风电场第3章1.

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1、风电场电气系统 第3章 风电场主要一次设备1 制作：朱永强，张旭，申惠琪 华北电力大学 风电场电气系统 风电场主要一次设备 第3章 风电场主要一次设备1 关注的问题 发电机的结构和工作原理是什么？ 大型发电机的种类有哪些？各自有什么特点？ 变压器的工作原理是什么？其实际结构式怎样的？ 变压器的型号和参数有哪些？ 教学目标 基本掌握发电机和变压器的结构和工作原理 识记变压器的型式、参数 对风电场的发电机和变压器有具体认知 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1 风力发电机 3.1.1发电机的结构 目前风电场中应用的风力发电机，大都是三相交流发电机 各类发电机的主体部分都由静止的定子和可以旋转

2、的转子两 大部分构成 原动机（例如风力发电中用的风 力机）带动转子绕轴旋转，在定 子绕组中感应出电势，在闭合的 外电路中形成电流从定子绕组出 线端（如图中的A、B、C所示） 送出。 定子就像一个空心的圆筒， 转子像一个实心的滚轴 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.1发电机的结构 定子和转子一般都由铁心和绕组构成。 绕组多是用铜线缠绕的金属线圈，当然铜线外面要包裹绝缘 物质。铁心的功能是靠铁磁材料提供磁的通路，以约束磁场 的分布。 各种发电机的定子的基本结构是类似的 定子铁心由很薄的圆环状硅钢片叠制而成，内 表面开了若干轴向沟槽，用于嵌放定子绕组。 风电场电气系统 风电场主要一次设备

3、3.1.1发电机的结构 电机结构的差别可能主要体现在转子的形状或转子绕组的形状 同步机的转子有凸极式和隐极式等类别 凸极式转子铁心， 有明显的磁极凸出 隐极式转子铁心的截面为圆形。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.1发电机的结构 异步机的转子绕组有鼠笼式和绕线式等 绕线式转子的绕组连接到三 个固定在转轴上的铜环，通 过电刷引出。可以在转子绕 组传入阻抗，以改善电机的 启动性能或者调节转速 鼠笼式转子的绕组由嵌放在 转子铁心槽内的金属导条和 两端的短路环组成 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2发电机的工作原理 发电机的工作原理主要是基于电磁感应现象。 电 磁 当导体中通入

4、电流时，在带电导体的周围会产生磁场。 如果导体中流过的电流是直流电，则产生恒定的磁场。如果 导体中流过的电流是交流电，则产生交变的磁场。 磁 电 当处于磁场中的导体做不平行于磁场方向的运动时，导体切 割磁力线，就会在该导体中感应出电势 如果该导体与外电路构成了闭合回路，则还会在感应电势的 作用下形成感应电流。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.1转子绕组通入直流励磁电流同步发电机 转子绕组中的直流励磁电流，形 成相对于转子静止的恒定磁场。 当转子在原动机（例如风力机） 的驱动下以转速n旋转时，那么 定子绕组与转子磁场之间便有了 转速为n的相对运动，从而在定 子绕组中产生感应电势。

5、 磁场强度最大的位置在定子内表面圆周上出现的位置是随着时间 变化的，可以形象的理解为，磁场强度最大值出现的位置是在定 子内表面圆周上旋转的，因此常常将三相对称电流在定子中产生 的这种磁场称为旋转磁场。 在同步发电机中，定子绕组中的电流是主要感应出来的，事实 上，定子电流的频率是由转子的转速（在同步机中，转子转速n 等于同步速n1）决定的，即： 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.2转子绕组无励磁电流异步发电机 假设定子旋转磁场的转速为n1，当异步机的 转子在原动机（例如风力机）的驱动下，以 转速n旋转时，转子绕组的导体与定子旋转 磁场之间有n-n1的转速差 在转子绕组中感应出的电压

6、和电流的频率也都 由该转速差决定。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.2转子绕组无励磁电流异步发电机 异步电机转子中感应电流的频率应为： 转子磁场的旋转速度（指的是转子磁场相对于转子本身的转 速）为： 定子绕组中电流的频率f1由感应出该电流的定子绕组与转子 磁场的相对转速n1决定，即： 转差率的定义如下：同步速n1和电机转子转速n之差与同步速 n1的比值，用s表示： 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.3转子绕组通入交流励磁电流交流励磁式发电机 交流励磁式发电机和异步发电机有些类似，差别在于它主动 给转子绕组提供产生转子磁场所需的交流励磁电流。 当转子以转速n旋转时，

7、如果能够控制转子绕组励磁电流的频 率f2，使得转子磁场相对于转子本身的转速n2（根据需要， 可以与转子旋转方向相同或相反）始终满足 则可以在发电机转子转速n发生变化的情况下，仍能保持发电 机定子输出电压频率恒定。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2 大型风力发电机的主流机型 未来并网风力发电的主流机型都是通过电力电子换流器实现 风力发电机组的变速恒频控制。 变速恒频，即风力机和发电机转子的转速是可变的，而发电 机输出电压的频率是恒定的。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.1 鼠笼型异步风力发电机 由于风速的不断变化，导致风力机以及发电机的转速也随之 变化，所以实际上鼠

8、笼型风力发电机发出的电压频率是变化 的 基于电力电子技术的换流器，先将风力发电机输出的交流电 压整流，得到直流电压，再将该直流电压逆变为频率、幅值 、相位都满足要求的交流电，送入电网。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.2 永磁同步直驱式风力发电机 所谓“直驱式”是指，风力机与发电机之间没有变速机构（即 齿轮箱），而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。 转子的转速就由风力机的转速决定。当风速发生变化时，风 力机的转速也会发生变化，因而转子的旋转速度是时刻变化 的。 为了解决风速变化带来的输出电压频率变动的问题，需要在 发电机定子绕组与电网之间配置换流器 风电场电气系统 风电场主要

9、一次设备 3.1.2.3 交流励磁双馈式感应风力发电机组 所谓“双馈式”是指，发电机的定子绕组和转子绕组与电网都 有电气连接，都可以与电网之间交换功率。 双馈式风电机组的定子绕组与电网直接连接，输出电压的频 率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节得以控制 。 换流器先将电网50Hz的交流电整流，得到直流电，再将该直 流电逆变为频率满足要求的交流电，用于转子绕组的励磁。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.4 无刷双馈式风力发电机组 无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组， 一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通 过双向换流器接电网。 转子为笼型或磁阻

10、式结构，无需电刷和滑环，转子的极对数 应为定子两个绕组极对数之和。 这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别 相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.1.2.4 无刷双馈式风力发电机组 对于无刷双馈发电机，有： fp定子功率绕组电流频率，与电网频率相同； fc定子控制绕组电流频率； fm转子转速对应的频率； pp定子功率绕组的极对数； pc定子控制绕组的极对数。 超同步时，式中取“+”；亚同步时，取“” 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2 变压器 3.2.1 变压器工作原理 3.2.1.1 变压器的电压变换 变压器的基本原理是利

11、用电磁感应现象实现一个电压等级的交 流电能到另一电压等级交流电能的变换 变压器的核心部件是铁心和绕组，铁心用于提供磁路，缠绕于 铁心上的绕组构成电路 与电源相连的一侧为一次绕组，与负荷相连的一侧为二次绕组 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.1.1 变压器的电压变换 一次绕组和二次绕组一般没有电气上的连接，而是通过铁心 中的磁场建立联系。 对于理想变压器，感应电 压、电流和绕组匝数之间 有如下关系： 每台变压器可以长期流过的最大功率，规定为它自身的 额定容量，以kVA来标定。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.1.2 变压器的等效电路 在电力系统的分析中，往往构建变压器的等值

12、电路模型，主 要包括三个部分：一次绕组的电路、由磁路等值为电路的励 磁电路及二次绕组的电路 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.1.2 变压器的等效电路 工程中可以采用空载试验来测定励磁阻抗 变压器绕组的漏阻抗可以通过短路试验测得。 在电气设计的工程实际中，为了简化计算，往往忽略掉励磁 阻抗的影响，采用如下图所示的简化等效电路。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2 变压器的结构 大多数电力变压器均为油浸式变压器，即以油作为绝缘和冷 却介质，所用的油一般为矿物油。 图3-7 变压 器工作原理示意图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 1 4 1 5 1、

13、铁芯 2、绕组 3、调压分接头 4、调压机构箱 5、高压侧套管 6、低压侧套管 7、高压侧中性 点 8、压力释放阀 门 9、瓦斯继电器 10、11、吸湿器 12、主变端子箱 13、散热风扇 14、油箱 15、储油柜 油浸式变压器由 其核心部件（即 实现电磁转换的 铁心和绕组）、 用于调整电压变 比的分接头和分 接开关以及油箱 和辅助设备构成 。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2.1 铁心 变压器铁心的作用是为经过一次绕组和二次绕组的磁通提供 低磁阻的磁路 当磁通的大小和方向发生变化时，铁心材料的分子重新排布 需要消耗一定的能量，这部分损耗与铁心的磁滞现象有关， 称为磁滞损耗 磁通

14、变化时，铁心自身也像绕组一样，会感应出一定的电压 和电流，由于这种电流只在铁心的各个小局部循环，因此被 称为涡流。涡流会在铁心材料（具有电阻）上形成有功损耗 ，称为涡流损耗 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁心损耗，简称铁损 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2.1 铁心 为了降低损耗和噪声，目前常用的铁心材料为晶粒取向电工 钢片、高导磁电工钢片、磁畴细化的电工钢片、非晶合金、 微晶钢片等高导磁低损耗材料。 为了防止铁心内的涡流循环，铁心叠片上一般带有高质量的 绝缘涂层，也可采用附加绝缘层。 为了充分利用圆形绕组的内部空间结构，常将电工钢带叠积 成尽可能接近圆形截面的铁心柱 电电工钢

15、钢片堆 叠为铁为铁 心柱 的实实物图图 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2.1 铁心 圆柱形铁心柱是所有变压器铁心的共同结构特点，但根据 变压器形状的不同，其整体铁心结构有很大区别。 单相变压器 单相变压器的铁心形状 对单相变压器而言， 其铁心必须包括供磁通返回的心柱。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2.1 铁心 三相变压器对于三相电力变压器而言，目前最常用的是三相 三柱式铁心，有时称为三相芯式铁心 因为在任何时候，由平衡三相电压系统所产生的三相磁通的 相量之和都等于零，所以在三相铁心中不需要供磁通返回的 旁柱，而且铁心柱和铁轭的截面可以相等。 风电场电气系统 风电场

16、主要一次设备 3.2.2.1 铁心 图为三相五柱式铁心结构，这是 降低大型变压器（例如大型联络 变压器）或自耦变压器运输高度 的另一种铁心结构形式。 通过在套装绕组的心柱外面增加用于构成磁通回路的旁柱 的方法，五柱铁心结构降低了铁轭高度。 另一种使用三相五柱式铁铁心结结构的可能情况是要求变压变压 器 的零相序阻抗值值与正相序阻抗值值相当。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2.2 绕组 变压器绕组绝大多数用铜制成，也有部分采用铝作为导体材料 。 对于所有容量大于几千伏安的变压器，其绕组导线截面都为矩 形。 在绕组每匝导线内部的单股导线之间必须相互绝缘，每匝导线 也要与邻近的线匝绝缘。这种绝缘就是在导线上沿螺旋方向连 续包扎的绝缘纸带，并且至少要包两层绝缘纸，以便外面一层 绝缘纸能够覆盖里面一层绝缘纸的接缝间隙。 其扁平截面的铜导体按照多股方 式组成了单相绕组，铜导体被纸 绝缘材料螺旋状缠绕，以保证绕 组间绝缘。 风电场电气系统 风电场主要一次设备 3.2.2.2 绕