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1、风力发电机及其系统,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,典型风力发电机系统,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,向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个旋转磁场。 如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场作旋转运动。转子在一个圆周内旋转，呈现出的磁极（N、S极）数目称为极数，用2P表示。 旋转磁场的
2、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：,笼型异步风力发电机的工作原理,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！,转差率,笼型异步风力发电机的工作原理,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n
3、1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：,异步电机的运行状态,笼型异步风力发电机的工作原理,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!,铁损：电机的铁损包括磁滞损失和涡流损失两部分，电机空载时所消耗的功率。 铜损：电机绕组上的损耗，包括原绕组的铜损和副绕组的铜损，一般电机短路情况下的损耗就是铜损。,铁损和铜损,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,定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的
4、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,典型风力发电机系统,绕线型转子异步发电机,转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control， RCC),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。,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
5、，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。,RCC异步风力发电机系统的特点,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,典型风力发电机系统,双馈异步风力发电机（风冷）,双馈异步风力发电机系统,风力发电机的关键部位：滑环（电刷）系统,双馈
6、异步风力发电机系统,什么是双馈电机？ 所谓双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子绕组和转子绕组,一般将定子绕组接入电网,而接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按要求分别进行调节 。 双馈电机的特点： （1）和异步电机区别：异步电机是通过定子从电网吸收励磁电流,本身无励磁绕组,而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组;异步电机无法改变功率因数;异步电机的转速随负荷变化而变化 。 （2）和同步机区别 ：同步机励磁只可调节电流的幅值,因此只能对无功功率进行调节,而双馈电机可以调节幅值、频率和相位:改变励磁频率,可以调节电机转速;改变励磁电流相位,可以调节发电机电势和电网电压向量的相对位
7、置,改变了电机功率角,可以调节有功和无功.,双馈异步风力发电机系统,控制原理简图,双馈异步风力发电机系统,双馈系统（变换器系统）: (1)交交变频器(双馈中有一定应用) 优点:自然换流,四象限可靠运行;无直流滤波,变频效率高 。 缺点:变压器始终吸收无功、功率因数低;谐波大,输出频率低,需要隔离变压器 (2)交直交变频器(大量应用) 优点:双PWM实现能量的双向传递;结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可控 缺点:直流环节的支撑电容体积较大,寿命较短,且双侧采用PWM控制,开关损耗较大. (3)矩阵变换器(研发阶段) 优点:四象限运行;可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压,谐波含量较小.
8、 缺点:换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断,实现比较困难,双馈异步风力发电机系统,基于IGBT（绝缘栅双极晶闸管）技术的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,大的机侧小的网侧,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。,双馈异步风力发电机的运行原理,亚同步发电运行 nr n1时 ，（即
9、 0S1） 如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为： P电磁=P机械+P转差 P上网=P电磁 （定子馈电，转子由变频器提供励磁） b.超同步发电运行 nr n1时，（即 S0） 如果忽略各种损耗，则发电机的能量 关系为： P机械=P转差+P电磁 P上网=P转差+P电磁（定子馈电+转子馈电）,双馈异步风力发电机系统,定子磁场定向矢量控制,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,典型风力发电机系统,优点： （1）简化了主回路结构和
10、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。,转子电流混合控制的特点,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,典型风力发电机系统,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
11、，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。,变速笼型异步风力发电机系统,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,典型风力发电机系统,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。,
12、电励磁直驱同步风力发电机系统,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,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
13、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,内功率因数角=00,交轴电枢反应,内功率因数角=900,直轴去磁电枢反应,内功率因数角=-900,直轴助磁电枢反应,内功率因数角00900,既有交轴又有直轴去磁电枢反应,当角为不同值的电枢反应,电枢磁势和电枢电流分量,电动势方程式:,同步风力发电机的电动势方程式,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）,三个角 四个轴,准备工作,电枢反应和机-电能量转换,有功电流产生电磁力，并形成
14、电磁转矩 无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩,当忽略电机本身参数, =00, ,有功电流产生电磁力, 并形成电磁转矩Tem,当忽略电机本身参数, =900, ,无功电流产生电磁力, 不形成电磁转矩,凸极发电机的电磁过程,凸极发电机的电势方程式,其中：,凸极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数ra 、xd、xq 。,1、已知内功率因数角,按照电势方程式的关系作出相量图,2、未知内功率因数角,1）利用方程式求出：,2）利用公式求出：,隐极发电机的电磁过程,隐极发电机的电势方程式,其中,同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感
15、应电势,简化方程式,隐极发电机的等效电路：,只要去掉 ra 即可得到简化等效电路,隐极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数ra 、xt,当功率因数cos 滞后时的相量图,同步发电机的特性operating characteristic of synchronous generator,1、空载特性：,2、短路特性：,3、外特性：,4、调整特性：,1、提高供电的可靠性 2、提高供电的经济性 3、提高电能 的质量（主要是U和f）,并联运行的优点,无穷大电网：1）S 2）ZS 0 3）US = C 4） fS= C,1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。 2、
16、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。,条件不满足时对电机的影响,有功功率的平衡,功率极限值(隐极),发电机有功功率功角特性曲线,两种电机功角特性的区别,1、是电动势 和电压 间的时间相角差 2、是励磁磁势 和合成磁势 间的空间相角差,功角的双重物理意义,功角 意义的图示A：,功角 意义的图示B,功角 是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角,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
