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1、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轮的功率风能转换率风能转换率叶尖速比叶尖速比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
2、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
3、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
4、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定子铁心转子绕组转子绕组（端环）（端环）机座机座转子铁心转子铁心定子绕组定子绕组风扇风扇端盖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。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。运动，即旋转磁场。旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N
5、、S极）数极）数目称为极数，用目称为极数，用2P表示。表示。旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决取决于电流的频率于电流的频率 f 和极对数和极对数 P：l l 旋转磁场 同步转速同步转速笼型异步风力发电机的工作原理Sn1Nffne,iT f 产生电磁转矩产生电磁转矩T 定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转旋转 在转子导条中产生感应电动势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在转子绕组中产生感应电流 i i 在磁场中产生电磁力在磁场中产生电磁力f 若转子以转速若转子以转速nn1
6、,向向n1的方向旋转的方向旋转 n 是否会等于是否会等于 n1？要产生要产生T，必须，必须nn1 异步异步机械能机械能 电能电能，是，是发电机发电机转子转速大于定子旋转磁场转速，转子转速大于定子旋转磁场转速，发电！发电！笼型异步风力发电机的工作原理l l 转差率笼型异步发电机笼型异步发电机 中中转差率转差率S 与运行状态的关系与运行状态的关系?把把同同步步转转速速n1与与转转子子转转速速n的的差差与与同同步步转转速速n1的的比比值值，称称为为转差率转差率，用，用s表示，即表示，即 异异步步电电机机的的特特点点之之一一是是转转子子转转速速n和和定定子子旋旋转转磁磁场场的的同同步步转转速速n1不同
7、。不同。n(1s)n1则转子转速则转子转速n可表示为：可表示为：笼型异步风力发电机的工作原理l l 异步电机的运行状态异步电机的运行状态发电机状态发电机状态发电机状态发电机状态电动机状态电动机状态电动机状态电动机状态用转差率用转差率s可以表示异步电机的运行状态可以表示异步电机的运行状态!nn10s00nn10s101n10ns笼型异步发电机的等值电路一相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：定子输出功率：定、转子铜损耗：定、转子铜损
8、耗：机械输入功率：机械输入功率：电磁功率：电磁功率：铁损耗：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：电磁转矩：电动机状态：电动机状态：0nn1，0s1发电机状态：发电机状态：0n1n，s0软特性软特性 vs.硬特性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
9、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
10、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)l l 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。Rs增增大大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 三三相相绕绕线线型型异异步步电电动动机机的的参参数数和和U1、f1一一定定，转转子
11、子每每相相中中串入附加电阻串入附加电阻Rs Rs时：时：Tm不变，不变，|smax|，Tf(s)更更倾倾斜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
12、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
13、；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
14、；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 时时S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。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
15、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
16、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gearboxbrakepitch driveinv
17、erterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 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
18、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
19、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
20、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同步风力发电机的电动势方程式电动势方程式:式中，式中，
21、Xd XsXad XqXsXaqXad、Xaq 每相电枢绕组的直每相电枢绕组的直 轴、交轴电枢反应电抗。轴、交轴电枢反应电抗。Xd、Xq 每相电枢绕组的直轴、每相电枢绕组的直轴、交轴同步电抗。交轴同步电抗。相量图相量图（忽略忽略R）同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 E0:定子一相感应电动势的有效值定子一相感应电动势的有效值空载特性空载特性 E0f(if)if:转子励磁电流转子励磁电流 空空载载特特性性反反映映了了转转子子励励磁磁磁磁动动势势产产生生磁磁场场、并并在在定定子子绕组中感应电动势的能力绕组中感应电动势的能力。同步发电机的外特性同步发电机的外特性 外外特特性性反反映映负负载载性
22、性质质不不同同时时，端端电电压压随随负负载载大大小小变化而变化的情况。变化而变化的情况。外外特特性性：同同步步发发电电机机在在nnN，ifconst，cos const的的条条件件下下，端端电电压压U和负载电流和负载电流I 的关系曲线。的关系曲线。负负载载的的 cos 不不同同，U 随随I 变化的趋势有所不同。变化的趋势有所不同。同步发电机的电压调整率同步发电机的电压调整率 保保持持发发电电机机额额定定运运行行时时（UN、IN、cos N）的的额额定定励励磁磁电电流流ifN和和转转速速不不变变，去去掉掉全全部部负负载载后后，空空载载电电动动势势为为E0，则，则电压调整率电压调整率为为式中式中E
23、0和和UN同为相值或线值。同为相值或线值。同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 电电磁磁功功率率可可用用电电枢枢感感应应电电动动势势、电电枢枢电电流流及及它它们们之之间间的的夹夹角角表表示示。对对隐隐极极同同步发电机（不计饱和）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同步发电机的功角特性功角特性功角特性励磁电磁功率励磁电磁功率磁阻电磁功率磁阻电磁功率 隐极同步发电机，最大电磁功率隐极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。凸极同步发电机，最大电磁功率凸极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。gearboxbrakepitch drivema
24、in inverter(full rating)wind turbine controlrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter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。
25、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
26、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
27、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！