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1、风力发电机及其系统,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通入对
2、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：,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
3、场转速， 发电！,笼型异步风力发电机的工作原理,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,异步电机的运行状态,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!,电机正反转控制图,中国风力发电网,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
4、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。,中国风力发电网,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：,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，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
5、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 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
6、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),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。,转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control， RC
7、C),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
8、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,中国风力发电网,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
9、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.,中国风力发电网,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（变频器）； 转子绕组通入变频交流励磁； 转子转速低于同
10、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,中国风力发电网,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
11、) 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,中国风力发电网,风力发电系统简图,中国风力发电网,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,中国风力发电网,双馈异步风力发电机系统,中国风力发电网,双馈异步风力发电机系统,中国风力发电网,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
12、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
13、,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）,中国风力发电网,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,中国风力发电网,双馈发电机的功率转速关系
14、,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 变速笼型异步风
15、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,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。,典型风力发电机系统,定速
