风力发电系统实验

四川大学电气信息学院

课程题目：风力发电系统实验

专业班级：电力108班

姓名：郭焱林孟庆伦王飞鹏

杜越梁政

学号：1143031056 1143031208 1143031228

1143031227 1143031247

第二章风力发电系统实验

§ 2.1 风力发电实验

2.1.1 风力发电机调速

一、实验类别/学时验证

/2 学时

二、实验目的

1．掌握永磁发电机、永磁变频电机、变频调速器工作原理，以及模拟风力发电过程中，它们之间的机械、电磁关系。

2. 掌握变频器使用方法。

三、实验原理

同步发电机是目前使用最多的一种发电机。同步发电机的定子与异步发电机相同，由定子铁心和三相定子绕组组成；转子由转子铁心、转子绕组(即励磁绕组)、集电环和转子轴等组成,转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场。为了便于起动，磁极上一般还装有笼型起动绕组。同步发电机结构如图 2-1 所示。

图2-1 同步发电机结构

图2-2 同步发电机转子结构a) 隐极式b) 凸极式

同步发电机的转子有凸极式和隐极式两种，其结构如图 2-2 所示。隐极式的同步发电机转子呈圆柱体状，其定、转子之间的气隙均匀，励磁绕组为分布绕组，分布在转子表面的槽内。凸极式转子具有明显的磁极，绕在磁极上的励磁绕组为集中绕组，定、转子间的气隙不均匀。凸极式同步发电机结构简单、制造方便，一般用于低速发电场合；隐极式的同步发电机结构均匀对称，转子机械强度高，可用于高速发电。大型风力发电机组一般采用隐极式同步发电机。

同步发电机的励磁系统一般分为两类：一类用直流发电机作为励磁电源的直流励磁系统，另一类用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流励磁系统。发电机容量大时,一般采用整流励磁系统。

同步发电机在风力机的拖动下，转子(含磁极)以转速 n 旋转，旋转的转子磁

场切割定子上的三相对称绕组，在定子绕组中产生频率为 f1 的三相对称的感应电动势和

电流输出，从而将机械能转化为电能。由定子绕组中的三相对称电流产生的定子旋转磁场

的转速与转子转速相同，即与转子磁场相对静止。因此，发电机的转速、频率和极对数之

间有着严格不变的固定关系，即

pn1

1 60 60 （2-1）

当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为 1，因此被电力系统广泛接受。但在风力发电中，由于风速的不稳定性使得发电机获得不断变化的机械能，给风力发电机造成冲击和高负载，对风力发电机及整个系统不利。

在模拟风力发电系统中，采用电动机模拟风力机，拖动永磁同步发电机旋转。用变频调速器调节电动机转速模拟风速变化，从而产生频率、电压变化的风电输出。模拟风电系统连接方式如图 2-3 所示。电动机在电路中用字母“M”(Motor) 表示，它的主要作用是产生驱动转矩，作为本模拟系统中的原动机。而发电机在电路中用字母“G”(Generator)表示，它的主要作用是将机械能转化为电能。

图2-3 模拟风电系统结构

四、实验器材

电阻负载、万用表、示波器、高压差分探头等。

五、实验步骤

1、按图2-3所示结构接线，确保电网至电动机定子端、变频器电源、变频器至电动机励磁端（转子）的可靠连接，保持发电机定子端为空载。在发电机定子端连接高压差分探头，示波器开机。

2、检查接线无误后，开启变频器。上电后变频器显示屏自动显示频率界面，按

READ/WRITE 键进行频率设定，RESET/→键移动光标位置，控制数位，如个位、十位、百位；上、下键控制调节增加或减小频率，如图2-4所示。其他按键功能参见附录。

图2-4 变频器键盘及显示

将频率设定为5 Hz，按下 RUN 键，变频器开始工作。此时电动机转动并为永磁同步发电机提供机械功率。

整个系统运行起来后，可通过控制器操作页面读取一些参数，按 ESC 键回到监控模式，上、下键可翻阅各项电机参数名称，如输出频率、输出电流、控制方式、输出电压、直流母线电压、输出功率、输入端子状态、输出端子状态、故障电机速度等等，将实验数据记录于表2-1中。从万用表及示波器上读取发电机端子的电压值和频率，记录于表2-1中。

3、按 STOP 键停止变频器输出，改变变频器频率，将实验数据记录于表中。

4、断开系统所有电源，将电阻负载连接于发电机定子端，如图2-5所示。检

查连线后重复步骤2~3，记录数据于表2-2。

图2-5 永磁同步发电机定子端三相接头

5、按 STOP 键关闭控制器，断开系统所有电源，将全部测量仪器关闭并归位放好。

六、实验结果记录

(η1是风机对于整流后的输出效率，η2是逆变之后对于风机的输出效率)

七、实验图像记录

1连接图

2测量图

八，实验总结

1、带载时，电动机及发电机功率随频率变化的曲线。

2、

2、基于发电机和电动机原，解释和幅值）的原因。

用变频调速器调节电动机转速模拟风速变化，从而产生频率、电压变化的风电输出。所以当发电机机端电压变化频率变化时就是图中的风速开始变化意味着电动机的频率开始变化。当幅值变化时就是意味着电动机的输入功率，也就意味着进风量的变化。

3、绘出基于永磁同步发电机的风力发电机结构图，包括变流器部分。解释风力机的变频调速原理。

变频调速技术及压力控制技术或风压值降低时，将管道压力与设定压力相比较，通过PID计算，控制频率输出，从而调整水泵或风机的转速。当管压降低时，使水泵或风机转速增加提高管压；当管压上升时，又使水泵或风机转速减少降低管压，最终保证管网水压或气压恒定，一方面实现了供水或供气的自动化控制,一方面达到了节电的目的。总体而言就是先整流（交流变直流）后逆变（直流变交流）将电流整定成能上网的电流。