的，为了调节其输出功率，必须另加输出控制电路。但这往往与对微、小型风电装置的简单和经济性要求相矛盾，实际使用时应综合考虑。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,44,（二）硅整流自励交流发电机 1 结构、工作原理及电路图结构：,发电机的定子：由定子铁芯和定子绕组组成，定子绕组为三相，Y 形连接，放在定子铁芯内圆槽内,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,45,发电机的转子由转子铁芯、转子绕组（即励磁绕组）、滑环和转子轴组成，转子铁芯可做成凸极式或爪形，一般多用爪形磁极转子励磁绕组的两端接到滑环上，通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,46,同步发电机的定子和转子,2023年10月26日,47,异步发电机,2023年10月26日,48,励磁调节器组成由电压继电器、电流继电器、逆流继电器及其所控制的动断触点 J1、J2 和动合触点 J3 以及电阻 R1、R2等组成。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,49,励磁调节器的作用：自动调节励磁，控制因风速变化引起的电压波动，保护用电设备及蓄电池组独立运行的小型风力发电机组的风力机叶片多数是固定桨距的，当风力变化时，风力发电机组的转速随之发生变化，发电机的出口电压会产生波动，导致硅整流器输出的直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又会造成发电机出口电压的波动，这种连锁反应使得发电机出口电压的波动范围不断增加，显见，如果电压的波动得不到控制，在向负载独立供电的情况下，将会影响供电的质量，甚至会造成用电设备损坏。此外独立运行的风力发电机都带有蓄电池组，电压的波动会导致蓄电池组过充电，从而降低了蓄电池组的使用寿命。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,50,2.励磁调节器的工作原理（电压继电器动作）当发电机转速较低，发电机端电压低于额定值时，电压继电器 v 不动作，其动断触点 J1闭合，硅整流器输出端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状况；,当风速加大，发电机转速增高，发电机端电压高于额定值时，动断触点 J1断开，励磁回路中被串入了电阻R1，励磁电流及磁通随之减小，发电机输出端电压也随之下降；,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,51,第四章 风力发电机与蓄能装置,当发电机电压降至额定值时，触点 J1重新闭合，发电机恢复到正常励磁状况，电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系如图 所示。,2023年10月26日,52,第四章 风力发电机与蓄能装置,2.励磁调节器的工作原理（电流继电器动作）电流继电器的作用就是为了抑制发电机过负荷运行。风力发电机组运行时，当用户投入的负载过多时，可能出现负载电流过大，超过额定值的状况，如不加以控制，使发电机过负荷运行，会对发电机的使用寿命有较大影响，甚至会损坏发电机的定子绕组。电流继电器 I 的动断触点 J2 串接在发电机的励磁回路中，发电机输出的负荷电流则通过电流继电器的绕组：,2023年10月26日,53,当发电机的输出电流低于额定值时，继电器不动作，动断触点闭合发电机属于正常励磁状况；当发电机输出电流高于额定值时，动断触点 J2 断开，电阻 R1 被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低发电机输出端电压，并减小了负载电流。电流继电器工作时，发电机负载电流与发电机转速的关系如图 曲线所示。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,54,电压继电器工作时发电机端电压与发电机转速的关系,电流继电器工作时发电机负载电流与发电机转速的关系,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,55,2.励磁调节器的工作原理（逆流继电器）作用：防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机励磁绕组送电组成：逆流继电器由电压线圈V、电流线圈I、动合触点 J3 及电阻R2组成原理：发电机正常工作时，逆电流继电器的电压线圈及电流线圈内流过的电流产生的吸力使动合触点J3 闭合；,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,56,当风速太低，发电机端电压低于蓄电池组电压时，继电器电流线圈瞬间流过反向电流，此电流产生的磁场与电压线圈内流过的电流产生的磁场作用相反，而电压线圈内流过的电流由于发电机电压下降也减小了，由其产生的磁场也减弱了，故由电压线圈及电流线圈内电流所产生的总磁场的吸力减弱，使得动合触点 J3 断开，从而断开了蓄电池向发电机励磁绕组送电的回路。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.2 风力发电系统及其发电机,2023年10月26日,57,一、蓄能装置的必要性及蓄能方式1、必要性 风能是随机性的能源，有间歇性，并且是不能直接储存起来的，配备适当的蓄能装置是必要的。风力强时发电及蓄能；风力弱或无风时，蓄能装置释放能量并转换为电能。2、蓄能方式 当前风力发电系统中的蓄能方式主要有：蓄电池蓄能、飞轮蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种。二、蓄电池蓄能在独立运行的小型风力发电系统中，广泛用蓄电池作为蓄能装置1、常用的蓄电池种类：铅酸电他（铅蓄电池）和镍镉电池（碱性蓄电池）,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,58,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,59,第三章 发电机、蓄能装置第三节 蓄能装置,2023年10月26日,60,（1）铅酸蓄电池,用铅和二氧化铅分别作为负极和正极的活性物质，以浓度为 2737的硫酸水溶液作为电解液的电池，称为铅酸蓄电池。优点:铅酸蓄电池具有运行温度适中、放电电流大、储存性能好、转换效率较高、循环寿命较长、端电压高、成本较低以及可根据电解液比重的变化检查电池的荷电状态等，是目前应用最广泛的一种蓄电池。铅酸蓄电池还具备防酸、隔爆、消氢、耐腐蚀的性能。同时随着新工艺、新技术的采用，铅酸蓄电池的使用寿命仍在不断提高。近年来还开发出了免维护铅酸电池、液密式铅酸电池及阀控密封式铅酸电池。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,61,（2）碱性蓄电池,碱性蓄电池是以电解液的性质而得名，此类蓄电池的电解液采用了苛性钾或苛性钠的水溶液。碱性蓄电池按其极板材料，可分为镉镍蓄电池、铁镍蓄电池等。镉镍蓄电池是以镉和铁的混合物作为负极活性物质，以氧化镍作为正极活性物质。铁镍蓄电池的正极活性物质与镉镍蓄电池的正极基本相同，只是负极以铁金属作为活性物质。碱性蓄电池与铅酸蓄电池相比具有体积小，可深放电，耐过充电和过放电，以及使用寿命长，维护简单等优点。碱性蓄电池的主要缺点是内阻大，电动势较低，造价高。同低成本的铅酸蓄电池比较，锡镍蓄电池初始成本高 34 倍，因此在风力发电系统中较少采用。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,62,2、蓄电池的电动势 单格铅酸蓄电池的电动势约为2V，单格碱性蓄电池的电动势约为 1.2V 左右，蓄电池组的电动势有直流12V、24V、36V等。3、蓄电池的端电压 充电时蓄电池的电压高于其电动势，放电时蓄电池的电压低于其电动势，且随着放电而逐渐降低，放电时铅酸蓄电池的电压不能低于 1.41.8V，碱性蓄电池的电压不能低于 0.81.1V 4、蓄电池的容量：以 Ah 表示，容量为 100Ah 的蓄电池代表该蓄电池放电电流为10A 时，可连续放电10h。蓄电池的最佳充放电电流值为对应10h 放电率电流值,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,63,5、蓄电池的使用寿命 当蓄电池的容量降低到其额定值的 80 以下时，即到蓄电池的使用寿命 影响蓄电池寿命的因素主要有：充电或放电过度、蓄电池的电解液浓度太大或纯度降低以及在高温环境下使用等都会使蓄电池的性能变坏，降低蓄电池的使用寿命。6、控制逆变器 控制逆变器由控制器和逆变器组合而成。控制器将发电机发出的交流电整流后，充入蓄电池组。逆变器将蓄电池组输出的直流电转换成220伏交流电，并提供给用电器。逆变器的保护功能：（1）过充保护；（2）、过放保护 蓄电池组电压超过额定电压1.25倍时,控制器停止向蓄电池充电,多余的电流向卸荷器。当蓄电池组电压低于额定电压0.85倍时,逆变器停止工作，不再向外供电。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,64,三、飞轮蓄能飞轮蓄能，即是在风力发电机的轴系上安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能原理，当风力强时，风能即以动能的形式储存在飞轮中；当风力弱时，储存在飞轮中的动能则释放出来驱动发电机发电，采用飞轮蓄能可以平抑由于风力起伏而引起的发电机输出电能的波动，改善电能的质量。原理：机组原来旋转的惯性能为增加飞轮且转速变化后惯性能为式中：A 为旋转物体的惯性能量;J为旋转物体的转动惯量。为旋转物体的旋转角速度。机组转动部分的转动惯量为,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,65,四、电解水制氢蓄能在风力发电系统中采用电解水制氢蓄能原理：在用电负荷小时，将风力发电机组提供的多余电能用来电解水，使氢和氧分离，把电能贮存起来。当用电负荷增大，风力减弱或无风时，使贮存的氢和氧在燃料电池中进行化学反应而直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性。这种蓄能方式是将随机的不可贮存的风能转换为氢能贮存起来。制氢、贮氢及燃料电池是这种蓄能方式的关键技术和部件。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,66,五、抽水蓄能 当风力强而用电负荷少时，风力发电机发出的多余的电能驱动抽水机抽水；在无风期或是风力较弱时，放水推动水轮发电机组发电。六、压缩空气蓄能 当风力强，用电负荷少时，风力发电机发出的多余的电能驱动由电动机带动的空气压缩机生产、储存压缩空气，在无风期或用电负荷增大时，将储存的压缩空气释放出来，推动蜗轮机转动，带动发电机发电。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.3 蓄能装置,2023年10月26日,67,一、风力发电的控制器 1、控制器用途 在独立运行的风力发电和联合互补发电系统中，通常需要设置蓄电池，用以存储和调节电能，而蓄电池的正常运行离不开控制器。控制器根据风力的大小以及负荷的变化，对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，保证风力及联合互补发电系统工作的连续性和稳定性。当风速高产生的电能过剩时，蓄电池蓄能；反之，当发电量不足或负载用电量大时，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定性。通过检测蓄电池的荷电状态，发送蓄电、放电、停止等指令，确保蓄电池不会过度放电或充电。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.4 风力发电的控制器与逆变器,2023年10月26日,68,2、铅酸蓄电池充电特性充电的3个阶段：初期（OA）电压快速上升中期（ABC）电压缓慢上升，延续较长时间末期（CD）由C点开始，电化学反应接近结束，电压开始迅速上升，在D点时，负极析出氢气，正极析出氧气，电池冲满，停止充电。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.4 风力发电的控制器与逆变器,2023年10月26日,69,3、铅酸蓄电池放电特性开始阶段（OE）电压下降较快（酸浓度下降引起电动 势下降）中期（EFG）电压缓慢下降，持续较长时间（活性物 质减少，反应面积减小，PbSO4 不断生成，使电池内阻不断增加）末期（G点以后）电压急剧下降,第四章 风力发电机与蓄能装置4.4 风力发电的控制器与逆变器,2023年10月26日,70,二、风力发电的逆变器1、逆变器的用途 异步风力发电机组输出的是不稳定的交流电，必须通过蓄电池储能才能像负载提供连续稳定的电能。而大多数负载都是以交流电工作，因此独立运行的风力发电系统中通常需要将直流电逆变为交流电。,第四章 风力发电机与蓄能装置4.4 风力发电的控制器与逆变器,2023年10月26日,71,2、逆变器工作原理 逆变器将直流电转换为交流电的逆向过程，是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用实现。最基本的逆变电路是单相桥式逆变电路，如图所示：,第四章 风力发电机与蓄能装置4.4 风力发电的控制器与逆变器,2023年10月26日,72,3、逆变器的主要性能参数（1）使用环境条件（2）额定输出电压、电流、频率（3）过载能力（4）效率（5）负载功率因数，等,第四章 风力发电机与蓄能装置4.4 风力发电的控制器与逆变器,