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1、1 风力发电机及其系统 清华大学电机系讲义(2005年版) 王承煦 风力发电机及其系统 主要内容 1. 风力发电机组及其分类 2. 典型风力发电机系统 1.风力发电机组及其分类 风力发电机组的内部结构 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
2、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。 2 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：
3、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 2.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
4、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 3 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 定子铁心 转子绕组 （端环） 机座 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 生一个行波磁场。 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。 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
5、。 ? 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、S极）数 目称为极数，用 极）数 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 于电流的频率 取决 于电流的频率 f 和极对数和极对数 P： ? ? 旋转磁场旋转磁场 1 60 f n P = 同步转速同步转速 笼型异步风力发电机的工作原理 AX ZB C Y S n1 N f f n e, i T 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
6、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, 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 电能，是机械能 电能，是发电机发电机 转子转速大于定子旋转磁场转速， 发电！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 ? ? 转差率转差率 笼型异步发电机 中笼型异步发电机 中转差率转差率S 与运行状态的关系与运行状态的关系? 把同步转速把同步转速n1与转子转速与转子转速n的差
7、与同步转速的差与同步转速n1的比值，称为的比值，称为 转差率转差率，用，用s表示，即表示，即 1 1 nn s n = 异步电机的特点之一是转子转速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 和定子旋转磁场的同步转 速n1不同。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 ? ? 异步电机的运行状态异步电机的运行状态 S N n1 Tn 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 S N n1 Tn 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! nn10 s0 0n
8、n1 0s1 01 n1 0 n s 4 笼型异步发电机的等值电路 2 R 2 jX jX1R1 Rm jXm 1 U （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。 2.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
9、6 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
10、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；
11、 ?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）。 7 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 双馈发电机功率转速曲线 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 700.00800.00900.001000.001100.001200
12、.001300.00 发电机转速(r/min) 功率(kW) 输出功率 定子有功 转子有功 双馈发电机的负载电流关系 双馈发电机负载电流曲线 0 200 400 600 800 1000 1200 02004006008001000120014001600 负载功率(kW) 电流(A) 定子电流 转子电流 双馈发电机的负载转子电压关系 发电机负载转子电压曲线 0 50 100 150 200 250 300 350 400 02004006008001000120014001600 负载功率(kW) 转子电压(V) 双馈发电机的效率曲线 双馈发电机效率曲线 35 40 45 50 55 60
13、65 70 75 80 85 90 95 100 02004006008001000120014001600 负载功率(kW) 效率(%) 8 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。 2.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
14、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 1电 网 VT1VT3VT5 VT4VT6VT2 VT7VT8 5 多 功 能 变 换 器 8 R 4变 压 装 置 2双 馈 电 机 3绕 线 转 子 6 整 流 器 7星 点 短 接 及 保 护 装 置 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
15、）超同步速运行时，无功功率不可调，功率 因数略低。 2.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 gearboxbrake pitch drive inverterrectifier line coupling transformer grid side breaker Yaw drive generator side
16、 breaker Converter (full rating) wind turbine controller converter controller Cage Induction generator 9 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。 2.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
