风力发电原理风力发电原理 第五章第五章 发电机原理发电机原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理Ø风风力力发发电电包包含含了了由由风风能能到到机机械械能能和和由由机机械械能能到到电电能能两两个个能能量量转转换换过过程程，，发发电电机机及及其其控控制制系系统统承承担担了了后后一一种种能能量量转转换换任任务务，，是是风风力力发发电电系系统统的的一一大大核心部分核心部分Ø发发电电机机及及其其控控制制系系统统不不仅仅直直接接影影响响这这个个转转换换过过程程的的性性能能、、效效率率和和供供电电质质量量，，而而且且也也影影响响到到前前一一个个转转换换过过程程的的运运行行方方式式、、效效率率和和装装置置结结构构这这一一章章我们主要学校发电机原理我们主要学校发电机原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机 一、基本工作原理一、基本工作原理 1. 原动机拖动原动机拖动电枢电枢，按，按逆时针恒定速度逆时针恒定速度方向方向旋转旋转，， 2. 线线圈圈ab边边切切割割磁磁力力线线，，右右手手定定则则确确定定感感应应电电势势方方向向b指指向向a，，cd边感应电动势方向边感应电动势方向d指向指向c，整个线圈是，整个线圈是d-c-b-a。
3. 换换向向片片1和和电电刷刷A处处于于正正电电位位，，换换向向片片2和和电电刷刷B处处于于负负电电位位若若接接通通外外电电路路，，电电流流就就从从电电刷刷A经经负负载载流流入入电电刷刷B，，与与线线圈圈构成闭合通路构成闭合通路4.线圈旋转线圈旋转1800后，线圈内部电路后，线圈内部电路反向，但由于反向，但由于电刷作用电刷作用，电刷，电刷A的的电位仍然是正的，其电刷电位仍然是正的，其电刷B的电位的电位仍然是负，对外电路负载上便得仍然是负，对外电路负载上便得到到恒定方向的电压恒定方向的电压和电流 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机一、基本工作原理一、基本工作原理(5)直流发电机中只有一个线圈时，直流发电机中只有一个线圈时，电动势方向恒定电动势方向恒定，但数，但数值却变化很大值却变化很大,其其大小大小在零值和最大值之间在零值和最大值之间脉动脉动，当线圈旋，当线圈旋转一周时，电动势脉动地变化两次转一周时，电动势脉动地变化两次 如何解决？如何解决？ (6)一个磁极下放一个磁极下放多个线圈多个线圈 电刷电刷A、、B之间的之间的电势电势始终是始终是所有线圈的电所有线圈的电势之和势之和 结论：导体数目大于结论：导体数目大于8时，电势脉动程度时，电势脉动程度小于小于1％，可近似认为是恒定的直流电势。
％，可近似认为是恒定的直流电势 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理二二二二 直流发电机的分类直流发电机的分类直流发电机的分类直流发电机的分类 按励磁方式分按励磁方式分有永磁式及电励磁式有永磁式及电励磁式1. 1. 永永永永磁磁磁磁式式式式直直直直流流流流发发发发电电电电机机机机利利利利用用用用永永永永久久久久磁磁磁磁铁铁铁铁来来来来提提提提供供供供发发发发电电电电机所需的励磁机所需的励磁机所需的励磁机所需的励磁磁通磁通磁通磁通第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机图图1 永磁式直流发电永磁式直流发电杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 2 电电电电励励励励磁磁磁磁式式式式: :借借借借助助助助在在在在励励励励磁磁磁磁线线线线圈圈圈圈内内内内流流流流过过过过的的的的电电电电流流流流产产产产生生生生磁磁磁磁通通通通来来来来提提提提供供供供发发发发电机所需的励磁磁通，电机所需的励磁磁通，电机所需的励磁磁通，电机所需的励磁磁通， 1)1)由由由由于于于于励励励励磁磁磁磁绕绕绕绕组组组组与与与与电电电电枢枢枢枢绕绕绕绕组组组组连连连连接接接接方方方方式式式式的的的的不不不不同同同同，，，，分分分分为为为为他他他他励励励励与与与与自励自励自励自励 ( (并励、串励、复合励磁并励、串励、复合励磁并励、串励、复合励磁并励、串励、复合励磁) )两种型式两种型式两种型式两种型式电电励励磁磁式式直直流流发发电电机机（（a））他他励励式式直直流流发发电电机机（（b））自自励励式式（并励）直流发电机（并励）直流发电机 二二二二 直流发电机的分类直流发电机的分类直流发电机的分类直流发电机的分类 第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 电励磁式电励磁式二二 直流发电机的分类直流发电机的分类 第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机2）自励式）自励式串励式串励式复合励磁式复合励磁式并励绕组产生的磁势占总励磁磁并励绕组产生的磁势占总励磁磁势的势的70％以上起主要作用，而串％以上起主要作用，而串励绕组起辅助作用励绕组起辅助作用 发电机发电机励磁所励磁所消耗的消耗的功率，功率，仅占额仅占额定容量定容量的的1-3% 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理1.1.回路中各电磁物理量关系回路中各电磁物理量关系 1) 1)电枢回路：电枢回路： 2) 2)励磁回路励磁回路vv他励发电机他励发电机他励发电机他励发电机 vv并励发电机并励发电机并励发电机并励发电机 第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机三三三三 直流发电机电磁关系直流发电机电磁关系直流发电机电磁关系直流发电机电磁关系其中：其中： 为电机的电势系数；为电机的电势系数； 为电机每极下的磁为电机每极下的磁通量；通量； 为电枢绕组电阻；为电枢绕组电阻； 为励磁绕组的外接电为励磁绕组的外接电阻；阻； 为绕组感应电势；为绕组感应电势； 为电枢端电压；为电枢端电压； 为发电为发电机转速；机转速； 为励磁电流。
为励磁电流 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 发电机的电磁转距发电机的电磁转距1)电磁转距对发电机的电枢旋转是制动力矩电磁转距对发电机的电枢旋转是制动力矩M1M1为为风风力力机机的的拖拖动动转转矩矩；；M0M0为为机机械械摩摩擦擦阻阻转转矩矩，，M M为为电电磁磁转转距距,Ω为为发发电电机转轴的旋转角速率机转轴的旋转角速率,J,J为风力机、发电机及传动系统的总转动惯量为风力机、发电机及传动系统的总转动惯量 2)电磁转矩的大小：电磁转矩的大小： 根根据据比比奥奥—沙沙瓦瓦定定律律，，直直流流发发电电机机的的电电枢枢电电流流与与电电机机的的磁磁通通作作用用会会产产生生电电磁磁力力，，并并由由此此而而产产生生电电磁磁转转矩矩，，电电磁磁转转矩矩可表示为：可表示为：C C C CM M M M为电机的转矩系数；为电机的转矩系数；为电机的转矩系数；为电机的转矩系数；M M M M为电磁转矩；为电磁转矩；为电磁转矩；为电磁转矩；IaIaIaIa为电枢电流为电枢电流为电枢电流为电枢电流 第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机三三三三 直流发电机电磁关系直流发电机电磁关系直流发电机电磁关系直流发电机电磁关系 3)负载不变时，即电磁转距不变时，风速变化带来的现象负载不变时，即电磁转距不变时，风速变化带来的现象 负载不变即负载不变即M为常数时，若风速增大，发电机转速增加；反为常数时，若风速增大，发电机转速增加；反之，转速下降之，转速下降 ,导致电枢感应电势和端电压改变，因此需要通导致电枢感应电势和端电压改变，因此需要通过调速装置进行控制。
过调速装置进行控制杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理四直流风力发电系统举例四直流风力发电系统举例Ø较早时期的小容量独立风力发电装置一般采用较早时期的小容量独立风力发电装置一般采用小型直流发电机，在实际应用中，小型直流发电机，在实际应用中，直流发电机直流发电机常和蓄电池组常和蓄电池组配合使用配合使用 ，，向电阻性负载供电向电阻性负载供电 独立运行的直流风力发电系统 L：电阻性负载：电阻性负载(如如照明灯等照明灯等)，，J：逆：逆流继电器控制的动流继电器控制的动断触点当风力减断触点当风力减少，风力机转速降少，风力机转速降低，直流发电机电低，直流发电机电压低于蓄电池组电压低于蓄电池组电压时逆流继电器动压时逆流继电器动作，断开动断触点作，断开动断触点J，使蓄电池不能向，使蓄电池不能向发电机反向供电发电机反向供电 第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理Ø上述系统上述系统合理选择蓄电池组容量合理选择蓄电池组容量的选择至关重的选择至关重要要 ，，蓄电池容量的选择与选定的蓄电池容量的选择与选定的风力发电机风力发电机的的额定数值额定数值(容量、电压等容量、电压等)、日负载、日负载(用电量用电量)状状况以及该风力发电机安装地区的风况况以及该风力发电机安装地区的风况(无风期无风期持续时间持续时间)等等有关有关 ，，同时还应按同时还应按10h放电率电流放电率电流值值(蓄电池的最佳充放电电流值蓄电池的最佳充放电电流值)的规定来计算的规定来计算蓄电池组的充电及放电电流值，以保证合理的蓄电池组的充电及放电电流值，以保证合理的使用莆电池，使用莆电池，延长蓄电池的使用寿命延长蓄电池的使用寿命。
第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机四直流风力发电系统举例四直流风力发电系统举例杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理五五 并励直流发电机的自励并励直流发电机的自励自励的条件：自励的条件：1）发电机有剩磁）发电机有剩磁 2）励磁绕组并联极性正确，产生的磁通方向与剩）励磁绕组并联极性正确，产生的磁通方向与剩磁一致（增磁），否则端电压不能建立磁一致（增磁），否则端电压不能建立结论：在满足上述条件下，为了建立电压，结论：在满足上述条件下，为了建立电压，1励磁回路的总电阻必须小于临界电阻值励磁回路的总电阻必须小于临界电阻值2对于某一励磁回路的电阻值，对应一个最小临界转对于某一励磁回路的电阻值，对应一个最小临界转速，发电机小于此转速不能自励，故必须使风力机速，发电机小于此转速不能自励，故必须使风力机调速机构确定的转速值大于发电机的最小临界转速调速机构确定的转速值大于发电机的最小临界转速第一节第一节第一节第一节 直流发电机直流发电机直流发电机直流发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 风风力力发发电电中中所所用用的的同同步步发发电电机机绝绝大大部部分分是是三三相相同同步步电电机机，，其其输出连邻近三相电网或输配电线。
输出连邻近三相电网或输配电线一、同步发电机一、同步发电机1.基本工作原理基本工作原理 1）分定子和转子两部分定子：电枢绕组，产生感应）分定子和转子两部分定子：电枢绕组，产生感应电动势和产生旋转磁场的部件电动势和产生旋转磁场的部件转子：可由励磁绕组转子：可由励磁绕组调节，产生一个强磁场调节，产生一个强磁场2）具体：励磁绕组外接直流电源得到励磁电流，产生）具体：励磁绕组外接直流电源得到励磁电流，产生磁极磁场（主磁场或励磁磁场），风机拖动转子旋转时，磁极磁场（主磁场或励磁磁场），风机拖动转子旋转时，得到一个机械旋转主磁场，该磁场对定子发生相对运动，得到一个机械旋转主磁场，该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出对称的交流电势由于定于三相对在定子绕组中感应出对称的交流电势由于定于三相对称绕组在空间相差称绕组在空间相差120度电角度电角度，因此三相对称的电势度，因此三相对称的电势也在时间上相差也在时间上相差120度电角度可表示为度电角度可表示为eOA,eOB,和和eOC杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理ω=2πfω=2πfs s ,Φ,Φ是是励励磁磁电电流流产产生生的的每每极极磁磁通通；；K K是是一一个个与与电电机机极对数和每相绕组匝数有关的常数极对数和每相绕组匝数有关的常数。
第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 一一 同步发电机同步发电机2.交流电势的频率交流电势的频率频率取决于电机的极对数频率取决于电机的极对数P和转子转速和转子转速ns，即，即3.每相绕组的电势有效值每相绕组的电势有效值4.同步发电机的额定值同步发电机的额定值 1 1））额额定定容容量量：：是是指指出出线线端端的的额额定定视视在在功功率率，，以以千千伏伏安安（（kVAkVA）、兆伏安）、兆伏安(MVA)(MVA)为单位；为单位；2 2））额额定定功功率率：：是是指指发发电电机机输输出出的的额额定定有有功功功功率率，，一一般般以以干干瓦（瓦（kWkW）或兆瓦（）或兆瓦（MWMW）为单位 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理风力驱动的同步发电机与电网并联风力驱动的同步发电机与电网并联 5 并网同步风力发电系统举例并网同步风力发电系统举例2）为保证发出的电频率恒定：）为保证发出的电频率恒定：1恒速恒频（通过调速机构实现）恒速恒频（通过调速机构实现） 2 变速恒频（通过变频器实现）变速恒频（通过变频器实现）第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 一一 同步发电机同步发电机1）注意并网条件）注意并网条件杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理带调速系统的恒速恒频同步发电机风力发电系统带调速系统的恒速恒频同步发电机风力发电系统带变频器的变速恒频同步发电机风力发电系统带变频器的变速恒频同步发电机风力发电系统5 并网同步风力发电系统举例并网同步风力发电系统举例第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 一一 同步发电机同步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理1)1)同步发电机的主要优点是同步发电机的主要优点是可以向电网或负载可以向电网或负载提供无功功率提供无功功率，它不仅可以并网运行，也可，它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负载的需要。
以单独运行，满足各种不同负载的需要 2)2)同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较复杂，成本比异步发电机高比较复杂，成本比异步发电机高第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 一一 同步发电机同步发电机6.同步发电机的优缺点同步发电机的优缺点杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理1.结构：结构：1)1)异异异异步步步步发发发发电电电电机机机机称称称称感感感感应应应应发发发发电电电电机机机机，，，，有有有有鼠鼠鼠鼠笼笼笼笼型型型型和和和和绕绕绕绕线线线线型型型型两两两两种2)2)风风风风力力力力发发发发电电电电系系系系统统统统中中中中并并并并网网网网运运运运行行行行的的的的异异异异步步步步电电电电机机机机，，，，其其其其定定定定子子子子与与与与同同同同步步步步电电电电机机机机的的的的定定定定子子子子基基基基本本本本相相相相同同同同，，，，定定定定子子子子绕绕绕绕组组组组为为为为三三三三相相相相的的的的，，，，可可可可接接接接成成成成三三三三角角角角形形形形或或或或星星星星型型型型接接接接法法法法；；；；转转转转子子子子则则则则有有有有鼠鼠鼠鼠笼笼笼笼型型型型和和和和绕绕绕绕线型两种。
线型两种线型两种线型两种 第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 二．异步发电机二．异步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2.工作原理：工作原理：1)根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于电网的频率及电机绕组的极对数，即：电网的频率及电机绕组的极对数，即：式中：式中：n ns s为同步转速；为同步转速； f为电网频率；为电网频率；p p 为绕组对数为绕组对数 第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 二．异步发电机二．异步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 2））））当当当当异异异异步步步步电电电电机机机机连连连连接接接接到到到到频频频频率率率率恒恒恒恒定定定定的的的的电电电电网网网网时时时时，，，，异异异异步电机可以有不同的运行状态；步电机可以有不同的运行状态；步电机可以有不同的运行状态；步电机可以有不同的运行状态；Ø 转转转转子子子子转转转转速速速速小小小小于于于于异异异异步步步步电电电电机机机机的的的的同同同同步步步步转转转转速速速速时时时时（（（（即即即即nnsn>ns）））），，，，处处处处于于于于发发发发电电电电运运运运行行行行状状状状态态态态，，，，此此此此时时时时异异异异步步步步电电电电机机机机吸吸吸吸收收收收由由由由原原原原动动动动机机机机供供供供给给给给的的的的机机机机械械械械能能能能而而而而向向向向电网输出电能电网输出电能电网输出电能电网输出电能。
第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 二．异步发电机二．异步发电机2.工作原理工作原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 2）当异步电机与电网并联后作为发电机运行时，）当异步电机与电网并联后作为发电机运行时，转差率转差率S为负值 |s| |s|取值越大，则系统平衡阵风扰动的能力越好，取值越大，则系统平衡阵风扰动的能力越好，一般与电网并联运行的容量较大的异步风力发电机其一般与电网并联运行的容量较大的异步风力发电机其转速的运行范围在转速的运行范围在n ns s与与1.05n1.05ns s之间 1 1）异步电机的不同运行状态可用异）异步电机的不同运行状态可用异）异步电机的不同运行状态可用异）异步电机的不同运行状态可用异步电机的转差率步电机的转差率步电机的转差率步电机的转差率S S来区别表示异步来区别表示异步来区别表示异步来区别表示异步电机的转差率定义为：电机的转差率定义为：电机的转差率定义为：电机的转差率定义为：第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 二．异步发电机二．异步发电机3.转差率转差率杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理1）缺点：在向电网）缺点：在向电网提供有功功率提供有功功率的同时，要从的同时，要从电网中电网中吸收无功功率吸收无功功率。
2）优点：）优点：并网并网要求不像同步发电机那么严格，要求不像同步发电机那么严格，只要转速接近同步转速时就可并网只要转速接近同步转速时就可并网并网方式？并网方式结论结论 ：在与电网并联运行的定桨距风力发电系：在与电网并联运行的定桨距风力发电系统中大多采用异步发电机统中大多采用异步发电机 为了充分利用低风为了充分利用低风速时的风能，广泛采用双速异步发电机速时的风能，广泛采用双速异步发电机 第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 二．异步发电机二．异步发电机4.优缺点优缺点双速异步发电机系指具有两种不同的同步转速双速异步发电机系指具有两种不同的同步转速( (低同步转速及低同步转速及高同步转速高同步转速) )的电机低风速时小电机运行，高风速时大电机运的电机低风速时小电机运行，高风速时大电机运行，一方面可以提高风力发电机组的风能利用率；另一方面，行，一方面可以提高风力发电机组的风能利用率；另一方面，可以极大地减少机组的启可以极大地减少机组的启/ /停次数停次数, ,延长机组的使用寿命延长机组的使用寿命 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理项目项目异步发电机异步发电机同步发电机同步发电机结构结构定子与同步发电机相同定子与同步发电机相同,转子为鼠笼转子为鼠笼,结构简单、结构简单、牢固。
牢固 转子上有励磁绕组和转子上有励磁绕组和阻尼绕组阻尼绕组,结构复杂结构复杂 励磁励磁 不需要励磁装置及励磁不需要励磁装置及励磁调节装置调节装置 需要励磁装置及励磁需要励磁装置及励磁调节装置调节装置 并网并网 强制并网强制并网,不需要同步不需要同步装置装置,无失步现象无失步现象,运行运行时只需适当限制负荷时只需适当限制负荷 需要同步合闸装置需要同步合闸装置,负负载急剧变化时有可能载急剧变化时有可能失步 维护检修维护检修 定子的维护与同步机相定子的维护与同步机相同同,转子基本不需要维转子基本不需要维护除定子外除定子外,励磁绕组及励磁绕组及励磁调节装置需维护励磁调节装置需维护 第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 异步发电机与同步发电机的比较异步发电机与同步发电机的比较 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理项目项目异步发电机异步发电机同步发电机同步发电机功率因数功率因数功率因数由输出功率决功率因数由输出功率决定定,不能调节需要电网不能调节需要电网供给励磁的无功电流供给励磁的无功电流,因因而导致功率因数下降而导致功率因数下降 功率因数可以很容易地功率因数可以很容易地通过励磁调节装置予以通过励磁调节装置予以调整调整,即可在滞后的功率即可在滞后的功率因数下运行因数下运行,也可在超前也可在超前的功率因数下运行。
的功率因数下运行冲击电流冲击电流 强制并网强制并网,冲击电流大冲击电流大有时需要采用限流措施有时需要采用限流措施有同步装置有同步装置,并网时冲并网时冲击电流小击电流小 电压调节电压调节 单独运行时电压频率的单独运行时电压频率的调节调节单独运行时电压频率的单独运行时电压频率的调节调节异步发电机与同步发电机的比较异步发电机与同步发电机的比较 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理 单机独立运行的自励异步发电机：单机独立运行的自励异步发电机： 1 1）建立电压的条件是：）建立电压的条件是： ① ①发电机必须发电机必须有剩磁有剩磁，一般情况下，发电机都会有剩，一般情况下，发电机都会有剩磁存在，万一失磁，可用蓄电池充磁的方法重新获得磁存在，万一失磁，可用蓄电池充磁的方法重新获得剩磁 ② ②在异步发电机的输出端在异步发电机的输出端并上并上足够数量的足够数量的电容第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题1 电容自励异步发电机电容自励异步发电机自励异步风力发电机自励异步风力发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2)2)建立电压时注意的问题：建立电压时注意的问题：（（1 1）对应着）对应着最小临界电容最小临界电容值值（（2 2）对应着）对应着发电机发电机的的最小转速最小转速。
第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题1 电容自励异步发电机电容自励异步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理3)3)单机独立运行自励异步发电机的频率单机独立运行自励异步发电机的频率 第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题1 电容自励异步发电机电容自励异步发电机(1)(1)负载增加时，负载增加时，为了维持发电机的频率不变，必为了维持发电机的频率不变，必须相应地提高发电机转子的转速须相应地提高发电机转子的转速因为异步发电因为异步发电机的滑差绝对值机的滑差绝对值 增大，增大，（（2 2）负载增加，发电机端电压下降，导致容性励）负载增加，发电机端电压下降，导致容性励磁电流的减少，磁电流的减少，为保持端电压不变，必须增加并为保持端电压不变，必须增加并接电容的数值，以增大励磁流接电容的数值，以增大励磁流 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理很难保证电压和频率不变。
很难保证电压和频率不变 在负载变化时，在调转速的同时，尚需根据负在负载变化时，在调转速的同时，尚需根据负载的大小和性质调节电容量的数值，而这种调载的大小和性质调节电容量的数值，而这种调节除非有自动装置，否则很难以保证电压和频节除非有自动装置，否则很难以保证电压和频率不变4)4)单机独立运行自励异步发电机的特点：单机独立运行自励异步发电机的特点：第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题1 电容自励异步发电机电容自励异步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机 1）结构）结构 定定子子绕绕组组为为三三相相，，Y形形连连接接，，转转子子励励磁磁绕绕组组通通过过滑滑环得到经硅整流器的直流励磁电流环得到经硅整流器的直流励磁电流第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理（（1 1）风变化，发电机）风变化，发电机转速变化转速变化，发电机出口，发电机出口电压波动电压波动。
2 2））导导致致励励磁磁电电流流变变化化，，励励磁磁磁磁场场变变化化，，造造成成电电压压的的波波动动，，这这种连锁反应使得电压的波动范围不断增加种连锁反应使得电压的波动范围不断增加 (3) (3) 电电压压波波动动向向负负载载独独立立供供电电时时，，将将造造成成用用电电设设备备损损坏坏此此外外独独立立运运行行的的风风力力发发电电机机都都带带有有蓄蓄电电池池组组，，电电压压的的波波动动会会导导致致蓄蓄电池组过充电电池组过充电，从而降低了蓄电池组使用寿命从而降低了蓄电池组使用寿命第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题2 .硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机2）存在问题）存在问题杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理3)3)解决办法：励磁调节器解决办法：励磁调节器 使使发发电电机机能能自自动动调调节节其其励励磁磁电电流流( (励励磁磁磁磁通通) )的的大大小小，，来来抵抵消消因因风风速速变变化化而而导导致致的的发发电电机机转转速速变变化化对对发发电电机机端端电电压压的影响。
的影响1 1）结构：电压继电器、电流继电器、逆流继电器及其所）结构：电压继电器、电流继电器、逆流继电器及其所控制的动断触点控制的动断触点J1、、J2和动合触点和动合触点J3以及电阻以及电阻R1、、R2等等组成2 2））工作原理工作原理 a )当当发发电电机机转转速速较较低低，，发发电电机机端端电电压压低低于于额额定定值值时时，，电电压压继继电电器器V V不不动动作作，，其其动动断断触触点点J1J1闭闭合合，，硅硅整整流流器器输输出出端端电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状况电压直接施加在励磁绕组上，发电机属于正常励磁状况. b) 风风速速大大，，发发电电机机转转速速增增高高，，端端电电压压高高于于额额定定值值，，动动断断触触点点J1J1断断开开，，励励磁磁回回路路中中被被串串入入了了电电阻阻R1R1，，励励磁磁电电流流及及磁磁通通随随之之减减小小，，发发电电机机输输出出端端电电压压也也随随之之下下降降；；当当电电压压降降至额定值，触点至额定值，触点J1J1闭合，发电机恢复正常励磁状况闭合，发电机恢复正常励磁状况第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题2 .硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理c) c) 负载过多负载过多, ,电流过大电流过大, ,会使发电机过负荷运行。
会使发电机过负荷运行当发电机当发电机输出电流高于额定值时，动断触点输出电流高于额定值时，动断触点J2J2断开，电阻断开，电阻R1R1被串入被串入励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端电压，励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端电压，并减小了负载电流并减小了负载电流d)d)为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机送电，装为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机送电，装有有逆流继电器逆流继电器逆电流继电器由电压线圈逆电流继电器由电压线圈v’v’、电流线圈、电流线圈I’I’、动合触点、动合触点J3J3及电阻及电阻R2R2组成发电机正常工作时，使组成发电机正常工作时，使动合触点动合触点J3J3闭合；当风速太低，使得动合触点闭合；当风速太低，使得动合触点J3J3断开，从断开，从而断开了蓄电池向发电机励磁绕组送电的回路而断开了蓄电池向发电机励磁绕组送电的回路第二节第二节第二节第二节 交流发电机交流发电机交流发电机交流发电机 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题2 .硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机3)3)解决办法：励磁调节器解决办法：励磁调节器（（2 2））工作原理工作原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理(1)(1)特点：与永磁发电机比较，优点：能随风速特点：与永磁发电机比较，优点：能随风速变化自动变化自动调节发电机的输出端电压调节发电机的输出端电压，，防止产防止产生对蓄电池过充电生对蓄电池过充电，延长蓄电池的使用寿命；，延长蓄电池的使用寿命；同时还实现了同时还实现了对发电机的过负荷保护对发电机的过负荷保护(2)(2)缺点：但励磁调节器的动断触点，由于其断缺点：但励磁调节器的动断触点，由于其断开和闭合的动作较频繁，需对触头材质及断开和闭合的动作较频繁，需对触头材质及断弧性能做适当的处理。
弧性能做适当的处理 三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题三．独立运行的交流风力发电机组的自励问题2 .硅整流自励交流发电机硅整流自励交流发电机4)4)优缺点优缺点杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理Ø近来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，近来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展，双双馈型异步发电机馈型异步发电机(Doubly-Fed Induction Generator，，简称简称DFIG)得到了广泛的重视得到了广泛的重视ØDFIG在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子两套绕组在控制中，两套绕组在控制中，DFIG转子一般由接到电网上转子一般由接到电网上的变换器进行交流励磁的变换器进行交流励磁第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理一一 特点特点1特点：特点：DFIG兼有异步发电机和同步发电机的特性兼有异步发电机和同步发电机的特性，， （（1 1）如果从发电机转速是否与同步转速一致来定）如果从发电机转速是否与同步转速一致来定义，则义，则DFIG应当被称为异步发电机应当被称为异步发电机 （（2 2）但）但DFIG在在性能上性能上又又不象异步发电机，相反具不象异步发电机，相反具有很多同步发电机的特点有很多同步发电机的特点 。
异步发电机转子无励磁绕组，而异步发电机转子无励磁绕组，而异步发电机转子无励磁绕组，而异步发电机转子无励磁绕组，而DFIGDFIG与同步发电机一与同步发电机一与同步发电机一与同步发电机一样，具有独立的励磁绕组样，具有独立的励磁绕组样，具有独立的励磁绕组样，具有独立的励磁绕组; ;异步发电机无法改变功率因异步发电机无法改变功率因异步发电机无法改变功率因异步发电机无法改变功率因子，子，子，子，DFIGDFIG与同步发电机一样可调节功率因子所以与同步发电机一样可调节功率因子所以与同步发电机一样可调节功率因子所以与同步发电机一样可调节功率因子所以DFIGDFIG可称为可称为可称为可称为交流励磁同步发电机，交流励磁同步发电机，交流励磁同步发电机，交流励磁同步发电机，实际上，它是具有实际上，它是具有实际上，它是具有实际上，它是具有同步发电机特性的交流励磁异步发电机同步发电机特性的交流励磁异步发电机同步发电机特性的交流励磁异步发电机同步发电机特性的交流励磁异步发电机，相对于同步，相对于同步，相对于同步，相对于同步发电机，发电机，发电机，发电机，DFIGDFIG具有很多的优越性具有很多的优越性。
具有很多的优越性具有很多的优越性 第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理2 2 好处好处（（1 1）同步发电机）同步发电机励磁电流励磁电流的的可调量只有幅值可调量只有幅值，所以一般只能，所以一般只能调节无功功率调节无功功率 （（2 2）而）而DFIG实行交流励磁，实行交流励磁，可调量有三个可调量有三个:一是励磁电流一是励磁电流幅值幅值;二是励磁电流频率二是励磁电流频率;三是励磁电流相位三是励磁电流相位由于DFIG励励磁电流的可调量比同步发电机多了两个，控制上更加灵活磁电流的可调量比同步发电机多了两个，控制上更加灵活:改变转子励磁电流频率，改变转子励磁电流频率，DFIG可以实现变速恒频运行可以实现变速恒频运行;改改变转子励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气变转子励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个位移，改变了发电机电势相量与电网电压隙空间上有一个位移，改变了发电机电势相量与电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以相量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以交流励磁交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。
在功率调节上在功率调节上DFIG较同步发电机有更多的优越性较同步发电机有更多的优越性第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机一一 特点特点杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理3 3 结论：结论：(1) (1) DFIG实行交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有实行交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有功功率而同步发电机直流励磁，其电流可调量只有幅而同步发电机直流励磁，其电流可调量只有幅值，所以一般只能调节无功功率，值，所以一般只能调节无功功率， （（2 2））DFIG通过通过改变转子励磁电流频率，转子可运行在变改变转子励磁电流频率，转子可运行在变化的速度状态，实现变速恒频运行化的速度状态，实现变速恒频运行同步发电机的转子同步发电机的转子必须运行在恒定转速，和风力机配合发电时，要求恒速必须运行在恒定转速，和风力机配合发电时，要求恒速恒频3 3）） DFIG通过转子上加交流通过转子上加交流励磁电流，可进行无功调节励磁电流，可进行无功调节 异步发电机必须从电网上吸收无功功率产生定子的励异步发电机必须从电网上吸收无功功率产生定子的励磁电流，所以无法进行无功调节，磁电流，所以无法进行无功调节，第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机一一 特点特点杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理 1 1 同步发电机在稳态运行时的同步发电机在稳态运行时的频率频率，其输出端电压的频率与，其输出端电压的频率与发电机的极对数及发电机转子的发电机的极对数及发电机转子的转速转速有着严格有着严格固定固定的关系，的关系，即即 f=pn/60,故当风力机带动发电机转子作变速运行时，同故当风力机带动发电机转子作变速运行时，同步发电机不可能发出恒频电能。
步发电机不可能发出恒频电能 2 如果转子做变速运行其速度为如果转子做变速运行其速度为nm,对定子产生的旋转磁场对定子产生的旋转磁场的频率为的频率为fm,另外在加入一组交流电流在转子上，其频率为另外在加入一组交流电流在转子上，其频率为f2，产生的旋转磁场相对于转子的转速为，产生的旋转磁场相对于转子的转速为n2=60f2/p,如果控如果控制制 nm＋＋ n2=n1=同步转速，则定子发出的频率恒定同步转速，则定子发出的频率恒定即：即：f1=fm ＋＋ f2=fm ＋＋ Sf1第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机二二 工作原理工作原理其中其中s为异步电机的转差率为异步电机的转差率，，s=n1-nm/n1杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理3 3 结论：结论：亚同步亚同步状态：当发电机的转速状态：当发电机的转速小于小于同步转速时，同步转速时，n nm m+n+n2 2=n=n1 1，滑差频率，滑差频率f f2 2产生的产生的旋转磁场与转子旋转旋转磁场与转子旋转速度速度相同，此时励磁变换器相同，此时励磁变换器向发电机转子提供交流向发电机转子提供交流励磁励磁，发电机由，发电机由定子发出电能给电网定子发出电能给电网;超同步超同步状态：发电机的转速状态：发电机的转速大于大于同步转速时，同步转速时，n nm m－－n n2 2=n1 =n1 ，滑差频率，滑差频率f f2 2产生的产生的旋转磁场与转子旋转速旋转磁场与转子旋转速度度反向，此时发电机同时反向，此时发电机同时由定子和转子发出电能给由定子和转子发出电能给电网电网，励磁变换器的能量流向逆向，励磁变换器的能量流向逆向;同步同步状态：发电机的转速状态：发电机的转速等于等于同步转速时，同步转速时，n nm m=n=n1 1，此，此时发电机作为同步电机运行，时发电机作为同步电机运行，由定子发出电能给电由定子发出电能给电网网，励磁变换器，励磁变换器向转子提供直流励磁向转子提供直流励磁。
第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机二二 工作原理工作原理杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理双双馈馈异异步步发发电电机机在在亚亚同同步步运运行行及及超超同同步步运运行行时时的的功功率率流流向向如如图图3-233-23所所示示，，图图中中PemPem为为发发电电机机的的电电磁磁功功率率，，S S为为电电机机的的滑滑差差率率，，PmPm为为输输入入机机械械功率第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机三三 功率传递关系功率传递关系杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理采用双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力采用双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力发电系统发电系统 第三节第三节 双馈异步发电机双馈异步发电机四四 双馈型变速恒频风力发电系统双馈型变速恒频风力发电系统 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理直直驱：：用用与与风力力机机速速度度同同步步的的低低速速多多极极永永磁磁发电机机直直接接联接接风力力机机，，可可以以避避免免增增速速箱箱带来来的的诸多多不不利利( (其其中中噪噪音音和和磨磨损主主要要是是高高转速速造造成成的的) )直直驱的的优势还体体现在在整整体体效效率率高高、、可可靠靠性性高高、、降降低低机机组整体重量以及大大减少整体重量以及大大减少维护。
实实质质：：风风力力机机直直接接驱驱动动的的低低速速交交流流发发电电机机（（目目前前研研制的永磁的）制的永磁的） 第四节直驱型发电机第四节直驱型发电机杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理1 根据电机理论知，交流发电机的转速根据电机理论知，交流发电机的转速(n)与发电与发电机的极对数机的极对数(p)及发电机发出的交流电的频率及发电机发出的交流电的频率(f)有固定的关系，即有固定的关系，即 2 当当f=50HZ为恒定值时，如若发电机的转速愈低为恒定值时，如若发电机的转速愈低，则发电机的极对数应愈多，则发电机的极对数应愈多 3 采用采用永久磁体，可以使转子的结构简单永久磁体，可以使转子的结构简单 第四节直驱型发电机第四节直驱型发电机一一 特点特点发电机转子磁极数多，定子内径大，外形酷似发电机转子磁极数多，定子内径大，外形酷似一个扁平的大圆盘一个扁平的大圆盘 杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理 发电机转子磁极数多导致发电机转子磁极数多导致发电机绕组的电势波发电机绕组的电势波形不再是正弦形的形不再是正弦形的 ，必须采用相应的处理，必须采用相应的处理。
如如采用采用分数槽绕组分数槽绕组，或在变速运行的风电机组中，，或在变速运行的风电机组中，通过通过逆变器中采用逆变器中采用PWM(脉宽调制脉宽调制)方式来获得方式来获得正弦波形的交流电正弦波形的交流电 第四节直驱型发电机第四节直驱型发电机二二 问题问题三三 直驱型变速恒频风力发电系统直驱型变速恒频风力发电系统杨锡运的发电机部分课件 风力发电原理风力发电原理复习题复习题1 请画图说明什么是自励式发电机和他励式直流请画图说明什么是自励式发电机和他励式直流发电机，并说明励磁电流的作用发电机，并说明励磁电流的作用2 风力发电系统的电磁转距和风轮转距之间有什风力发电系统的电磁转距和风轮转距之间有什么关系？么关系？Ø并网的风力发电机组可使用那些交流发电机，并网的风力发电机组可使用那些交流发电机，他们对前面的风轮的速度有什么要求？他们对前面的风轮的速度有什么要求？Ø请画出在亚同步和超同步双馈电机的功率流请画出在亚同步和超同步双馈电机的功率流向图，并解释什么叫亚同步状态，什么叫超向图，并解释什么叫亚同步状态，什么叫超同步状态，异步发电机在两种下功率流向又同步状态，异步发电机在两种下功率流向又如何？如何？杨锡运的发电机部分课件 。