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1、风力发电机及其系统2010年8月大唐公司系列培训系列之风力发电机组的内部结构机舱轮毂桨叶变桨系统偏航系统 齿轮箱发电机底座塔筒控制柜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笼型异步风力发电机的工作原理向对称的三相绕组中
2、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。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2P 表示。 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 f 和极对数 P：l l旋转磁场旋转磁场 同步转速笼型异步风力发电机的工作原理Sn1Nffne, iTf 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 ee 在转子绕组中产生感应电流 ii 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
3、电机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l l转差率转差率笼型异步发电机 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n1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：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电动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!nn10s00nn10s101n10n s电机 正反 转控 制图笼型异步发电机的等值电路 一相等值电路 定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励
4、磁阻抗 转子可变电阻反映发电机的负载状况铁损和铜损 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。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笼型异步发电机的机械特性曲线电磁转矩：电动机状态：0nn1 ，0s1发电机状态：0n1n ，s0软特性 vs. 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
5、，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 Curr
6、ent 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，
7、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。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。典型风力发电机系统 定速笼
8、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
9、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
10、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（变频器）； 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 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
11、小、输入功率因数可控 缺点:直流环节的滤波电容体积较大,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. 缺点:换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断 ,实现比较困难风力发电系统简图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 大 的 机 侧 小 的 网 侧双馈异步风力发电机系统 IGBT原理图双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统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
12、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； 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
13、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等值电路S0 时S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。双馈异步风力发电机系统亚同步发电运行nr n1时 ，（即 0S1） f2取正号，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 S1）f2取负号，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 ）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。定子磁场定向矢量控制双馈发电
14、机的功率转速关系此图参考1.5MW风机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
15、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
16、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 driveinverterrectifierline coupling transformergrid side breakerYaw drivegenerator side breakerConverter (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
