《电机学 教学课件 ppt 作者 陈亚爱 第6章 风力发电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学 教学课件 ppt 作者 陈亚爱 第6章 风力发电机（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,电机学 陈亚爱 周京华主编 梅 杨 温春雪参编 李正熙主审,Page 2,本课程的章节和内容,绪 论 第1章 变压器 第2章 交流电机基础 第3章 异步电动机 第4章 同步电机 第5章 直流电机 第6章 风力发电机,Page 3,第 6 章 风力发电机,Page 4,本章内容,6.1 风力发电基本理论,6.2 定速感应发电机,6.3 直驱式永磁同步发电机,6.4 双馈式交流励磁感应发电机,本章教学基本要求,1.了解风力发电的基本概念，理论与相关知识。,2.了解定速感应发电机的结构和基本原理，掌握定速感应发电机的建模及稳态特性。,3.了解双馈异步发电机的结构、双馈异步发电机的铭牌。掌握双馈异步
2、发电机的基本工作原理，着重理解旋转磁场的概念和转差率s的意义；了解双馈异步发电机的亚同步、同步、超同步运行工况及各工况下转差率与功率的关系；熟悉双馈异步发电机的励磁以及电压、无功功率运行特性；掌握双馈异步发电机的基本方程式、等值电路、相量图和工作特性；熟悉双馈异步发电机的起动和在风力发电中的应用。,Page 5,本章教学基本要求,4.了解永磁同步发电机的结构、制造、铭牌等。掌握永磁同步发电机的基本工作原理，着重理解永磁旋转磁场的概念；熟悉永磁同步发电机的起动方法和在风力发电中的应用；掌握永磁同步发电机的基本电磁关系、电压方程式和电势相量图，明确各稳态参数的物理意义及测定方法，掌握永磁同步发电机
3、稳态运行特性及其计算。,Page 6,本章教学基本要求,1理解双馈异步发电机和永磁同步发电机的基本工作原理。,2双馈异步发电机和永磁同步发电机的基本电磁关系、电压方程式和相量图。,3双馈异步发电机和永磁同步发电机的运行工况及运行特性。,重点：,Page 7,Page 8,提问,什么是风力发电机？有什么作用？,风力发电机的主要作用是做发电机运行，将风 能转换为电能直接或经过电力电子设备输送到电网 或负载。,风力发电机是一种将风机叶片捕获的风能转换 为电能的发电机。,Page 9,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,风能的表达式,风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的立方成
4、正比。,气流的动能为,（6-1）,（6-4）,式（6-4）即为风能的表达式。在国际单位制中r的单位为kg/m3；V的单位为m3；v的单位为m/s；E的单位为W。,Page 10,风能密度,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,为了评价一个地区风能的大小，风能密度是最有价值和最方便的量。风能密度是流动空气在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即,（6-5）,式中，w为风能密度，单位为W/m2。,Page 11,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,平均风能密度,由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一定时间的观测来了解它的平均状况。因此，在一段时间内的平均风能密度，可用积分来表示
5、，即通过积分计算出平均风能密度为,（6-6）,Page 12,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,平均风能密度,图 6-1所示为风速与风能密度的分布。,a）风速分布 b）风能密度分布 图 6-1风速与风能密度的分布,可见，当风速由低速增加到切入风速vmin时，风机才开始做功。在该风速下，风轮的轴功率等于整机空载时自身消耗的功率，风机还不能对用户输出功率。,Page 13,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,平均风能密度,风速继续增加，风机开始对外输出功率，达到额定风速vN时，风机输出额定功率。,高于额定风速时，通过变桨调节控制，风机的功率一般将保持不变。如果风速继续增加，达
6、到切出风速vmax时，为了保证机组的安全，超过该风速必须停机，风机不再输出功率。,Page 14,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,平均风能密度,考虑这些因素的限制，实际中有效的可用风能如图中阴影部分所示。,此阴影部分面积值（单位为kWh/m2）乘以风机的效率h就得到风机真正可用的风能。,由于风力机需要根据某一确定的风速来确定风机的额定功率，该风速称为额定风速。风力工程中，把风机开始运行做功的风速称为启动风速或切入风速。大到某一极限风速时，风机会有损坏的风险，必须停止运行，该风速称为停机风速或切出风速。因此，在统计风速计算风能潜力时，必须考虑这两个因素。通常将切入风速到切出风速之间
7、的风能称为有效风能。,Page 15,6.1风力发电基本理论,6.1.1风能的计算,年平均有效风能密度,年平均有效风能密度wgav，它是指一年中有效风速vmin vN范围内的风能平均密度，计算公式为,（6-7）,式中，p(v)为有效风速范围内风能密度的条件概率分布函数，即在vminvvN风速范围条件下发生的风能密度的概率。,依条件概率的定义，存在以下关系,（6-8）,Page 16,风轮从风中吸收的功率为,6.1风力发电基本理论,6.1.2风机的功率,式中，Cp为风力发电机组的功率系数或风能利用系数，最理想的条件下Cp仅仅为0.593； A为风轮扫略面积；r为空气密度；v为风速；R为风轮半径。
8、,（6-9）,（6-10）,如果接近风力机的空气全部被转动的风轮叶片所吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而这种情况是不可能发生的，所以风力机的效率总是小于1，即风能不可能完全被风力机所吸收。,Page 17,6.1风力发电基本理论,6.1.2风机的功率,科学家贝兹假设了一种理想的风轮，即假设风轮是一个平面圆盘，空气没有摩擦和黏性，流过风轮的气流是均匀的，且垂直于风轮旋转平面，气流可看作是不可压缩的，速度不大，所以空气密度也可看作不变。,当气流通过圆盘时，因为速度下降，流线必须扩散。利用动量理论，圆盘上游和下游的压力是不同的，但在整个圆盘上是常量。实际应用中的风轮大多是23个叶片的风轮，这里只是
9、用一个有无限多叶片的风轮圆盘来对此进行假设以便图 6-2 理想风轮的气流模型分析。,Page 18,图6-2所示为理想风轮的气流模型，由图可见，通过风轮圆盘的风力流管中，前方（0）、风轮面（1）和后方（2）的风流量M是相同的，即有,6.1风力发电基本理论,6.1.2风机的功率,（6-11）,图 6-2 理想风轮的气流模型,可推得功率系数为,（6-21）,令dCP/db=0可求得Cp的极值，此时解得b=1/3，Cp的极大值Cpmax59%，这就是风力机的贝兹理论极限值，它表示风轮可达到的最大效率。,Page 19,6.1风力发电基本理论,6.1.2风机的功率,叶尖速比,极大值Cpmax是贝兹理论
10、限定的极值，实际的风机不可能超过此极值，否则就违背了空气动力学的规律。,实际中，风力机的Cp值由风机制造商以Cp(l，b) 特性的形式给出，l为叶尖速比，b为桨距角。其中叶尖速比的定义为,（6-22）,式中，w为风轮旋转的角速度。,图 6-3 几种典型风轮的效率,Page 20,6.1风力发电基本理论,6.1.2风机的功率,叶尖速比,实验数据表明：二叶片的风轮旋转速度越快，风轮效率越高，当叶尖速比为5或6时，效率可达0.47；同样，达里厄式风轮在叶尖速比为6时，最大效率为0.35。,图 6-3 几种典型风轮的效率,Page 21,6.1风力发电基本理论,6.1.3独立运行风力发电系统,图6-4
11、 带蓄电池的独立运行风力发电系统,不连接电网运行的风力发电系统称为独立运行或离网型风力发电系统。,Page 22,6.1风力发电基本理论,6.1.3独立运行风力发电系统,在因切除机端电容器组引起突然失去励磁的情况下，纯电阻性与电感性负荷引起机端电压快速地降低到零；而对容性负荷，极端电压衰减到零的时间较长。,暂态特性,在突然加载的情况下，纯电阻性与电感性负荷引起突然的电压降落，而容性负荷对机端电压的影响很小。,在突然失去纯电阻性与感性负荷的情况下，机端电压会快速上升到某一稳定电压值。,在轻负荷时，励磁电抗会变到其非饱和时的值，此值很大。这使得发电机的性能变得不稳定，从而可能导致机端电压崩溃。为了
12、防范这种不稳定显现，独立的异步发电机必须带一个最小的负荷，如果需要可在机端永久地接一个假负荷。,Page 23,6.1风力发电基本理论,6.1.4并网运行风力发电系统,图 6-5 与电网连接的变速风力发电系统的电气原理图,并网运行的风力发电系统与公用电网互连时，通过将风力发电可能暂时产生的多余电能或短缺的电能与所连接的传统电网能量互补共享。,Page 24,1.并网要求,6.1风力发电基本理论,6.1.4并网运行风力发电系统,电压的大小与相位必须等于所需潮流的大小与方向所要求的值。电压可以通过调节变压器的分接头或通过闭环控制系统控制电力电子变流器的触发延迟角来控制。,频率必须与电网的频率精确相
13、等，否则系统将不能工作。为了满足精确的频率要求，有效的方法只有一个，也就是将公用电网频率作为逆变器开关频率的参考值。,在风力发电系统中，电网中提供基本负荷的同步发电机为异步发电机提供励磁。,Page 25,6.1风力发电基本理论,6.1.4并网运行风力发电系统,2.与电网同步,频率必须与电网频率尽可能接近，并比电网频率略高1/3Hz；,第一步，并网断路器断开，采用电动机运行模式将风力发电机转速提高；,端口电压大小必须与电网电压匹配，希望略高百分之几；,三相电压相序必须与电网电压相序相同；,两端电压的相角必须在5以内。,第二步，将运行模式变为发电机模式，调整控制以便并网点的电压与电网电压匹配，尽
14、可能满足并网要求。,第三步，采用一个同步指示器来指示风力发电产生的电压与电网电压之间的匹配程度，当其足够小时即可闭合断路器了。,Page 26,6.1风力发电基本理论,6.1.5大型风力发电机的主流机型,大型风力发电机的主流机型主要有双馈式异步发电机和直驱式永磁同步发电机。,对于中小型风力发电机，由于其容量较小，应用场合主要是独立运行系统，所以其主流机型有直流发电机、异步发电机和同步发电机。,6.1.6大型风力发电机的主流机型,Page 27,6.2定速感应发电机,定速风力发电机是一种相对而言较简单的电气设备，它由用来驱动低速轴实现的空气动力学转换的转子，变速箱，高速轴和感应发电机（通常为异步
15、感应发电机）构成。,图 6-7 固定风速风力发电机示意图,从电力系统的角度看，该类型发电机也许最好被视为通过风的流动来驱动低速轴进而产生转矩传递的类似于大风扇的结构。,Page 28,6.2定速感应发电机,6.2.1定速感应发电机的结构和工作原理,图6-8给出了具有一对磁极的三相感应电机的横截面示意图，其定子由三相绕组A1X1，B1Y1和C1Z1组成，它们在空间上相隔120。转子电路也包含三相个分布绕组A2X2，B2Y2和C2Z2。,角度q定义为转子A相绕组A2X2在旋转方向上超前于定子 A相绕组A1X1的角度，w 是以rad/s为单位的转子旋转角速度，而w1 是以rad/s为单位的定子磁场旋
16、转角速度。,图 6-8 三相感应电机的横截面图,Page 29,6.2定速感应发电机,6.2.1定速感应发电机的结构和工作原理,当三相对称电流流过定子绕组时，就会产生一以同步转速w1旋转的磁场，同步转速w1可以表示为,式中， f1（Hz）为定子电流频率，p为极对数。,图 6-8 三相感应电机的横截面图,（6-24）,Page 30,6.2定速感应发电机,6.2.1定速感应发电机的结构和工作原理,当定子磁场和转子之间存在相对运动时，在转子绕组中会感应出频率为f2（Hz）的电压。转子频率等于转差频率sf1，即有f2=sf1，其中转差率s为,当转子转速小于同步转速时，转差率为正，相反当转子转速大于同步转速时，转差率为负。,图 6-8 三相感应电机的横截面图,（6-25）,Page 31,6.2定速感应发电机,6.2.2定速感应发电机的稳态特性,图 6-9 感应电机的单相稳态等效电路
